采空区变形计算

采空区地表建筑物的变形特征及预防措施研究摘要因矿产资源的开采，使得其地下形成采空区，为了节约土地资源，在采空区上方搭建建筑物的项目越来越多，但是由于采空区地基不稳，地表建筑物极易出现变形、坍塌等问题。

本文主要阐述采空区地表建筑物的变形特征以及应当如何预防建筑物出现上述问题，希望能够为相关工作人员和企业提供有效建议。

关键词采空区;地表建筑物;变形特征;预防措施前言我国矿产开采方式主要是井工开采，在开采过程中不可避免会出现采空区，随着矿产开采力度加大，采空区的面积和范围也会不断扩大。

由于采空区地下失去土岩支撑，原有平衡状态被破坏，在这上面构建的地表建筑物会因为地基不稳，极易出现变形、塌陷、沉降等问题，所以工作人员要采取有效措施对其进行防治。

1 采空区地表建筑物的变形特征1.1 斜裂缝在采空区地表建筑物变形中，斜裂缝是一种相对比较常见的墙上裂缝。

主要发生原因是：地表曲率变形使得剪力发生作用，导致建筑物墙体出现因主拉应力强调不足而断裂[1]。

斜裂缝这一变形特征主要出现在地表建筑物的门窗洞口附近、两端窗间墙和水平砌体带上。

1.2 墙身顶部竖向裂缝在采空区上方，通常建有缺乏钢筋混凝土圈梁、水平配筋砌体带的地表建筑物，由于其没有必要的承载支撑，在受到外界影响时，建筑物墙身顶部则会出现竖向裂缝。

这种裂缝通常情况下会出现在建筑物的纵墙上，沿着墙壁长度方向分布，重点地区为墙身顶部和中部，裂缝呈现上宽下窄特征，由墙身顶部沿竖直方向发展，对建筑物的稳定产生不利影响。

1.3 窗台墙上竖向裂缝窗台墙上属相裂缝的表现特征与墙身顶部竖向裂缝特征相同，皆是上宽下窄，通常是从窗台墙上部开始向下扩展，窗口越宽，裂缝也就会越大，不利于建筑物的安全和稳定。

这种裂缝普遍出现在建筑物的中间部位（窗台部位），两端出现该变形的概率较小。

1.4 窗间墙上水平裂缝一般情况下，窗间墙上水平裂缝出现在地表建筑物门窗洞口的上下水平处，其具体表现特点为门窗洞口边缘处裂缝宽度大，两端裂缝宽度小，且出现裂缝的上下部砌体并不会发生错动现象。

采空区路基沉降计算公式引言。

在矿区开采过程中，采空区的形成是不可避免的。

采空区对周围环境和工程设施会产生一定的影响，其中包括路基沉降。

路基沉降是指由于采空区下方地层的变形而导致路面或路基沉降的现象。

为了有效地预测和控制采空区对路基的影响，需要建立相应的计算公式。

本文将探讨采空区路基沉降的计算公式及其应用。

采空区路基沉降计算公式的建立。

采空区对路基的影响主要是通过地下水位变化和地层变形两个方面来实现的。

地下水位变化会导致路基的软化和下沉，而地层变形则会引起路基的沉降和破坏。

因此，建立采空区路基沉降的计算公式需要考虑这两个方面的影响。

首先，我们来看地下水位变化对路基的影响。

地下水位的变化会导致土壤的湿度发生变化，进而影响土壤的强度和稳定性。

根据地下水位变化对路基的影响可以建立如下的计算公式：Δh = K ×ΔG。

其中，Δh表示路基的沉降量，K为地下水位变化系数，ΔG为地下水位的变化量。

地下水位变化系数K可以通过实地观测和试验确定，其数值与地质条件和路基结构有关。

其次，地层变形对路基的影响也是十分重要的。

地层变形会引起路基的沉降和破坏，因此需要建立相应的计算公式来预测路基的沉降量。

根据地层变形对路基的影响可以建立如下的计算公式：Δh = ∑(Δhi)。

其中，Δhi表示地层变形引起的路基沉降量，∑表示对所有地层变形引起的路基沉降量进行累加。

地层变形引起的路基沉降量可以通过地质勘探和数值模拟得到。

综合考虑地下水位变化和地层变形对路基的影响，可以建立如下的采空区路基沉降计算公式：Δh = K ×ΔG + ∑(Δhi)。

该计算公式综合考虑了地下水位变化和地层变形对路基的影响，能够较为准确地预测采空区对路基的影响。

采空区路基沉降计算公式的应用。

采空区路基沉降计算公式的建立为预测和控制采空区对路基的影响提供了有效的工具。

通过对地下水位变化和地层变形的考虑，可以较为准确地预测采空区对路基的影响，并采取相应的措施进行预防和修复。

采空区输电铁塔安全性评价摘要：近年来，随着经济的发展和超高压输电线路的大量建设，越来越多的超高压输电线路已无法绕过煤矿沉陷区。

同时，煤炭开采引起的地表移动和变形，对已有超高压输电线路的安全造成严重威胁。

国内外学者针对采煤沉陷区内高压和特高压输电铁塔的极限基础位移进行了一定的研究，但是对输电铁塔安全性评价方法的研究还不够系统和深入。

因此，开展沉陷区输电杆塔结构的安全性研究，对沉陷区输电塔架的安全性进行评估，对输电线路抗变形设计和治理以及确保输电线路安全运行，均具有重要的意义。

关键词：超高压；输电线路；沉陷区；输电铁塔；安全性评价1 塌陷区地表变形规律1.1 塌陷区地质和采煤情况某 500k V 输电工程(初期降压 220k V)是东陇海经济产业带重要的电力基础设施，其中任庄—徐州东输电线路中段经过煤矿塌陷区。

根据收集的资料，输电线路主要经过丰县煤矿(新庄矿)、旗山煤矿、大吴煤矿，其中经过矿区的大部分线路位于旗山矿采空区。

输电线路所经矿区井田为全隐蔽煤田，覆盖于第 4 系冲击层之下。

主要可采煤层为 1 煤、3 煤、9煤，17 煤、20 煤、21 煤局部可采，旗山矿的−420水平已基本结束，现主采−700 水平 1、3 煤，配采山西组 9 煤。

输电线路附近采空区分别为 1 煤、3煤和 9 煤采空区，目前，17 煤、20 煤、21 煤还未开采。

1.2 采空区地表变形研究表明，地下开采引起的地表沉陷是一个时间和空间过程，这个过程伴随地表出现复杂的移动变形[9]。

地下开采对地表的影响主要有垂直方向的移动和变形(下沉、倾斜、扭曲、曲率)与水平方向的移动和变形(水平移动、拉伸和压缩变形)，以及地表平面内的剪应变等。

地表变形的大小和形式与煤层的赋存条件、顶板管理方法、开采深度、采区大小、开采布局和开采顺序、方向、时间，以及上履岩层的性质有关。

多煤层开采时地表将受到重复采动的影响，采动影响的延续时间或长或短，开采结束后，地表变形将逐渐趋于稳定。

根据“三带”理论，可判定采动影响的范围和程度。

当采空区顶板最小埋深H>h1+h2+h3时采空区地表就不会发生塌陷或变形。

根据《三下规程》垮落带的高度主要决定于煤层厚度、倾角和顶板岩石的碎胀系数，当煤层顶板覆岩内为坚硬、中硬、软弱、极软弱岩层或其互层时，厚煤层分层开采的垮落带最大高度可采用如下经验公式：2.2197.4100±+=∑∑M M H m
根据资料，评价区内3号煤层平局厚度 6.10m ，9号煤层平均厚度
1.52m ；15号煤层平均厚度
2.51m ，则垮落带的高度约为19.08~21.28m ；裂隙带的高度一般为垮落带的2~3倍，即h2约为38.16~42.56m ；弯曲带的高度为裂隙带高度的5~10倍，即h3约为190.8~212.8m 之间。

将三带相加得到采空区形成的变形带在
248.04~276.64m。

矿山开采沉陷学：研究煤矿地下开采引起的岩层与地表移动规律、移动变形控制方法及相关问题的科学。

它是一个工程技术研究领域，也是矿山测量、采矿工程学科的专业方向之一。

开采沉陷：矿层地下开采引起的岩层移动、松散层移动、地表移动现象和过程。

岩层移动：地下有用矿物被采出以后，开采区域周围岩体原有的应力平衡状态受到破坏，使岩体产生变形、位移和破坏的现象和过程。

地表移动：当开采的面积达到一定范围之后，岩层的移动和变形将发展到地表，引起地表的移动、变形和塌陷的现象和过程。

岩层移动六种形式：弯曲、煤的挤出(片帮)、垮落(冒落)、底板岩层的隆起、岩石沿层面的滑移、垮落岩石的下滑。

弯曲：岩层沿层面法向一次向采空区方向的弯曲。

煤的挤出(片帮）：煤壁在支承压力作用下压碎向采空区突出的现象。

岩层的垮落(冒落)：顶板岩层受上覆岩层压力弯曲而拉伸破坏，从岩体中垮落。

底板岩层的隆起：在煤层采出后，底板在垂直方向减压，水平方向受压，导致底板向采空区方向隆起。

岩石沿层面的滑移：倾斜煤层时，岩石在自重力的作用下，除产生沿层面法线方向的弯曲外，还会产生沿层面下坡方向的移动。

垮落岩石的下滑：倾斜煤层时，采空区上部垮落的岩石下滑充填下方采空区。

岩层移动分区：充分采动区、最大弯曲区、岩石压缩区、垮落带、断裂带（裂隙带）、弯曲带、底板采动导水破坏带、底板阻水带、承压水导升带。

地表移动的四种形式：下沉盆地、裂缝与台阶、塌陷坑、采动滑移或滑坡。

下沉盆地：受影响地表从原有的标高向下沉降，从而在采空区上方形成一个比采空区范围大得多的沉陷区域，也称“地表下沉盆地”。

裂缝与台阶：地表产生的延伸性裂缝，裂缝两侧地表有时还会有一定的落差而形成台阶。

塌陷坑：边缘较陡、塌陷深度大的漏斗状或沟槽状塌陷坑。

常发生在浅部开采急倾斜煤层或特厚煤层时。

采动滑移或滑坡：采动滑移是指地下开采引起的山区地表附加移动；采动滑坡是指地下开采引起的坡体整体性大面积滑动或坍塌。

充分采动：地表最大下沉值不随采区尺寸增大而增大的临界开采状态。

《河南水利与南水北调》2023年第11期南水北调南水北调中线总干渠采空区变形监测方案及成果李承骏（河南省水利水电工程质量安全中心，河南郑州450003）摘要：南水北调中线总干渠禹州段是全线唯一穿越煤矿采空区的渠道，采空区渠道的稳定性问题是南水北调中线总干渠的重大工程技术问题之一。

文章介绍了南水北调中线总干渠禹州采空区的变形监测设计方案，从煤矿采空区、采空区渠道两个方面，从表面变形监测、内部变形监测两个角度深入分析监测成果，总结禹州采空区渠道的运行状况，为渠道安全评估提供可靠的数据支撑，为南水北调后续工程、以及类似穿越采空区的工程设计、建设与管理提供了依据和参考。

关键词：南水北调；采空区；变形监测中图分类号：TV68；TV698.11文献标识码：B文章编号：1673-8853（2023）11-0044-020引言禹州煤矿采空区广义上是指南水北调中线总干渠穿越禹州煤矿采空区的范围（以下简称禹州矿区），狭义上是指禹州采空区渠道工程（以下简称采空区渠道）。

文章总结了南水北调中线总干渠穿越禹州煤矿采空区各个变形监测项目的设计方案，基于监测方法符合规范、监测成果满足精度的基础上，不再赘述监测数据采集过程，直接分析监测成果，总结南水北调穿越禹州采空区渠道工程的运行状况和工程的安全性。

1禹州矿区变形监测1.1禹州矿区概况南水北调中线总干渠在河南省禹州市西南约7km 处三峰山周边穿越禹州煤矿采空区，该段工程主要穿越原新峰矿务局二矿、禹州市梁北镇郭村煤矿、梁北镇工贸公司煤矿和梁北镇福利煤矿等4个采空区，采空区渠道全长3.90km ，地面高程123～145m ，浅层地下水埋深8～12m ，采空区埋深多为100～269m 之间，采空区基础处理已采取基础灌浆措施。

1.2矿区变形监测设计方案禹州矿区变形监测（2010年4月至2017年4月）跨越建设前期、建设期（2010年9月至2014年4月）、运行初期，变形监测项目设计包括表面变形监测和内部变形监测。

199Vo1.16 No.02 June, 2021/第16卷 第2期 2021年6月doi:10.3969/j.issn.1007-1903.2021.02.012Numerical simulation of influence range for mined-out area in iron mine,Jinan CityLI Zhuodong 1, ZHAO Zhenhua 2,3, Y UAN Hui 2, GAO Kuifeng 2, ZHANG Lanxin 2,WANG Lin 2, LI Haitao 2, DU Jinliang 2, WANG Y an 1(1. China University of Mining and Technology, School of Resources and Geosciences, Jiangsu Xuzhou 221116, China; 2. 801 Hydrogeological Engineering Geological Brigade of Shandong Bureau of Geology and Mineral Resources Exploration andDevelopment, Jinan 250014, China;3. Shandong Groundwater Environmental Protection and Remediation Engineering Technology Research Center, Jinan 250014, China) Abstract: It is of great significance to conduct goaf stability analysis near schools, shopping malls and other buildings. Taking a goaf in Jinan as an example, this paper conducts numerical simulation analysis on the stability of the goaf based on FLAC 3D numerical simulation program, obtains the distribution rules of stress and displacement of the goaf after iron ore mining, and determines a serious surface subsidence area with a length of 65 m above it. The simulation results are basically consistent with that of the empirical formula calculation, which proves that the scheme is reasonable and accurate, and can be referred to and combined with the numerical simulation program in the stability analysis and evaluation of goaf.Keywords: Iron mine;mined-out area;numerical modeling;geological disasters;surface collapse济南市某铁矿采空区影响范围数值模拟李作栋1，赵振华2，3，袁 辉2，高奎锋2，张兰新2，王 琳2，李海涛2，杜金亮2，王 妍1（1.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116；2.山东省地质矿产勘查开发局八〇一水文地质工程地质大队，山东 济南 250014；3.山东省地下水环境保护与修复工程技术研究中心，山东 济南 250014）摘 要：以济南某采空区为例，基于FLAC 3D 数值模拟程序对采空区的稳定性进行数值模拟分析，获得了铁矿开采后采空区的应力及位移分布规律，在采空区上方确定了一个长为65 m 的地表沉降严重区。

矿井采空区变形监测技术研究发布时间：2022-05-18T09:12:08.734Z 来源：《科学与技术》2021年35期作者：杨天弘[导读] 在当前社会、经济、科学技术高速发展的重要时期，矿产资源及其开采极大地影响一个国家或地区的经济建设方针和社会发展杨天弘玉溪矿业有限公司大红山铜矿云南玉溪 653405摘要：在当前社会、经济、科学技术高速发展的重要时期，矿产资源及其开采极大地影响一个国家或地区的经济建设方针和社会发展水平。

矿产资源的开采给国家地区带来发展的同时，也给人们的日常生活带来隐患。

矿井采空区变形监测技术研究的不断发展，有利于及时监测由于开采活动导致的地质变化，为可能发生的地质灾害提供预测支撑，同时为后续开采工作提供参考数据。

关键词：矿产开采；采空区；监测技术引言：随着经济建设工作的不断深入，人们对矿产资源的需求量日益增大，矿产开采行业的发展不断深入。

但是由于高强度高密度的进行矿产挖掘开采工作，以及开采技术有待完善原因和开采后没有及时处理开采破坏的遗留问题，使开采地表沉降和开采山区山体滑坡问题愈演愈烈，对于人民生活生存息息相关的居住工作房屋建筑、出行的公路道路造成极大的安全隐患。

为了保证矿产开采区的地质安全，降低开采作业后可能衍生的安全问题，矿井采空区变形监测技术的研究尤为重要。

一、矿井采空区变形监测技术的重要性在人们进行矿产开采活动后，或由于地球自然的地质运动，地表下的岩层出现的“空洞”被称为采空区。

地表下的采空区隐藏于地下，通常不能被人们直观的发现，因此具有很强的隐伏性；由于各个矿产资源都有其独特的存在形态、矿物特性及资源特征，导致采空区在空间分布和形态上没有可循规律的特征；此外，自然界的气候和地质运动变化无常，人们难以对采空区的顶板发生冒落塌陷等情况进行预测。

在采空区地表区域范围内，大部分无法建设建筑物，地面无法利用，从而造成资源浪费，严重影响城市的规划和发展。

同时由于地表以下没有岩体的支撑，地面人们生活对地表的压力增大，容易发生地表坍塌现象，对人们的日常生活和人身财产安全带来极大的威胁。

采空区地球物理勘探技术方法王 鹤 宇( 山西省地球物理化学勘查院，山西 运城 044004)摘 要: 采空区给人类生产生活带来严重危害，采空区的探测已成为重要研究课题。

笔者介绍了采空区的地球物理 特征，结合工程实例对采空区探测的物探方法( 电法、地震、放射性) 进行叙述，探讨了三种采空区地球物理探测方 法研究现状和存在问题以及今后的研究发展方向。

关键词: 采空区; 瞬变电磁法; 三维地震; 活性炭测氡中图分类号: P631． 4 文献标识码: A 文章编号: 1000 － 8918( 2012) S1 － 0034 － 06建国以来，工业的发展对资源需求量增大，各类 煤矿开始蓬勃发展，长期高强度的开采及各类不规 范的私人小煤矿的开采，形成采空区。

到目前为止，山西省采煤形成的采空区达 2 万 k m 2。

今后几年是主体企业接管重组整合煤矿的过渡磨合期和重组整 合煤矿技术改造的建设期，也是重组整合煤矿调整 动荡、事故易发的高危期。

大部分小煤矿没有保留 下准确的地质资料，兼并重组整合煤矿普遍存在地 质勘查工作程度低、地质情况不明，煤矿建设和生产 存在安全隐患，将是制约安全生产的一大因素。

因 此进行采空区探测工作十分必要，目前探测采空区 的物探方法较多，如瞬变电磁法、三维地震法、活性 炭测氡法等。

图 1 煤层采空区塌陷垂直“三带”示意密度差异，为一个非常明显的波阻抗界面，能够形成可检测的反射波。

采空区的存在，致使地层原有物性条件遭到破坏，在煤层反射波组中表现为反射波同相轴的弯曲、减弱，直到消失，同时煤层顶部结构的不规则破坏，也将产生各种低频干扰，因此用地震方法可以探测地下煤层采空区的分布［2］。

( 1) 采空区地震时间剖面判识。

在沉积稳定煤层中掘进的工作面，人为地造成煤层局部的不连续性，使得地层局部物性条件发生突变 ( 煤 岩—空腔) ，表现在地震时间剖面上，势必造成在叠加剖面上的煤层反射波出现绕射波，在偏移时间剖面上则会出现“空白段”或“低能量”反射( 图 2) 。

⑴评估区地表移动变形预测采用倾斜长壁、走向长壁为主的采煤方法，顶板管理采用全部垮落法，设计工作面长度150—260m ，推井长度1800—2800m ，属充分采动。

国内外采矿经验认为，当煤层采深采厚比小于30时，煤采出一定面积后，会引起岩层移动并波及到地表，其地表沉陷和变形在空间上和时间上都有明显的不连续特征，地表变形剧烈，煤矿采空区上方会形成较大的裂缝或塌陷坑。

当采深采厚比介于30—100之间，地层中没有较大地质破坏情况下，煤采出一定面积后，会引起岩层移动并波及到地表，其地表沉陷和变形在空间上和时间上都有明显的连续性和一定的分布规律，常表现为地表移动盆地。

上组煤层埋深及采深采厚比特征见下表。

表3—4 上组煤采深采厚比特征表采深采厚比特征表明，当上组煤层联合采出后，将会引起岩层移动并波及到地表，局部地段地表变形剧烈，煤矿采空区上方会形成较大的裂缝或塌陷坑。

为定量评估开采上组煤层后地表变形特征，下面依据国家煤炭工业局制定的《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》（以下简称《规程》）中的经验公式，对煤层开采后地表最大移动、变形和倾斜值进行计算。

采用公式如下：地表移动与变形极值计算：最大下沉值：Wmax=Mqcos α 最大曲率值：Kmax=±1.52 2maxr W 最大倾斜值：Imax=rW max最大水平移动值：Umax=b Wmax 最大水平变形值：εmax=±1.52brW max式中：q—下沉系数M—煤层采空区厚度（m）r—主要影响半径，其值为采深与影响角正切值tgβ之比α—煤层倾角b—水平移动系数本矿无实测的地表移动变形基本参数数据，本次评估中煤层厚度、埋深采用《煤矿资源储量核实报告》中的数据，其它参数根据根据覆岩性质及顶板单向抗压强度在《规程》P222附表5-3中选择经验参数。

根据《选煤厂改扩建可行性研究报告（修改）》，在方案适用期内，开采北一采区（5#）、北二采区（2#煤）和北三采区（3#+4#）。

乌鲁木齐市过境段公路下伏采空区地表变形计算分析发布时间：2022-09-14T09:39:38.208Z 来源：《新型城镇化》2022年18期作者：吴景伟1 王立鹤2 [导读] 国道216线乌鲁木齐市过境段公路工程位于乌鲁木齐市东侧，道路等级为城市快速路，线路全长约43.029km。

1. 中交第二航务工程局有限公司武汉 430040；2. 新疆交通建设管理局项目执行三处乌鲁木齐市 830049摘要：本文针对乌鲁木齐市过境段公路沿线各采空区仍处于不稳定状态，其剩余变形量均较大，地下尚存在许多空洞的现状，通过对相关评价标准的分析，采用经验公式及调查区覆岩结构特点分析预测地表变形，通过计算得出采空区地表最大剩余下沉量在384至887mm之间，大于规范所规定的沉降量，会使公路路基产生裂缝及沉陷，影响着公路运营安全。

关键词：道路工程；采空区；地表变形；计算1 引言国道216线乌鲁木齐市过境段公路工程位于乌鲁木齐市东侧，道路等级为城市快速路，线路全长约43.029km。

经现场勘察，道路经过丰源煤矿的采空区（K11+100-K11+260）、新疆兵团天发能源有限公司第一煤矿的军区后勤煤矿采空区（K11+260～K11+560）和八道湾煤矿采空区（K11+560～K11+860）。

道路工程在采空区路段以路基通过，路基设计宽度为70m，自然地面算起的路基填筑高度为2.4m，边坡坡率为1：1.5。

公路沿线第四系松散层分布于区内，岩性上部是黄土状粉土，其下部是砂砾石，厚度为5～50m，具有湿陷性。

公路沿线煤矿区属于急倾斜、近距离开采，采空区上覆岩层的稳定性差，易发生变形，见图1、2所示。

图1 矿区塌陷坑群图2 路线沿线圆形塌陷坑2 相关评价标准目前，国内《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）、《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）未对高速公路煤矿采空区上覆特大桥的变形要求有明确的规定；高速公路主要参照煤炭部颁发的《建筑物、水体、铁路及主要井巷道煤柱留设与压煤开采规程》（2016年），确定公路下覆采空区治理范围和保护煤柱的范围。