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采空区地基稳定性问题实例分析建筑工程所 任彦会 万叶青摘 要针对潍柴动力股份有限公司铸造中心一期工程建设，最初选址为采空区地基的问题，通过多方论证和预测分析，对该采空区地基进行了综合评价，最终否定了该选址方案，从而避免了灾害的发生。
本文汇总有关评价方法，以供类似工程参考。
关键词采空区 地基 塌陷1 采空区概念采空区是将岩体中间的煤层或矿层开挖后在顶板和底板岩层之间形成的空间区域。
采空区根据开采现状可分为老采空区、现采空区和未来采空区三类，其中老采空区是指建筑物兴建时，历史上已经采空的场地；现采空区是指建筑物兴建时，地下正在采掘的场地；未来采空区则是指建筑物兴建时，地下富存有工业价值的矿层，目前尚未开采，而规划中要开采的场地，见图一。
图一 采空区剖面示意图采空区所带来的主要灾害是地表变形和采空塌陷，其特点是：采空区面积区域性差异大，所产生的地质灾害及带来的影响也各不相同，一般是同一地区采深采厚比越大、采空区面积越大、开采层数越多其所造成的地面影响也越大。
大面积的采空区扰动了地球环境，改变与破坏了地球表面和岩石圈的自然平衡，产生了大面积的采空塌陷等地质灾害。
其结果导致江河断流，泉水、地下水枯竭，土地干旱贫瘠，农业欠收，生态环境恶化；还会导致高速公路、铁路、机场和西气东输、南水北调等重大工程以及城市建筑因处理采空问题而增加建设难度的费用。
2 工程概况本工程潍柴动力股份有限公司铸造中心一期工程，占地面积约为800亩，总投资约12亿元人民币，工艺先进，居世界领先水平，一期工程均为新建建筑，主要建筑物包括1号铸铁车间（70000㎡）、综合库、成品库、金属炉料库、焦炭石灰石及耐火材料库、膨胀土煤粉合金库、砂库、气体机装配试验车间及其配套服务的厂区办公楼、食堂、浴室、其他辅助站房等共计10万余平方米建筑面积。
1号铸铁车间是主要生产车间，屋架下弦标高标高12.000~15.000米，跨度18~24米，钢排架结构；主要结构采用焊接H型钢柱，梯形钢屋架钢天窗架，1.5x6.0米预应力大型钢筋混凝土屋面板构件；维护结构采用煤矸石砖墙体，外加单层彩钢板；冲天炉是铸造中心关键设备，为美国公司厂品，30多米高钢框架结构，对地基不均匀沉降要求较高，不允许有沉降差；其余大部分生产线采用进口设备，对地基不均匀沉降要求也较高，允许沉降差2/1000。
一、工程概况xx集团拟在xx煤矿工业广场区域新建一座50万吨/年的甲醇厂，拟建厂址利用xx煤矿的工业广场留设煤柱没有开采的有利条件,尽可能把新建甲醇厂的重要建（构)筑物布置在工业广场留设的煤柱之上（xx煤矿工业广场建筑物平面图见图1—1所示），其他建（构)筑物布置在工业广场周围的采空区之上。
拟建厂址东西长约1200m，南北宽约760m，占地面积900余亩；西为邹唐公路，北与西侧为xx煤矿铁路专用线。
交通十分便利,基础设施齐全，地形较为平坦开阔。
拟建工程建（构）筑物总平面布置见图1-2所示.主要建、构筑物名称及要素见表1-1所示。
大型重要设备尺寸见表1-2.荷重最大的设备为甲醇合成塔、甲醇洗涤塔、气化炉、澄清槽等.建构筑物最高的为煤筒仓（高度43。
5m）和气化框架（高度39m）.大部分设备基础采用桩基础，钢筋混凝土结构。
精密设备、超长轴设备如大型压缩机、泵，基本都是联合平台，联合基础，不允许局部沉降.大部分设备对下沉都比较敏感，特别是大型压缩机有轴位移和轴震动非常精密的检测报警设备，位移和振幅一般要求小于0.5mm。
表1-2 大型重要设备尺寸234二、地质采矿条件xx煤矿是xx矿区开发最早的矿井，位于xx市南xx镇和xx镇境内,井口北距xx市约11km。
xx煤矿于1960年开始建设，设计生产能力为30万t/年，1978年改扩建至45万t/年,1990年后矿井进入衰老期，1991年底注销矿井设计生产能力，之后回收部分煤柱，至2002年回收完毕，然后闭坑。
1、地层x州煤田位于鲁西隆起区西南缘的x州向斜内,属石炭二迭系含煤地层.井田内地层自上而下分述如下:第四系，厚15.92~58.50m,由棕黄色砂质粘土及粘土质砂砾组成，含3层含水砂或砂砾层.上侏罗系，厚0~266.59m，以紫红色厚层状中、细砂岩为主，泥质胶结，夹薄层砾岩、砂砾岩和泥岩。
下部含绿灰岩、粉砂岩互层。
底部为一层不稳定的砾岩。
石炭系太原群,井田内沉积厚度一般为151.48m，由薄层深灰色粉砂岩、泥岩和灰～绿灰色砂岩组成，中夹灰岩8层、薄煤层15层,是本区主要含煤层段，可采煤层为第16上、17、18上层煤。
露天采场边坡下空区群稳定性分析和治理摘要：为研究某露天矿南部空区对上部边坡的影响，利用Ansys进行数值计算，并采用强度折减法得到边坡安全系数和相应破坏类型，最后提出“采空区顶板崩落+坡脚位移监测”综合治理方案。
研究结果表明：治理前部分空区存在局部应力集中，采用综合治理方案后2#煤层和边坡坡角拉应力分布范围和拉应力值减小，12个月后边坡位移量趋于稳定。
关键词：空区群；边坡稳定；Ansys数值模拟；强度折减法；防治措施随着露天开采计划的推进，可能导致空区上部边坡垮塌或者滑坡，为此需对南部该部分空区群对南部边坡稳定性影响进行研究，以确保矿山安全生产。
空区群对边坡稳定性影响常用的研究方法包括极限平衡理论分析、数值模拟和相似实验，本文基于ansys软件对南部盘曲进行数值模拟计算，并结合强度折减理论对边坡安全系数进行计算，最后根据模拟结果为空区治理提供相应建议。
1建立有限元模型经由CAD to Ansys插件生成命令流，而后更改命令流获得高程点三维坐标，将所得高程点导入Surfer更改不合理高程点，获得矿区地表三维模型导出。
将所得曲面同Bigmap中矿区地形进行比较，并同技术员交流，确认无误后导出修改后的高程点，再导入Rhino生成曲面模型，并根据需求裁剪边界，导出为igs文件格式。
最后利用Ansys软件导入igs文件，生成地表三维曲面模型。
图1 地表三维曲面建模过程2稳定性数值计算及结果分析2.1 模拟结果分析2.1.1 拉应力分析某露天矿南部边坡下2#煤层和5#煤层各采空区拉应力分布图如图2所示，由图2(a)可知，2-3采空区东面围岩转角处存在应力集中现象，而底板受5#煤层和同水平煤层开采的影响，岩体存在一定的拉应力，最大拉应力为0.28MPa；2-1和2-2采空区由于空区面积和跨度较小、采场较为规则，因而应力集中现象相对较弱，采空区稳定性较好。
5-2、5-3和5-4三个采空区转角处应力集中现象较为显著，与2#煤层不同之处在于该煤层所在水平下方无开采扰动，即下层岩体应力重新分布情况不明显，因而5#煤层围岩相较于2#煤层拉应力分布范围减小。
采空区建筑地基的稳定性分析和施工处理方法摘要：结合工作实践，探讨了采空区建筑地基的稳定性分析方法及工程实践中对采空区的常用处理方法，对采空区建筑物的布置及其抗变形结构设计等都具有重要的理论和实际运用价值。
关键词：采空区，建筑地基，稳定性分析，施工处理方法在过去几十年中，我国中西部煤炭资源的开发对国民经济的发展做出了巨大贡献。
但由于煤炭资源的开采，在中西部地区的一些老能源基地造成了大规模、大范围的采空塌陷区，导致上覆岩体冒落、断裂和弯曲，使岩体力学强度降低，造成老采空区上方建筑地基的承载能力下降。
随着西部大开发战略和基础建设的加速实施，以及小城镇建设的不断发展，可供建筑的地面严重不足，一些地区的公路、铁路、厂房、住宅楼等不得不穿越或建立在老采空区上方。
在这些静荷载或动荷载作用下，有可能使原本处于相对平衡状态的冒裂带岩体重新“活化”，使冒裂带岩体再压密、地下残留空洞再冒落，导致地表产生附加移动和变形，进而使新建建筑物沉降、局部开裂、倾斜、直至倒塌。
因此，开展对老采空区建筑地基稳定性评价及其变形破坏规律的研究工作，对老采空区建筑地基的处理、采空区建筑物的布置及其抗变形结构设计等都具有极其重要的理论和实际运用价值。
1、采空区建筑物地基的稳定性分析老采空区建筑地基的危害程度及稳定性评价在国内外都属于一个较新的课题。
在老采空区上方修建建筑物的关键问题是对老采空区建筑地基的稳定性评价问题。
目前，我国的相关分析方法有以下三种。
1.1力平衡分析法[1]如图1所示，矿层采空后其顶板岩块ABCD 因重力W 的作用而下沉，两边的楔体ABM 和CDN 也对其施加水平压力P 。
因此，在AB 和CD 两个面上又受到因P 的作用而产生的摩阻力f 的抵抗。
现取采空段(巷道)单位长度为计算单元，则作用在巷道顶板的压力为:Q=W-2f （1）W=B H γ。
f =P tan φ=21γH 2(45°-2φ) （2） P=2Hγtan 2(45°-2φ) （3）式中:Q ———巷道单位长度顶板上所受的压力，kN/m ；W ———巷道单位长度顶板上所受的总重力，kN/m ；P ———楔体ABM 和CDN 作用在AB 和CD 面上的主压应力的最大值，kN/m ； f ———巷道单位长度侧壁的摩阻力，kN/m ；H ———巷道顶板的埋藏深度，m ；B ———巷道宽度，m ；φ———岩层的内摩擦角，(°)。
ANSYS在基坑稳定性评价中的研究一般基坑的开挖有两种形式，即直立式开挖和台阶式开挖。
两种方法各有优缺点和适用条件。
关键科学问题是开挖深度和地下水的存在对基坑的稳定性的影响。
在一定的地下水位下，开挖多深会出现稳定性的破坏。
本文的研究内容包括利用数值分析ANSYS软件，对基坑开挖的稳定性进行评价。
确定地下水的存在条件下基坑的稳定性，即开挖多深会出现破坏。
针对各种常见基坑支护方式的受力特点，采用大型非线性有限元软件ANSYS 分别建立相应的数值分析模型，对这些支护方式作用下的基坑开挖的变形情况进行比较分析，总结出重力式支护方式下基坑变形规律，为基坑支护结构设计、基坑开挖及基坑变形监控量测提供参考依据。
在基坑工程领域，土体的物理力学参数具有较大的随机性，传统的定值分析方法没能考虑这些土性参数的随机性，因此其计算结果必然带有一定的不确定性。
而基于可靠性的分析方法则可以考虑土体参数的随机性及其相关性的影响，其设计结果更为客观、更加符合工程实际。
目前，关于基坑工程可靠性分析问题的研究工作尚处于起步时期，所做的主要工作还只停留在简单支护形式下的浅基坑工程领域；而对于复杂支护体系下的深基坑工程的可靠性分析问题，基本还处于空白阶段。
一般在基坑的开挖有两种形式，即直立式开挖和台阶式开挖。
两种方法各有优缺点和适用条件。
关键科学问题是开挖深度和地下水的存在对基坑的稳定性的影响。
在一定的地下水位下，开挖多深会出现稳定性的破坏。
本文的研究内容包括利用数值分析软件，对基坑开挖的深坑的稳定性进行评价。
确定地下水的存在条件下基坑的稳定性，即开挖多深会出现破坏。
1 ANSYS软件的介绍“有限元法”的提出最早是1960由年美国的Clough R W在一篇名为”平面应力分析的有限元法”论文中首先使用的.有限元法发展至今,其应用已不再局限于简单的平面问题转而发展为空间问题,板壳问题,同时也由简单的静力问题扩展到动力问题、物体的稳定问题、以及波动相关的问题，其研究对象也由弹性材料进而扩展到粘弹性、塑性、粘塑性以及复合材料等，其涉及的领域也由固体力学扩展到电磁学、流体力学、传热学等领域。
采空区稳定性分析与评价【摘要】如今，随着我国的经济及许多方面都在不断的发展，我们在开采不同矿产资源的过程中遇到的问题也随之暴露出来，比如说北方的冬天要大量的消耗煤炭资源，但是随着我们对煤炭的大量开采，地下就会形成采空区，我们对资源的开发又不能只局限在地表，那么在矿区地表建筑物的稳定性就会受到影响。
【关键词】采空区的稳定；分析；稳定性评价；一、前言目前我国对不同资源的开发在逐渐的增加，尤其是我们日常所必须的煤炭、铁矿等这类资源，长期发展下去，我们所面临的采空区面积会不断增加，所以在进行地表建筑物的建造时就有必要避开这些区域，如果在采空上方建造一些高层建筑物的话就极有可能存在很大的安全隐患。
因此我们就有必要采取措施对采空区进行填充来保证地基的牢固性。
二、采空区稳定性的判断通常我们在对地下资源进行开发时都会提前考虑这片地区所能承受的开采量，但是有时为了获得更大的资源开发，我们对地下矿产的利用可能会大于它所能承受的范围。
在地下资源被开采出来后，这片地下区域就被称之为采空区，我们对矿产的开发会导致采空区附近和地表上覆盖的岩石和土壤结构被破坏，随着时间的流逝，这些从前开发遗留下来的采空区会通过自然的变化逐渐变得稳定，继而发展成为老的采空区。
但是在老的采空区的地表如果建造新的甚至是高层的建筑后就有很大的可能会打破这种平衡状态，会对采空区的稳定性受到影响，造成采空区的活化状态，使采空区和它上面的地表结构再次发生移动和变形。
这样对我们新建造的工程和周围的居民安全都会产生不利影响。
现如今，我们对老的采空区进行活化判断的方法有很多。
我们可以通过检测建筑物对采空区的深度的影响来判断建筑物的总体质量、采空区的横跨带以及可能在哪种地方发生断裂，断裂发生的可能性，断裂的地区是否会发生重叠等各种问题，对是否造成采空区的活化有很大的提示性。
科学的检测方法是在工程学的地质手册这本书中具体的讲述了可能造成采空区活化的临界深度的计算标准公式，根据这个我们可以能否在采空区建造建筑物提出了有利的依据。
Series No.386 Augest 2008 金 属 矿 山MET AL M I N E总第386期2008年第8期3国家“十一五”科技支撑计划课题(编号:2006BAB02B05201201204)。
王新民(1957—),男,中南大学资源与安全工程学院,教授,博士生导师,410083湖南省长沙市。
基于ANSYS程序下的采场稳定性分析3王新民1 王长军1 张钦礼1 袁节平2 陈丙强2(1.中南大学;2.湖南柿竹园有色金属有限责任公司)摘 要 采用大型有限元分析软件ANSYS对柿竹园矿III矿带矿体典型采场顶板的稳定性及其对采场围岩力学状态的影响进行数值模拟、非线性分析,对9种典型采场结构模型的模拟结果进行了比较分析,根据分析结果结合采掘效率和开采成本等因素确定了采场最优结构参数,并对当前采矿方案提出修正和调整建议,以便更清楚地掌握采场地压发展变化规律,有效地进行地压管理,实现矿体的安全高效开采。
关键词 顶板 稳定性 采场结构参数 有限元 数值模拟ANS Y S2Ba sed St ab ility Ana lysis of StopeW ang Xin m in1 W ang Changjun1 Zhang Q inli1 Yuan J iep ing2 Chen B ingqiang2(11Central South U niversity;2.Hunan Shizhuyuan N onferrous M etals Co.,L td.) Abstract Nu merical si m ulati on and nonlinear analysis were conducted on the stability of the typ ical st ope r oof in the orebodies in No.3ore belt of Shizhuyuan deposit and on the influence of the m ining p r ocess on the mechanical behavi or of the surr ounding r ock by the finite element analysis s oft w are ANSYS.The op ti m u m st ope structural para meters were deter2 m ined by comparing the si m ulati on results of nine typ ical st ope structural models and by considering the fact ors such as ex2 cavati on efficiency and m ining cost.Suggesti ons were made the correcti on and adjust m ent of the p resent m ining sche me s o as t o better gras p the st ope gr ound p ressure devel opment and change regularity f or its effective manage ment and for realizing a safe and efficient m ining of the ore bodies.Keywords Roof,Stability,St ope structural para meters,Finite ele ment,Nu merical si m ulati on 柿竹园多金属矿床为一大型接触交代矽卡岩矿床,属云英岩矽卡岩复合型钨、钼、铋多金属矿床;矿体赋存于花岗岩与中、上泥盆统灰岩接触带附近的矽卡岩、大理岩中。
