基于C-ALS实测的采空区稳定性数值分析

采空区高层建筑安全稳定性分析作者：张占兵禹朝群王磊巩瑞杰来源：《科学与技术》 2019年第4期■张占兵禹朝群王磊巩瑞杰摘要：本文以工程实例为背景，通过分析煤矿采空塌陷区的采空影响和建设项目的结构基础，综合多方面的影响因素，分析计算采空区上方构建高层建筑物的安全稳定性，为采空区合理利用以及采空区上方建设构筑物安全建设提供依据，并为类似工程提供借鉴意义。

关键词：采空塌陷区；采空影响；高层建筑随着经济的发展，土地资源愈来愈珍贵，尤其是位于城区的煤矿采空区，逐渐被利用起来。

采空区的不均匀沉降作用会对地表建筑物的结构造成破坏，如果地基及建筑物选择处理不当，会使建筑物发生局部开裂、倾斜、直至倒塌。

本文以某工程实例分析在采空区上高层建筑物的安全稳定性，并探讨在采空区构建建筑物的可行性。

1 工程项目概况本工程为住宅楼1栋，地下2层，地上17层，框架结构，筏板基础，基础埋深5.5m。

2 场地地质条件建设项目位于某煤矿塌陷区东北部，场地地势平坦，地形简单，地貌类型单一，地表为厚度2～3m的杂填土层；其下为第四系上更新统（Q3）冲洪积沉积层，岩性为粉质粘土及细砂层，第四系覆盖层总厚度20m左右。

下覆基岩为二叠系地层，岩性主要为泥质砂岩、砂岩、砂质页岩及碳质泥岩夹煤层和粘土岩，厚约600m。

其下为石炭系地层，岩性主要为细砂岩、砂质页岩、灰岩夹煤层和粘土岩，厚约160m，地层岩性、岩相稳定。

本区地下煤层主要是在上世纪50年代～60年代初开采，最小采深约530m，最大采深约750m，平均采深约615m，累计采厚7.4m，停采时间为1963年。

开采方法采用短壁开采，全部陷落法管理顶板。

塌陷是自北向南逐步扩展的，属于连续性沉降变形。

3高层建筑安全稳定性分析掌握地表移动的持续时间是评价地基稳定、保护建筑物安全使用的必要条件，根据相关规程，在6个月内累计下沉值不超过30mm即为基本稳定。

地表移动持续时间按下式计算：T总=2.5H式中：T总——总移动时间（月）H——开采深度，场地最大开采深度按670m计算计算结果：总移动时间为1682天≈4.6年。

孔学伟（1985—），男，主任，工程师，661000云南省个旧市。

某铁矿采空区稳定性的数值模拟分析孔学伟1徐培良1杨八九2者亚雷2（1.云南锡业股份有限公司；2.云南亚融矿业科技有限公司）摘要某铁矿I 号铜矿带浅部采用浅孔房柱法开采，经过近7a 的开采，从800m 分段至880m分段共形成145个采空区，采空区内存在大量尺寸不等的间柱、点柱、顶、底柱，部分采空区已贯通，空实比约为3∶1，采空区体积之和约为95.2万m 3。

为探讨该采空区的稳定性，在现场调查、室内岩石力学实验及矿岩体质量分级的基础上，采用FLAC 3D 有限差分法，对矿体开采至不同中段时采空区、矿柱等的稳定性及采空区对地表充填制备站的影响进行研究。

结果表明：145个采空区中有18个采空区顶板存在明显的拉应力，且位移量也相对较大，如不及时处理，随着矿柱荷载的不断增加，会导致矿柱失稳破坏，最终引发一系列的地压问题。

研究成果为矿山采空区的治理提供了理论依据。

关键词采空区点柱有限差分应力集中荷载失稳破坏DOI ：10.3969/j.issn.1674-6082.2021.03.062Numerical Simulation Analysis on Goaf Stability of an Iron Mine KONG Xuewei 1XU Peiliang 1YANG Bajiu 2ZHE YaLei 2（1.Yunnan Tin Co.，Ltd.；2.Yunnan Yarong Mining Technical Co.Ltd.）AbstractThe shallow part of No.1copper belt of an iron mine is mined by shallow hole room and pil⁃lar method.After nearly seven years of mining ，145goafs have been formed from 800m to 880m.There are a large number of pillars ，point pillars ，top and bottom pillars in the goafs.Some of the goafs have been connected ，the ratio of air to solid is about 3∶1，and the total volume of mined out areas is about 952000m 3.In order to explore the stability of the goaf ，on the basis of field investigation ，indoor rock mechanics ex⁃periment and rock mass quality classification ，FLAC 3D finite difference method is used to study the stabilityof goaf and pillar when the ore body is mined to different middle sections and the influence of goaf on sur⁃face filling preparation station.The results show that:there are obvious tensile stress in the roof of 18goafs in 145goafs ，and the displacement is relatively large.If not handled in time ，with the increasing of pillar load ，it will lead to pillar instability and failure ，and eventually lead to a series of ground pressure prob⁃lems.The research results provide a theoretical basis for the treatment of mined out areas.Keywordsgoaf ，point column ，finite difference ，stress concentration ，load ，instability failure总第623期2021年3月第3期现代矿业MODERN MININGSerial No.623March .2021矿体在开采条件下引起的应力二次分布以及矿岩移动变形规律都非常复杂，仅仅从理论方面对其进行计算分析，很难客观而全面地反映研究对象的变化过程，必须借助理论计算之外的其它研究手段［1-3］。

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，(°)。

Value Engineering0引言我国的快速发展离不开矿产资源的开采和利用。

采空区具有以下特点：隐伏性强、空间分布特征规律性差、采空区顶板冒落塌陷情况难以预测等[1]。

因此存在大量的不确定因子，如地质作用、岩层移动等，难以对采空区的岩体结构、地质构造、停采时间等进行量化评价。

全面评价采空区稳定性可以分为两种：①定性评价；②定量评价。

目前我国较为常用的采空区分析方法有：经验分析法、模糊综合评判法、数值模拟方法等[2]。

本文采用改进的模糊综合评判方法，将互反型判断矩阵改为模糊一致性判断矩阵，并把和行归一法或方根法与特征向量结合，减少迭代次数，提高收敛速度[3]，降低了人为因素导致的片面性和打分难度，对采空区的稳定性评判有重大的影响。

1建立改进的模糊层次分析法模型采空区的稳定性受多种内外因素的共同影响，可以从采空区自身因素，环境因素，人为因素，时间因素等多种方面进行考虑。

采空区自身因素：深厚比、煤层结构、煤层厚度、煤层倾角、煤层顶底板类型。

环境因素：岩石结构、岩层产状、褶皱构造、断层结构、地质作用、岩层抗压强度、松散层厚度、构造应力、地下含水层分布。

人为因素：采空区处理方法、采煤方法、采动系数、重复采动次数、采动破坏程度。

时间因素：停采时间、采动年限。

随着模糊数学和计算机网络技术的发展，模糊理论正好能够为解决老采空区稳定这一问题提供理论依据。

我们可以借鉴模糊综合评判的方法，结合人类的经验思维，综合考虑老采空区存在的诸多影响因素，采用专家经验法对选取因素进行筛选，确定对老采空区影响程度较大因素，将筛选后的因素再进行改进的模糊综合评判，建立多级模糊评判模型，避免一致性检验等问题，并利用该模型获取采空区稳定性隶属度，根据隶属度评级对应采空区处理方案。

影响采空区稳定性的评价因子过多，对于庞大而复杂的影响因子会导致计算的难度大大上升，一般统计学通常会采用定性分析的方法，将有关联的因子进行更深层次比对分析，剔除信息重复的因子，遵循客观性原则筛选出主要影响因子，本文参考该方法采用定性分析对影响因子采取预筛选，遵循唯一性、目的性、可行性和可观测性原则对所有指标层影响因子进行经验筛选：①唯一性———删除信息重叠、冗余的因子；②目的性———删除不能客观反映老采空区稳定性的因子；③可行性———筛选出的因子数据获取方式较为方便且可靠性较高；④可观测性———无论是直接还是间接观测，筛选出的指标必须含义清晰、明确。

基于FLAC3D的四儿沟门金矿2#矿区采空区稳定性分析卢亮;张宝;刘禄来【摘要】根据四儿沟门金矿2#矿区采空区分布情况,运用AutoCAD和3DMine 软件建立起了采空区三维可视化数字模型,共获得21个采空区,采空区体积共计19万m3.选择三维有限差分程序FLAC3D进行采空区稳定性仿真模拟计算,计算结果表明,采空区上下盘围岩容易因拉应力存在而发生局部小范围脱落,采空区周围的矿柱稳定性都较好,发生采空区顶板大面积跨落的安全隐患很低,只需进行砖石封闭即可.【期刊名称】《采矿技术》【年(卷),期】2017(017)006【总页数】4页(P40-42,46)【关键词】采空区;FLAC3D;稳定性;数值模拟【作者】卢亮;张宝;刘禄来【作者单位】西和县中宝矿业有限公司,甘肃陇南市 742100;长沙矿山研究院有限责任公司,湖南长沙 410012;西和县中宝矿业有限公司,甘肃陇南市 742100【正文语种】中文四儿沟门金矿为地下开采矿山，共有5个生产水平。

矿山采用平硐+斜井+竖井联合开拓，现阶段采用无底柱浅孔留矿法回采矿体。

1 m3铲运机在进路铲运矿石至溜矿井，再由矿车装矿，电机车牵引矿车至井底车场，最后提升至地表。

矿区内矿体、围岩均比较软弱，稳固性较差，后期断裂发育，坑道掘进时，一般需支护。

矿体顶板f系数为7，矿体均值为7，底板为8。

矿岩体重2.60 t/m3，矿岩松散系数1.5。

该块段水文地质条件简单，地表允许陷落。

四儿沟门金矿2#矿区无底柱浅孔留矿法设计的采矿贫化率为10%、损失率为15%。

在实际生产中，井下预留了大量的安全矿柱以保障安全开采，采矿贫化控制得比较好，但由此造成的矿柱损失却非常大，初步统计损失在20%～30%。

随着开采时间的增加，井下积累了大量的采空区，采空区稳定性整体在降低，给安全生产管理带来不小的影响。

目前，急需了解井下采空区的分布情况，计算采空区的稳定性状况，以判断采空区是否存在安全隐患，对井下生产有影响程度，指导生产组织和安全管理工作。

复杂采空区三维建模及稳定性分析研究
采空区灾害是矿山生产活动中的主要灾害形式之一,严重威胁着
矿山财产和人员生命安全。

随着开采工作的推进,当采空区暴露面积
达到一定程度时,将可能诱发灾难性事故,因此,开展采空区稳定性分
析及治理效果评价具有重要意义。

本文结合长期课题《安庆铜矿地压监测与控制技术研究》,应用理论分析、现场探测及监测等多种手段,围绕高阶段嗣后充填法采空区进行采空区稳定性分析及治理效果评价,本文主要研究如下：(1)通过现场岩体结构面调查和地应力测量,
对采空区围岩节理裂隙和地应力状况进行了研究分析,在此基础上,
运用CSIR分级法和Q系统分级法分别对该矿岩体稳定性进行了评价,为进一步采空区稳定性分析提供基础性前提。

(2)采用空区三维激光
探测系统C-ALS对安庆铜矿采空区进行精密探测,结合矿山建模软件Surpac建立采空区三维实体模型,通过分析空区探测所得的三维数据,得到采空区的体积、顶板面积、坐标等信息,对比不同时段探测结果,得到顶板冒落、矿柱垮塌量等采空区失稳的重要信息。

(3)应用平衡
拱理论及极限平衡原理,建立了高阶段嗣后充填法采空区力学计算模型,计算了该类采空区充填体稳定性状态,得出了采空区侧帮暴露高
度与充填体所需强度之间的关系。

(4)采用围岩二次应力监测、岩移
监测等多种研究手段,对采场回采及治理过程进行地压监测,分析了
采空区稳定性状况,揭示了构造应力环境下采空区地压活动规律。

(5)建立FLAC3D数值计算模型,对安庆铜矿采场回采进行模拟,对采空区
进行了稳定性分析及治理效果评价,揭示了安庆铜矿采空区失稳模式。

采空区对输电线路稳定性影响三维数值模拟分析发表时间：2020-09-28T08:16:07.430Z 来源：《中国科技人才》2020年第15期作者：杨建光[导读] 随着经济和各行各业的快速发展，开采过程中的安全问题一直是十分引人注意的问题，在开采过程中，一旦发生安全事故，对于社会以及个人都有着十分重要的影响国网山西省电力公司阳泉供电公司山西 045000摘要：随着经济和各行各业的快速发展，开采过程中的安全问题一直是十分引人注意的问题，在开采过程中，一旦发生安全事故，对于社会以及个人都有着十分重要的影响。

而在开采事故中，需要注意采空区对于输电线路基塔的稳定性产生的影响。

以下就当前采空区对输电线路基塔的影响机理展开了讨论，并提出了相应的解决措施。

关键词：采空区；输电线路塔基稳定性；影响机理；改进措施引言采空区对高压输电线路铁塔地基稳定性的影响，已成为工程建设中关键问题。

基于西南某500kV高压输电线路过采空区的地质采矿条件，探查了采空区的分布情况，确定了垮落裂缝带高度和建（构）筑物荷载影响深度，从而对采空区上方铁塔地基稳定性进行了分析评价；并计算了采空区残余变形，对线路安全性进行了分析。

结果表明：N6铁塔荷载影响深度不会传递到垮落裂缝带，铁塔地基是稳定的，残余变形对铁塔影响轻微，高压输电线路运行是安全的。

1 采空区对于输电线路塔基稳定性产生影响的影响机理采空区是指由于开采之后，使得开采地区上方的土壤以及岩石处于悬空的状态，失去了相应的支撑以及不能够保持平衡。

因此便会使得开采地区上方的土壤以及岩石出现松动、变形的情况发生，严重的时候还会导致坍塌事故的发生。

而由于上层的土壤以及岩石发生坍塌断裂的现象，使得地表区域不断的下沉，最终形成一个盆地状，这就是我们常说的采空区。

一般来说，开采地上方的土壤以及岩石的坍塌断裂现象都不是一致的，因此形成的移动盆地的特点也有所不同。

根据移动盆地的特点，可以将采空区分成三部分，有时候这三部分并不是同时出现的。

新建楼下伏采空区的稳定性数值分析李兵磊;高永涛;于正兴;米俊夫【摘要】以唐山古冶分公司新建11#楼下伏采空区为例,采用离散元方法程序3DEC对采空区上方建筑物的稳定性进行数值分析.根据勘查获得采空区分布范围和采空区岩层信息,运用由整体到个体的方法建立3D计算模型,分析不处理和处理情况下采空区的稳定性.通过模拟计算,在不处理的情况下,监测点沉降量约为20 cm;在模拟注浆充填体的物理特征来处理采空区的情况下,监测点沉降量约为3.5 cm.模拟结果表明,采空区处理后,沉降量在建筑物允许沉降范围之内,为施工采取相应措施提供了理论依据.%Taking mined-out area underlying new building 11 # belonging to Guye Branch in Tangshan as a case, the numerical analysis of buildings' stability above was proceeded by discrete element code (3 DEC). According to the distribution and rock stratum information of mined-out area surveyed, 3-dementional numerical model was established by using the method from the whole to the individual, to analyze the stability of mined-out area with and without disposal. By simulation, the settlement of monitoring points is about 20em without disposal, and the settlement of monitoring points is about 3.5cm under the condition of simulating the physical characteristics of grouting to treat the mined-out area. Simulation resuits show that the settlement is within the building settlement range after mined-out area disposed, and this provides a reference criterion for construction.【期刊名称】《金属矿山》【年(卷),期】2011(000)006【总页数】3页(P36-38)【关键词】建筑物;下伏采空区;3DEC;稳定性【作者】李兵磊;高永涛;于正兴;米俊夫【作者单位】北京科技大学土木与环境工程学院;北京科技大学土木与环境工程学院;北京科技大学土木与环境工程学院;北京科技大学土木与环境工程学院【正文语种】中文随着经济的发展，可供建筑的土地资源严重不足，越来越多的建筑物不得不建在老采空区上方。