采空區(qū)地表窯洞結構的穩(wěn)定性研究.pdf

1、隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展，我國地下采煤現(xiàn)象也愈發(fā)頻繁，致使一些老能源基地發(fā)生大范圍的采空區(qū)塌陷現(xiàn)象。它的存在會不可避免地對地表及其周圍建筑物造成影響，稍有不慎就會引起建筑物失穩(wěn)、傾斜或開裂等一系列問題，給國家和人民帶來嚴重損失。地下煤礦開采引起的一系列環(huán)境巖土問題日益引起人們的重視，研究采空區(qū)對地表及其建筑物的影響就變得非常重要。窯洞是世界上現(xiàn)存最多的傳統(tǒng)居住建筑形式之一，它具有冬暖夏涼、綠色環(huán)保、無污染、低能耗等優(yōu)點，隨著可持續(xù)發(fā)展和綠色建

2、筑理念的興起，窯洞建筑又重新得到了社會的認可和重視，因此對窯洞這種特殊拱形結構的研究具有實際意義。本文基于采空區(qū)地表及其窯洞結構的破壞機理，主要完成了以下幾方面的工作:
　　(1)簡單介紹了窯洞的破壞形式，并且對它在僅受自重的情況下進行了受力分析與理論計算，得到無采空區(qū)影響時窯洞的變形破壞規(guī)律。結果表明:當窯洞僅受自重作用時，拱頂和拱腳處會承受土體之間較大的壓力。一旦壓力超過土體的極限承載力，拱腳就會發(fā)生垂直位移的現(xiàn)象，引起窯洞裂

3、縫或坍塌。另外拱腳以上兩側土體應保持一定厚度的填土，否則也會引起拱腳發(fā)生水平位移，致使窯洞發(fā)生破壞。
　　(2)利用FLAC3D有限元分析軟件分別對開采深度、開采厚度、開采寬度、不同相對位置的各個結構狀態(tài)進行模擬計算，從窯洞的位移場、應力場和塑性區(qū)具體分析其受力變形情況。計算結果表明:
　?、俑G洞受采空區(qū)影響時，豎向最大位移發(fā)生在拱頂處，因此在日常使用中應注重拱圈的防護與加固;水平方向最大位移發(fā)生在拱圈與窯腿交接處;最大豎向

4、應力發(fā)生在窯腿底部，因此可以通過增大窯腿寬度以減小其所承受的壓應力;塑性區(qū)大部分集中于拱頂和底部進口區(qū)域。
　?、谖挥诶喜煽諈^(qū)中央正上方的窯洞沉降量最大，基礎各監(jiān)測點的移動變形具有對稱性;老采空區(qū)邊界上方的窯洞沉降量次之，基礎各監(jiān)測點的移動變形失去對稱性，不均勻沉降最明顯，對窯洞保護不利，應避免將其建在該區(qū);老采空區(qū)外邊緣處的窯洞沉降量最小。
　?、垭S著開采寬度和開采厚度的增加，窯洞產(chǎn)生的位移和應力值都隨之遞增;隨著開采深度

5、的增加，窯洞產(chǎn)生的位移和應力值卻隨之遞減。在本模擬條件下其臨界深厚比為16，此時存在對地表窯洞沉陷無明顯影響的臨界深厚比。當超過這一深厚比之后，采空區(qū)存在與否，對窯洞已無明顯影響，故在實際工程中，應當選擇合理的開采尺寸以確保地表及其建筑物處于安全狀態(tài)。
　　(3)通過選取影響窯洞穩(wěn)定性較大的四因素三水平，設計正交試驗，對其進行極差分析?？芍诒灸M試驗條件下，窯洞與采空區(qū)相對位置影響最為顯著，為主要因素;其次是開采寬度和開采深度;

6、而開采厚度的影響較小，為不重要因素。且當開采深度為60m，開采厚度為7m，開采寬度為50m，窯洞位于采空區(qū)中央正上方時，拱頂沉降量最大，約為94.22mm，此時窯洞處于最不穩(wěn)定狀態(tài)。
　　(4)煤礦開采后及時填充，可利于提高窯洞穩(wěn)定性，使其沉降量明顯減小，即窯洞拱頂沉降量從94.22mm急劇減小至28.47mm，降低了69.78％。且充填材料強度越高，充填效果越明顯，窯洞沉降量越小，即采空區(qū)充填可有效解決地表建筑物的沉降變形問題。