随着经济的飞速发展,我国地下采煤现象也愈发频繁,致使一些老能源基地发生大范围的采空区塌陷现象。它的存在会不可避免地对地表及其周围建筑物造成影响,稍有不慎就会引起建筑物失稳、倾斜或开裂等一系列问题,给国家和人民带来严重损失。地下煤矿开采引起的一系列环境岩土问题日益引起人们的重视,研究采空区对地表及其建筑物的影响就变得非常重要。窑洞是世界上现存最多的传统居住建筑形式之一,它具有冬暖夏凉、绿色环保、无污染、低能耗等优点,随着可持续发展和绿色建筑理念的兴起,窑洞建筑又重新得到了社会的认可和重视,因此对窑洞这种特殊拱形结构的研究具有实际意义。本文基于采空区地表及其窑洞结构的破坏机理,主要完成了以下几方面的工作:(1)简单介绍了窑洞的破坏形式,并且对它在仅受自重的情况下进行了受力分析与理论计算,得到无采空区影响时窑洞的变形破坏规律。结果表明:当窑洞仅受自重作用时,拱顶和拱脚处会承受土体之间较大的压力。一旦压力超过土体的极限承载力,拱脚就会发生垂直位移的现象,引起窑洞裂缝或坍塌。另外拱脚以上两侧土体应保持一定厚度的填土,否则也会引起拱脚发生水平位移,致使窑洞发生破坏。(2)利用FLAC3D有限元分析软件分别对开采深度、开采厚度、开采宽度、不同相对位置的各个结构状态进行模拟计算,从窑洞的位移场、应力场和塑性区具体分析其受力变形情况。计算结果表明:(1)窑洞受采空区影响时,竖向最大位移发生在拱顶处,因此在日常使用中应注重拱圈的防护与加固;水平方向最大位移发生在拱圈与窑腿交接处;最大竖向应力发生在窑腿底部,因此可以通过增大窑腿宽度以减小其所承受的压应力;塑性区大部分集中于拱顶和底部进口区域。(2)位于老采空区中央正上方的窑洞沉降量最大,基础各监测点的移动变形具有对称性;老采空区边界上方的窑洞沉降量次之,基础各监测点的移动变形失去对称性,不均匀沉降最明显,对窑洞保护不利,应避免将其建在该区;老采空区外边缘处的窑洞沉降量最小。(3)随着开采宽度和开采厚度的增加,窑洞产生的位移和应力值都随之递增;随着开采深度的增加,窑洞产生的位移和应力值却随之递减。在本模拟条件下其临界深厚比为16,此时存在对地表窑洞沉陷无明显影响的临界深厚比。当超过这一深厚比之后,采空区存在与否,对窑洞已无明显影响,故在实际工程中,应当选择合理的开采尺寸以确保地表及其建筑物处于安全状态。(3)通过选取影响窑洞稳定性较大的四因素三水平,设计正交试验,对其进行极差分析。可知在本模拟试验条件下,窑洞与采空区相对位置影响最为显著,为主要因素;其次是开采宽度和开采深度;而开采厚度的影响较小,为不重要因素。且当开采深度为60m,开采厚度为7m,开采宽度为50m,窑洞位于采空区中央正上方时,拱顶沉降量最大,约为94.22mm,此时窑洞处于最不稳定状态。(4)煤矿开采后及时填充,可利于提高窑洞稳定性,使其沉降量明显减小,即窑洞拱顶沉降量从94.22mm急剧减小至28.47mm,降低了69.78%。且充填材料强度越高,充填效果越明显,窑洞沉降量越小,即采空区充填可有效解决地表建筑物的沉降变形问题。