论文部分内容阅读
摘要：作者针对采空区的岩土工程做了一些理论和实践的探讨，内容主要包括采空区引起的地面变形影响因素的分析，并对采空区治理措施进行了介绍。
关键词：采空区；岩土工程
Abstract: the author of mined-out area in geotechnical engineering do some theory and practice, this paper mainly includes the ground deformation caused by on the analysis of the affecting factors, and the management measures of mined-out area are introduced.
Keywords: goaf; Geotechnical engineering
中图分类号：TU4 文献标识码：A文章编号：
随着矿产业的发展，蕴藏在地下的矿体被大量采出，因此而形成的地下采空区面积也在逐年的增长。矿体被采出后，采空区围岩原始应力平衡状态被破坏，导致应力重新分布，此影响如果发展到地表，将产生连续或非连续的地表变形，引起一系列岩土工程问题。采空区的存在不仅给矿区人民的生产生活带来巨大的影响和损失，同时也给矿区未来工程建设留下了巨大的隐患。因此，开展对采空区的岩土工程问题及治理措施的研究，对采空区处理和保障人类生产生活安全等都具有极其重要的理论意义和实际应用价值[1]。
1采空区引起的地面变形影响因素的分析
1.1岩土体力学性质
采空区地面变形在极大程度上受到采空区围岩的岩性和力学性质的影响，不同成因的地层，力学性质的差异很大，不同岩层的抗拉强度、抗剪强度都不一样。因此，不同物质组成的岩体其破坏强度和所能承担的最大荷载不同。所以采空区周围岩土体的岩性和力学性质是影响采空区地面变形的重要因素。这一因素不仅要从岩体的分类来讨论，还要从岩体的各项力学性质指标来讨论。采空区上覆岩体的力学性质与组成岩体的材料、成因、结构、矿物成分都有很大的关系。
岩石的分类：岩石按成因可以分成岩浆岩、沉积岩、变质岩三大类，各类岩石在地壳中的分布极不均匀。在地壳表面大约有75%是沉积岩覆盖，变质岩和岩浆岩只占25%左右，但在地下深处则不同，从地表到深度为16公里的区域中，岩浆岩占主要部分。不同地域条件下的采空区，地层中所包含的岩体类型不同，了解研究区的岩石成因具有现实意义；不同类型岩体的力学性质差异很大，分清岩体的类别有助于更好地了解岩体的力学性质。
岩石组构：是指岩石组织和构造的总称，是影响岩石力学性质的根本因素。岩石的组织与其结晶程度、矿物颗粒大小、形状、颗粒间的连接有关，一般可以分为全结晶和非全结晶类型。其中非全结晶岩石又和胶结物有关，胶结类型主要有：基底型、接触型、间隙型、溶蚀型。胶结物可以是各式各样的，有硅质、铁质、石灰质、泥质、泥灰质的、石膏质等。从岩石的构造来看主要有整体构造、多孔构造、层状构造，同时还伴有弱面、节理等因素，使得岩体的离散性很大，造成岩石的力学性质在很大的范围内浮动[2]。
1.2开采厚度与宽度
采空区的稳定及地面变形在极大程度上受到开采厚度与开采宽度的影响，随着开采厚度与开采宽度的增加，原本平衡的条件不再满足。开采厚度增加，地表水平、竖向位移均迅速增加，原因在于采空区上方冒落带高度与开采厚度成正比，较大的开采厚度会引起较大的塌落高度，随之裂缝带、弯曲带的影响范围上升，对地表沉降的影响程度增大。开采宽度增加，上部岩土体受到的弯矩增大，暴露面积增大，完整性概率减小。构造面暴露之后，岩土体的整体性降低，稳定性降低，裂隙带和垮落带向上延伸，导致采空区上部岩土体整体坍塌。研究区内的南北大槽开采厚度和宽度都比较大，上部覆盖第四纪松散堆积物，其承受弯曲的能力很低，整体性差，开采的厚度与宽度影响了采空区的地面变形，导致采矿之后发生了大面积的塌陷。
1.3采空区的埋藏深度
采空区的埋藏深度对采空区稳定性的影响也很大，随着采空区埋藏深度的增加，地表水平、竖向位移均明显减小。其原因在于采空区上方裂缝带之上的弯曲带岩层本身可自成平衡压力拱，埋藏越深，压力拱效应越显著，采空区对地表沉降的影响也就越小。在开采厚度、松散层厚度、开采宽度一定的条件下，随着采空区埋藏深度的增大，地表的移动和变形逐渐减小，地表变形影响的范围却有所增大，其变形最大值发生在采空区上方且向煤柱一侧移动。采空区埋藏深度愈小，采动期间，特别是开采初期，地表移动与变形值较大，其后期地表的蠕动变形会较小，开采结束后达到稳定时所需要的时间较短。当采深在100-200m时，地表移动延续时间一般为1-2年。有的可达十余年，但大多数不超过5年[3]。
2采空区治理措施
2.1采空区处理方法
对于采空区处理的实质就是要改变岩土体的应力集中，使岩土体内的应力集中程度得以弱化，帮助岩土体的应力重新达到一个相对平衡的状态，从而达到对地压力的控制和管理，确保采空区不在发生大的变形和沉陷，保证地表环境不受到采空区的威胁，保证矿山的安全。
在研究区域内的采空区从勘探的结果来看，六道湾煤矿南北大槽的地下空体分布多为不连续分布，由于在此之前的回填和放顶工作，部分属于没有回填而留下的采空区，还有一部分属于回填不实而形成的地下空体，目前的地下空体比较复杂，分布不连续，地下空体有深有浅，有大有小。就此采空区的具体情况，对于地下空体埋深较大的，且不易进入机械和人员的地下空体建议选用充填处理法，干式充填在六道湾采空区已经不合适，因为干式充填需要有供运输机械运输的通道，并且研究区域内的采空区空体分布在不同深度，不连续，对开辟运输通道来说并不容易，所以就具体情况选择湿式充填较好。对于采空区内埋深在30m以上的空体可以选择人工放顶后分层碾压或注浆充填处理，对于埋深在30m以下的地下空体选择钻孔注浆充填。
2.2注浆材料应满足的要求
注浆材料的种类多，理想的注浆材料应满足下列要求
（1）浆液粘度低，流动性好，可注性好，能够进入细小隙缝和粉细砂层；
（2）浆液凝固时间能够在几秒至几小时内任意调节，并能准确地控制；
（3）浆液的稳定性好，常温、常压下较长时间存放不改变其基本性质，不发生强烈化学反映；
（4）浆液无毒、无臭，不污染环境，对人体无害，属非易燃、易爆物品；
（5）浆液对注浆设备、管路、混凝土建筑物及橡胶制品无腐蚀性，并且容易清洗；
（6）浆液固化时，无收缩现象，固化后有一定的粘结性，能牢固地与岩石、混凝土及砂子等粘结；
（7）浆液结石率高，结石体有一定的抗压强度和抗拉强度，不龟裂，抗渗性好；
（8）结石体耐老化性能好，能长期耐酸、碱、盐、生物细菌等腐蚀，并且不受温度、湿度的影响；
（9）注浆材料的粒度越细，注浆效果越好，但浆液成本也就越高；
（10）浆液配制方便，操作容易掌握，原材料物源丰富，价格便宜，能够大规模使用。
但是一种注浆材料同时满足上述要求是比较困难的，因此，一种浆液只要符合其中的几项要求即可，在施工中根据具体情况和要求，选择最合适的一种或几种浆液配合使用，以达到预期的效果。
3结论
总之，采空区的存在对研究区域来说是一个严重的潜在危害，對采空区地面变形影响因素、采空区引起的地面变形、采空区的稳定性、采空区治理措施的研究己成为相当棘手的问题。采空区及时处理时或采取恰当地处理措施，因此，必须对采空区进行及时处理并采取恰当地处理措施，对采空区处理和保障人类生产生活安全等都具有极其重要的理论意义和实际应用价值。
参考文献
[1]蔡美峰,来兴平.非线性地下岩土结构与工程安全监控新理论[J].金属矿山,2000, 4(11):4-7.
[2]郭广礼.老采空区上方建筑地基变形机理及其控制[M].徐州:中国矿业大学出版社,2001.
[3]徐水太,饶运章,潘建平.地下开采引起地表移动和不均匀沉降的机理分析[J].有色金属,2004，3(56)：19-21.
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：采空区；岩土工程
Abstract: the author of mined-out area in geotechnical engineering do some theory and practice, this paper mainly includes the ground deformation caused by on the analysis of the affecting factors, and the management measures of mined-out area are introduced.
Keywords: goaf; Geotechnical engineering
中图分类号：TU4 文献标识码：A文章编号：
随着矿产业的发展，蕴藏在地下的矿体被大量采出，因此而形成的地下采空区面积也在逐年的增长。矿体被采出后，采空区围岩原始应力平衡状态被破坏，导致应力重新分布，此影响如果发展到地表，将产生连续或非连续的地表变形，引起一系列岩土工程问题。采空区的存在不仅给矿区人民的生产生活带来巨大的影响和损失，同时也给矿区未来工程建设留下了巨大的隐患。因此，开展对采空区的岩土工程问题及治理措施的研究，对采空区处理和保障人类生产生活安全等都具有极其重要的理论意义和实际应用价值[1]。
1采空区引起的地面变形影响因素的分析
1.1岩土体力学性质
采空区地面变形在极大程度上受到采空区围岩的岩性和力学性质的影响，不同成因的地层，力学性质的差异很大，不同岩层的抗拉强度、抗剪强度都不一样。因此，不同物质组成的岩体其破坏强度和所能承担的最大荷载不同。所以采空区周围岩土体的岩性和力学性质是影响采空区地面变形的重要因素。这一因素不仅要从岩体的分类来讨论，还要从岩体的各项力学性质指标来讨论。采空区上覆岩体的力学性质与组成岩体的材料、成因、结构、矿物成分都有很大的关系。
岩石的分类：岩石按成因可以分成岩浆岩、沉积岩、变质岩三大类，各类岩石在地壳中的分布极不均匀。在地壳表面大约有75%是沉积岩覆盖，变质岩和岩浆岩只占25%左右，但在地下深处则不同，从地表到深度为16公里的区域中，岩浆岩占主要部分。不同地域条件下的采空区，地层中所包含的岩体类型不同，了解研究区的岩石成因具有现实意义；不同类型岩体的力学性质差异很大，分清岩体的类别有助于更好地了解岩体的力学性质。
岩石组构：是指岩石组织和构造的总称，是影响岩石力学性质的根本因素。岩石的组织与其结晶程度、矿物颗粒大小、形状、颗粒间的连接有关，一般可以分为全结晶和非全结晶类型。其中非全结晶岩石又和胶结物有关，胶结类型主要有：基底型、接触型、间隙型、溶蚀型。胶结物可以是各式各样的，有硅质、铁质、石灰质、泥质、泥灰质的、石膏质等。从岩石的构造来看主要有整体构造、多孔构造、层状构造，同时还伴有弱面、节理等因素，使得岩体的离散性很大，造成岩石的力学性质在很大的范围内浮动[2]。
1.2开采厚度与宽度
采空区的稳定及地面变形在极大程度上受到开采厚度与开采宽度的影响，随着开采厚度与开采宽度的增加，原本平衡的条件不再满足。开采厚度增加，地表水平、竖向位移均迅速增加，原因在于采空区上方冒落带高度与开采厚度成正比，较大的开采厚度会引起较大的塌落高度，随之裂缝带、弯曲带的影响范围上升，对地表沉降的影响程度增大。开采宽度增加，上部岩土体受到的弯矩增大，暴露面积增大，完整性概率减小。构造面暴露之后，岩土体的整体性降低，稳定性降低，裂隙带和垮落带向上延伸，导致采空区上部岩土体整体坍塌。研究区内的南北大槽开采厚度和宽度都比较大，上部覆盖第四纪松散堆积物，其承受弯曲的能力很低，整体性差，开采的厚度与宽度影响了采空区的地面变形，导致采矿之后发生了大面积的塌陷。
1.3采空区的埋藏深度
采空区的埋藏深度对采空区稳定性的影响也很大，随着采空区埋藏深度的增加，地表水平、竖向位移均明显减小。其原因在于采空区上方裂缝带之上的弯曲带岩层本身可自成平衡压力拱，埋藏越深，压力拱效应越显著，采空区对地表沉降的影响也就越小。在开采厚度、松散层厚度、开采宽度一定的条件下，随着采空区埋藏深度的增大，地表的移动和变形逐渐减小，地表变形影响的范围却有所增大，其变形最大值发生在采空区上方且向煤柱一侧移动。采空区埋藏深度愈小，采动期间，特别是开采初期，地表移动与变形值较大，其后期地表的蠕动变形会较小，开采结束后达到稳定时所需要的时间较短。当采深在100-200m时，地表移动延续时间一般为1-2年。有的可达十余年，但大多数不超过5年[3]。
2采空区治理措施
2.1采空区处理方法
对于采空区处理的实质就是要改变岩土体的应力集中，使岩土体内的应力集中程度得以弱化，帮助岩土体的应力重新达到一个相对平衡的状态，从而达到对地压力的控制和管理，确保采空区不在发生大的变形和沉陷，保证地表环境不受到采空区的威胁，保证矿山的安全。
在研究区域内的采空区从勘探的结果来看，六道湾煤矿南北大槽的地下空体分布多为不连续分布，由于在此之前的回填和放顶工作，部分属于没有回填而留下的采空区，还有一部分属于回填不实而形成的地下空体，目前的地下空体比较复杂，分布不连续，地下空体有深有浅，有大有小。就此采空区的具体情况，对于地下空体埋深较大的，且不易进入机械和人员的地下空体建议选用充填处理法，干式充填在六道湾采空区已经不合适，因为干式充填需要有供运输机械运输的通道，并且研究区域内的采空区空体分布在不同深度，不连续，对开辟运输通道来说并不容易，所以就具体情况选择湿式充填较好。对于采空区内埋深在30m以上的空体可以选择人工放顶后分层碾压或注浆充填处理，对于埋深在30m以下的地下空体选择钻孔注浆充填。
2.2注浆材料应满足的要求
注浆材料的种类多，理想的注浆材料应满足下列要求
（1）浆液粘度低，流动性好，可注性好，能够进入细小隙缝和粉细砂层；
（2）浆液凝固时间能够在几秒至几小时内任意调节，并能准确地控制；
（3）浆液的稳定性好，常温、常压下较长时间存放不改变其基本性质，不发生强烈化学反映；
（4）浆液无毒、无臭，不污染环境，对人体无害，属非易燃、易爆物品；
（5）浆液对注浆设备、管路、混凝土建筑物及橡胶制品无腐蚀性，并且容易清洗；
（6）浆液固化时，无收缩现象，固化后有一定的粘结性，能牢固地与岩石、混凝土及砂子等粘结；
（7）浆液结石率高，结石体有一定的抗压强度和抗拉强度，不龟裂，抗渗性好；
（8）结石体耐老化性能好，能长期耐酸、碱、盐、生物细菌等腐蚀，并且不受温度、湿度的影响；
（9）注浆材料的粒度越细，注浆效果越好，但浆液成本也就越高；
（10）浆液配制方便，操作容易掌握，原材料物源丰富，价格便宜，能够大规模使用。
但是一种注浆材料同时满足上述要求是比较困难的，因此，一种浆液只要符合其中的几项要求即可，在施工中根据具体情况和要求，选择最合适的一种或几种浆液配合使用，以达到预期的效果。
3结论
总之，采空区的存在对研究区域来说是一个严重的潜在危害，對采空区地面变形影响因素、采空区引起的地面变形、采空区的稳定性、采空区治理措施的研究己成为相当棘手的问题。采空区及时处理时或采取恰当地处理措施，因此，必须对采空区进行及时处理并采取恰当地处理措施，对采空区处理和保障人类生产生活安全等都具有极其重要的理论意义和实际应用价值。
参考文献
[1]蔡美峰,来兴平.非线性地下岩土结构与工程安全监控新理论[J].金属矿山,2000, 4(11):4-7.
[2]郭广礼.老采空区上方建筑地基变形机理及其控制[M].徐州:中国矿业大学出版社,2001.
[3]徐水太,饶运章,潘建平.地下开采引起地表移动和不均匀沉降的机理分析[J].有色金属,2004，3(56)：19-21.
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。