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[關鍵詞]采空區 地面塌陷 概率積分法
[中圖分類號] P694 [文獻碼] B [文章編號] 1000-405X（2014）-8-273-1
有關采空區地面塌陷地質災害的問題研究，國內外主要是在煤炭、冶金和交通部門進行，對于英國波、前蘇聯、蘭和中國等國家，早在20世紀50年代就開始對“三下”采煤技術進行了詳細研究[1～3]。
在大量的地表移動觀測資料的基礎上，我國制定出了《建筑物、水體、鐵路及主要巷道煤柱留設與壓煤開采規程》[4]。
我國相關的分析方法有附加應力法、力平衡分析法、數值分析法、概率積分法[5、6]。
1工程概況
長嶺煤礦位于長春市雙陽區長嶺鄉前雙頂子村境內，距長春市區約50km。長嶺煤礦開采標高為120m至-60m，礦區開采面積為0.5504km2。礦區地處吉林省低山丘陵區，松遼平原東南部的邊緣，區內地形多為丘陵地貌。區域地表形態總體上為南低北高，最高地表高程為264m，最低地表高程為217m，相對高差一般20～30m。
長嶺煤礦礦區煤層主要覆存于中生界侏羅系上統二道梁子組，地層傾向南東，呈近于北東～南西向走向，淺部傾角約45°左右，深部延伸后傾角逐漸變緩，一傾角為25°～35°，最小為10°左右，為一套泥炭沼澤～淺湖相沉積，基本上可以劃分出上、下兩個巖性段：上部為砂巖，粉砂巖夾礫巖含煤段和下部為泥巖夾粉砂巖含煤段。
1.1現狀地面塌陷
現狀地面塌陷發育在礦區的西南部其東端位于礦區砂石道的西側，走向287°，長500m左右，寬3～5m，地面塌陷呈條帶狀形態，最大地面塌陷深度為40cm。
1.2預測地面塌陷及地裂縫分析
經計算得該煤礦的采厚比為34.6，當上組煤層聯合采出后，將會引起巖層移動并波及到地表，部分區域地表變形較嚴重，會形成較大的塌陷坑或地裂縫。
1.3地面塌陷影響范圍的預測
采用工程地質手冊中影響角正切tanβ公式來計算地面塌陷影響半徑計算求得影響半徑約為75m。
根據《建（構）筑物、鐵路和水體壓煤開采》規定與地表最大移動和變形值計算公式，求得最大下沉值為4.56m。
2METLAB計算參數選取及計算結果
為了METLAB運用軟件對全盆地移動和變形公式編程，計算地表變形值，給出計算工作面編號、下沉系數、主要影響角、水平移動系數、開采煤層埋深及厚度。
2.1計算工作面編號
全盆地移動和變形計算公式只適用于計算規則矩形采空區域，考慮到長嶺煤礦存在多個采空區，且采空區邊界形狀復雜，可將采空區分割簡化成多個矩形計算工作面。采空區的計算工作面與煤層號一致，計算工作面有1、2、3、4。
2.2下沉系數
下沉系數 是在地表移動和變形分析預測中的重要因素。根據“三下”開采規程中附錄4的內容得出：q=0.65
2.3主要影響角正切
參照“三下”開采規程中 的觀測站實測數據以及當地經驗取0.94。
2.4水平移動系數
反映了地表最大下沉值和最大水平移動值之間的比例稱為水平移動系數，本文選取 。
2.5計算結果
經過軟件計算后得到，礦區下沉值區間為5.889mm～4472.17mm，傾斜值區間為0.126mm/m～105.83mm/m，曲率值區間為-3.803×10-3/m～3.803×10-3/m，水平移動值區間為18.895mm～1742.01mm，水平變形值區間為-62.593mm/m ～62.593mm/m。
利用概率積分法和METLAB軟件計算的最大下沉值為4.47m。
3結論與建議
論文依據礦山實際情況和煤礦開采資料，對長嶺煤礦地質條件和采空區特征進行描述，運用概率積分法分析了地面塌陷區的特征，得出以下結論：
（1）長嶺煤礦的開采深度為280m，煤層的平均厚度為8.11m，按照平均采深采厚計算，該煤礦的采厚比為34.6。依據“三下”規程，從煤層采深與采厚比為34.6的特征來分析，該礦井繼續進行地下開采后，可能加劇現有地面塌陷和地裂縫。
（2）利用概率積分法和METLAB軟件計算的最大下沉值為4.47m，與依據“三下”規程計算所得出的4.56m僅相差0.09m，兩種計算結果僅相差2%，兩種分析方法所得結果基本符合。
（3）由于長嶺煤礦正處于生產階段，對于以破壞的耕地可采用地面塌陷坑及地裂縫回填的方法，繼續對土地進行耕種；而已被破壞的房屋建筑應采取搬遷避讓的措施，避免人員生命財產遭到損失。
（4）在長嶺煤礦閉坑后，可以采取注漿充填法或局部支撐覆巖法來對采空區進行治理，提高地表的穩定性；如遇土地資源緊張，需保障耕地及其他土地的使用時，可采取利用客土、腐殖土回填地面塌陷坑和地裂縫的方法，保障土地資源的使用。
參考文獻
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[關鍵詞] 西北； 濕陷性黃土； 地基濕陷； 處理方法
一 前言
在我國的西北地區，黃土地的分布十分廣泛，其中便覆蓋青海，寧夏，新疆，內蒙古等省。隨著我國西部大開發戰略的進行，我國在西北地區現已進行大量的基礎工程建設，濕陷性黃土對基礎工程建設的正常作業造成了嚴重的阻礙。其工程危害性主要表現在黃土在遇到水浸濕后其將會發生增濕軟化效應，黃土的強度就會相應變低，這樣在土的自身重量和外加壓力的同時作用下，就會出現濕陷性變形并路基下沉，這種下沉的主要特點為下沉量很大并且下沉速度較快，嚴重影響基礎工程建設的正常作業。我國對濕陷性黃土濕陷機理及處理方法的研究相比來說較其他國家較晚，但在形成之初就引起了相關專業人士的高度重視，經過長時間的探索與研究，現已取得了一定的成果。
二 濕陷性黃土概述
1、濕陷性黃土的基本概念
濕陷性黃土是指黃土在受水浸濕后，一定的壓力之下出現內部結構遭到破壞，發生明顯的濕陷變形并且黃土的強度隨之大幅度下降的一種現象。這是一種飽和度不夠的黃土，在其中存在著大量的空隙，在正常的濕度之下強度較大一般不會出現變形下沉的現象，但是在濕度較大的地區，當黃土浸水之后其強度大幅度下降，在較大的壓力之下就會出現變形甚至下沉的現象，嚴重的可導致路面下沉建筑物傾斜甚至是倒塌，對人民的生命及財產安全都造成了巨大的危害。濕陷性黃土在我國的西北地區分布廣泛，如果不能采取合理的處理方法，將會導致工程建設無法施工甚至嚴重的工程事故。根據濕陷性黃土的濕陷性，大致將其分為兩類，分別為自重濕陷性黃土以及非自重濕陷性黃土。
2、濕陷性黃土的判定原則
對黃土地區的濕陷性的考察報告應分為以下幾個步驟：首先要判定該地區黃土是否具有濕陷性并且得到該地區黃土的土層分布，土層的厚度以及地下水的分布情況及深度；若確定該地區黃土具有濕陷性，則要該地區黃土的濕陷性質進行判定，確定濕陷性黃土為自重濕陷性黃土或者非自重濕陷性黃土；最后需要對該地區的濕陷等級進行判定并根據濕陷等級確定具體的處理方法。
三 濕陷性黃土的特性及下沉原因
濕陷性黃土屬于特殊性巖土的一種，其主要特性分別表現為：
1、濕陷性黃土的顏色主要為黃色，其具體的分類可細分為棕黃，褐黃，黃褐以及灰黃等顏色。
2、濕陷性黃土含有較多的可溶性鹽類，具體有碳酸鹽，硫酸鹽，氯化物等。
3、濕陷性黃土的孔隙比較大，一般為1.0及以上，并且含有肉眼可見的大孔，結構狀態表現為松散狀態。
4、濕陷性黃土的主要成分為粉粒，其中顆粒所占的比例達到50%以上。
5、濕陷性黃土在天然剖面上，具有垂直節理，在一般的壓力下不會輕易被破壞，能夠維持陡立的天然坡度。
6、濕陷性黃土最重要的特性是具有濕陷性，黃土在自身重力的作用下在浸水后發生濕陷則成為自重濕陷性黃土，若壓力同時包括自身重量以及外在壓力的秦光霞濕陷則成為非自重濕陷性黃土。在濕陷性黃土地中進行基礎工程建設時，由濕陷而導致的地基強度，穩定性，壓縮性，蓄水等問題是嚴重制約工程建設的關鍵因素。
分析濕陷性黃土的路基濕陷下沉原因，可大致分為以下兩個方面：
1、新填地基土下沉
在基礎工程實施過程中，需要對其進行重新填充并壓實，此類下沉現象表現的比較緩慢且不明顯，更容易在后期的工程使用過程中造成巨大的危害，因此更應引起相關人員的高度重視，具體可通過對施工過程中新填土進行記錄并分析，以及通過對工程未來使用過程中過的對黃土的強度要求進行分析判定，及時采取相應的措施。
2、原地基土下沉
在導致工程破壞的眾多原因之中，原地基土下沉是其中最重要的因素。原地基土受到自身重量以及外部壓力作用的時候，其內部的縫隙氣孔將會被在一定程度上被擠壓，內部的氣體也會被一定程度的被擠出，在外部壓力逐步趨于穩定之后，地基也就表現的相對穩定。但是在地表水深入地下土壤層時，濕陷性黃土的內部結構將會再一次的改變，其內部的可溶性鹽類以及縫隙氣孔進行重新的排列分布，原本堅硬的黃土就因浸水的原因變得具有軟塑性或者流塑性，最終將導致地基進水后發生下沉現象的發生。
四 濕陷性黃土的危害形式
1、勾縫脫落
基礎工程在作業過程中會出現較多的巖漿勾縫，這些巖漿勾縫在長時間的雨水或者地表水的沖刷之下，巖漿將會逐漸減少并最終被沖刷消散，此時在施工過程中使用的混凝土材質塊將會出現縫隙現象，從而使得坡面收到雨水或者地表水的集中沖刷。當坡面被過分沖刷過后，就會有溝蝕出現在坡面表層，從而使得所填新土部分隨水流走，從而出現地基下沉的現象，使得整個砌體下陷，造成嚴重后果。
2、裂縫
砌體的新填土會出現滑動的現象，填土滑動之后會造成地基的變形，從而出現裂縫。根據其裂縫的嚴重程度可大致分為兩類，當完全裂開時稱之為貫通裂縫，部分出現裂縫時稱之為未貫通裂縫，則整個地基存在斷裂破壞的危險，其支擋支撐作用就會損壞，此類危害通常危害程度較大，在基礎工程作業時應重點處理防范此類危害。
3、填土沉陷出現變形甚至出現陷穴
當砌體內部的泄水孔保持暢通時，黃土顆粒將會隨進入的水流移動并最終慢慢帶走，逐漸的在該處將會出現黃土陷穴，使整個砌體出現真空地帶，最終導致砌體的內部結構遭到破壞，而當砌體內部的泄水孔無法保持通暢甚至堵塞時，其內部將會因滲水的原因，其濕度逐漸增大，黃土的內部結構將會慢慢隨著浸水的增多而改變，強度和硬度會大幅度的降低，最終導致沉陷變形，對基礎建設造成嚴重的威脅。
4、基礎被水沖刷導致內部掏空
某些黃土地帶會出現集中性的暴雨現象，在雨水不斷的沖刷之下，基礎的某些防護設施會被湍急的水流帶走，而隨著沖刷面積及深度的增加，基礎內部將會被掏空，失去原來的支撐作用，更嚴重情況下將會導致內部結構物穩定性被破壞，造成嚴重的生命及財產損失。
五 濕陷性黃土地基的處理方法
1、換填墊層法
黃土內部雖然均存在不同程度的強度及硬度不足的土層，但影響其硬度及強度的往往是在圖層中的某個深度的土層，該土層的強度明顯會較其他土層的強度弱，從而會因此處土層的強度不夠而影響整個黃土層的強度。因此所謂換填墊層法就是將黃土內部某層的軟土層去除，硬度以及穩定性都較高的材料進行填充，再借助施工設備機械或者人工的方法對新填入的材料進行壓實。這樣可以保證在基礎工程完成后表層土層的承載力，對于減少土層的變形及沉陷非常有利。如果再所墊層的下方仍舊存在強度較低的軟土層，則需要對軟土層進行排水固結工作，提高該軟土層的強度，此種方法可有效的較少路基的濕陷性。
2、強夯法
強夯的夯實過程為利用夯錘瞬時落地時給地面的一個強大的能量沖擊，使得土層內部的結構發生變化，密實性增強，對原有土層的結構，排水固結能力以及壓密都進行了改善，其沖擊能使得周圍較大范圍內的土層得到加強。如此反復操作，在不同的地點進行重復夯實，從而可使得整個濕陷性黃土地帶強度硬度得到加強，可顯著提高地基表面的承載能力，有效的解決工程場地范圍地基的沉陷問題。強夯法在濕陷性黃土地基濕陷處理中的應用見圖1。
圖1 強夯法在濕陷性黃土地基濕陷處理中的應用
對于淺工程強夯的作業不用進行挖方作業，可直接進行強夯，而對于基礎設置在較深的土層的建筑物則需要通過挖方處理首先去掉表層的土層之后再試試強夯作業。強夯作業時應注意以下幾點：首先，在強夯作業開始之前，要對施工區域進行試夯，確定滿足強夯條件后方可進行強夯作業；其次，在施工時要充分考慮土層的含水量，對于含水量較多的地帶應首先采取一定措施降低該地段的含水量后再進行強夯，否則取得的效果將會不明顯；最后，要尤其注意強夯作業的時間間隔，根據不同的地帶選擇不同的強夯頻率將事半功倍。
3、土樁擠密法
在濕陷性黃土地進行基礎工程作業時，土樁擠密法也是常用且有效的一種方法。土樁擠密法指的是首先利用夯孔，爆破，沖擊，沉管等方法成孔，再將素土，灰土等強度較高的土壤進行填充，其填充后土質以及再次夯實的方法與原黃土基本一致，保證了填充后所有土層的物理性質基本相同。此種方法簡單實效，是一種經濟的并且效果較好的處理方法。
在采用土樁擠密法的過程中，應重點注意以下幾點：在正式采取此種作業方法之前，要在現場地帶選擇具有代表意義的土層進行試驗，試驗完成后進行檢查并取得相關的土壤參數，確認該方法可行后再對工程范圍內所有地帶進行推廣；通過機械成孔后的第一次填充要保證孔底土壤的密實性，孔底的土壤密實性是保證擠密后整個土層的強度和硬度的關鍵因素，應分層進行回填夯實；在土樁擠密的過程中，應及時對擠密后的土壤進行抽樣檢查，隨時對施工過程進行監督，通過現場實驗測定確定回填土的夯實質。
4、水泥土攪拌法
水泥土攪拌法指的是利用水，水泥，石灰等作為固化劑，利用專用的攪拌機對地基深處的軟土和固化劑進行強制攪拌，通過內部土壤與固化劑發生一系列的物理反應或化學反應，將會使得深層軟土層水穩定性，整體的強度都得到大幅度的提高，從而達到增強內部土層的強度和硬度的一種方法。
此種方法與混凝土固化的原理不同，混凝土固化主要利用了水泥的水化作用從而達到加快混凝土凝結的過程。在施工作業的過程中，攪拌的越充分，土塊被粉碎的越小，水泥，石灰等固化劑在土中的拌合就將越發均勻，對于土層整體的強度和硬度都有很好的效果。
5、高壓噴射朱江加固法
此種方法應用于深度較深，軟土層較多等黃土地帶，成本較高，但效果較為突出。此種方法指的是利用鉆機、振動的方式對濕陷性黃土層進行鉆孔，保證噴頭能達到理想中的深度，再利用高壓將水泥打入土層之中，使得土層與水泥能夠混合充分。可以看出，此種作業方式應配合水泥土攪拌法同時使用，由于壓強很大，噴嘴將水泥噴出時會明顯的將四周的土層進行切削，將土塊盡可能的切碎，從而達到將水泥土等拌合均勻，更好的達到增強土層強度硬度的作用。
6、其他方法
除去上述幾種常用有效的處理方法之外，還有預浸水法，振沖法，樁基礎，砂石樁法等方法，針對不同的地帶，不同的土質要采取不同的處理方法，如此才能有效的處理濕陷性黃土地帶的基礎建設的沉陷現象。
六 工程實例分析
某公司位于典型的濕陷性黃土地區，給工程建設帶來了許多麻煩。
案例1：在廠區3#至6#倒班宿舍樓設計圖紙中，衛生間隔墻基礎做法為素土回填夯實后，澆筑25cm厚素混凝土基礎，因陜北地區為濕陷型黃土，在上覆土層自重應力作用下，或者在自重應力和附加應力共同作用下，因浸水后土的結構破壞可能引起上部墻體變形或下沉。經現場討論后決定對其變更，即將原素混凝土基礎變更為在基礎墻體上支撐的鋼筋混凝土基礎梁，在施工難度及工程成本并未產生較大變化的同時，避免了因地基回填土浸水造成衛生間隔墻基礎下沉。
結語
為保證基礎工程建設的穩定性與安全性，在西北地區濕陷性黃土地進行施工作業時，一定要綜合進行考察與考量，根據工程實施的具體情況選擇合適的處理方法，做到有的放矢對癥下藥，才能有效的解決濕陷性黃土上工程建設中存在的隱患。
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