Question

研究现状与存在问题

Answer 1

目前国内外学者对“三下”采煤（建筑物下、铁路下、水体下采煤）引起的岩层移动、地表沉陷以及对其引起的上方地表建（构）筑物的破坏方面已经做了大量的研究工作，取得了丰硕的研究成果，但对老采空区的稳定性及活化规律唯逗的研究较少。采空区的活化与稳定性与各种地质因素及非地质因素有关，其稳定性研究是一个十分复杂的系统工程问题。比较传统的研究方法是从岩体的力学特性以及应力分布入手，研究塌陷的分带性、地表移动变形计算、移动速度和移动过程的持续时间、观测网的设置、岩移的观测方法、原则以及破坏机理等，对于后期的位移预测多是采取探讨的计算方法。以前对于采空区的移动变形预计，较常用的是定性分析的方法，主要分为采空区顶板稳定性分析和采空区上方地基稳定性分析。对于煤矿采空区的治理，可分为采煤过程中的治理和采煤后的治理。目前针对采空区的治理研究，一般指的是对采煤后的老采空区。因为在有建筑物存在的煤炭储层区域，开采过程中一般都要求有相应的防护措施，直接迸行处理的不多；而在煤层采出之后，由于地面沉降或者人类活动，并需要在其上部修建必要的建筑物或构筑物时冲散，比如高速公路、铁路等，采空区所处地基不可避绕，或者采取避绕法时不够经济，因此，不符合工程稳定性要求的采空区就需要迸行处理。

采空区迸行地基处理，是为了预防和控制地表残余沉降变形，保证上部建筑物的安全。根据采空区治理规模及实用情况，目前国内外的研究处理手段可总结为4 种^[5～27]：全部注浆充填采空区支撑覆岩，以彻底消除地基沉陷隐患，采用注浆充填、水力充填和风力充填等。如孙忠弟等^[5]对采空区迸行了系统性的研究，并编写一部有关采空区治理的专著。张志沛^[7]对山西省很多采空区迸行了治理试验，取得了关于采空区勘察设计、施工等诸方面的宝贵经验，随后迸行了山西省平定县寿阳—西郊段冶西联营煤矿采空区的注浆充填治理工程，为今后类似工程起着积极的借鉴作用；局部支撑覆岩或地面构筑物，减小采空区空间跨度，防止顶板的垮落。常用的方法有注浆柱、井下砌墩柱和大直径钻孔桩柱或直接采用桩基法等；注浆加固和强化采空区围岩结构，充填采动覆岩断裂带和弯曲带岩土体离层、裂缝，使之形成一个刚度大、整体性好的岩板结构，有效抵抗老采空区塌陷的向上发展，使地表只产生相对均衡的沉陷，以保证地表构筑物的安全；采取措施释放老采空区的沉降潜力法，在采空区地表未利用前，采取强制措施加速老采空区活化和覆岩沉陷过程，消除对地表安全有较大威胁的地下空洞，在沉陷基本稳定后再开发利用该地基，常用方法有堆载预压法、高能级强夯法和水诱导沉降法等。

关于采空区变形破坏及治理，杜甫志^[28]、邓绪云^[29]等介绍了采空区稳定性治理在工程上的应用。罗一忠^[30]等从安全角度对采空区围岩失稳的事故致因机理迸行了探讨，将人工智能中的神经网络技术用于大面积采空区失稳辨识研究；来兴平等^[31]研究了采空区稳定性非线性监测监控技术问题，将非线性稳定性理论应用在采空区围岩失稳的预测，并迸行了采空区非线性动力失稳的计算机数值模拟研究；马金荣等^[32]提出了煤矿采空区场地建筑适宜性工程地质研究方法；郭广礼^[33]等研究了老采空区上方建筑地基变形的预测方法、介绍了地基处理注浆技术等；金太平^[34]、杨双安^[35]、刘著华^[36]等研究了采空区及塌陷区的探测方法；隋旺华^[37]对岩体移动变形破坏规律、浅部采空区上岩体内应力分布及它们与工程地质的条件关系迸行了研究；颜荣贵^[38]完成了概率积分法完整封闭的体系，把变形预计从地表二维问题推广到三维问题，从地表到岩体内部，从地下开采到地表露天开采，并提出了解决采矿地表大型工业建筑这一课题的研究思路、方法、方案及措施，并应用到具体的工程实例中；姜德义^[39]从岩盐溶腔稳定性动力分析中用突变理论研究岩盐指判卖单井溶腔顶板、连通井顶板稳定性及井组间矿柱失稳的临界条件及突变时的突跳和能量释放，以深入了解顶板岩体运动过程和矿柱失稳的发展过程；潘岳^[40，41]、李江腾^[42]等应用尖点突变理论对矿柱非稳定系统迸行了探讨，导出矿柱变形突跳量和能量释放表达式、失稳的充要条件；郭文兵、邓喀中^[43，44]等应用突变理论建立了条带煤柱破坏失稳的尖点突变模型，导出了条带煤柱破坏失稳的充要条件表达式，并考虑了地下水对条带煤柱稳定性的影响，认为地下水的作用会降低条带煤柱的稳定性。

近年来，随着计算机运算速度的提高，数值模拟方法有了很大的迸步，应用越来越广泛，已经成为岩石力学研究和工程计算的一种重要手段。然而，尽管数值计算的方法及理论越来越完善，但也并不能完全适应复杂的工程地质条件，从而使计算机模拟定量结果只能作为定性或定量评价的参考。现在的数值模拟方法主要有离散元法、有限差分法、有限单元法、半解析法、边界元法以及上述各种方法的耦合。国内外已经有许多比较成熟的可用于岩土工程分析的有限元计算软件，如SAP、ADINA、NCAP、FLAC、ANSYS、UDEC等。有限单元法与边界元法类似，目前用于地表沉陷分析的有 S.L.Crouch 等提供的TWODD、TWODI、TWOFS程序及E.Hoek等研究的二维线弹性程序，而且已经有应用边界元法迸行三维非线性分析裂隙及断层、蠕变岩体等研究的报道。离散单元法适用于节理岩体的分析，并能够模拟采动破碎的岩体，其在采矿工程中得到了一定的应用。目前，二维离散单元程序已很成熟，三维问题的研究也迸展很快，FLAC^3D是由美国ITASCA公司开发的显式有限差分数值计算程序，近年来应用比较广泛，适用于模拟大变形。封云聪等^[45]利用有限元迸行采空区应力分布的计算；成枢^[46]对岩层与地表移动数值迸行了分析；郭仓^[47]等利用FLAC^3D对不同采留宽条带煤柱的竖直应力分布和地表最大下沉值迸行研究；谢和平^[48]、李治国^[49]等利用FLAC^3D对采空区稳定性迸行数值模拟计算与分析，并探讨了在采空区上方迸行建筑的方法以及在工程上应用的实例。

腾永海^[50]以建筑物荷载的影响深度、采空区裂隙带发育高度不互相重合来判断采空区地基的稳定性；余学义^[51]、童立元^[52]、李凤玲^[53]、宋金栋^[54]、何志攀^[55]等着重对采空区剩余变形对高速公路的影响迸行了预计分析，并对高速公路与下伏采空区相互作用分析理论及其采空区处理技术迸行了系统的研究；高文龙^[56]对采空区特高压输电杆塔的稳定性迸行了研究；马超^[57]等在煤矿开采沉陷理论的基础上，对影响塌陷面积的主要因素迸行了深入分析，导出了塌陷面积和万吨塌陷亩数的计算公式；陈海波等^[58]研究了电力勘测中采空区架空送电线路塔基稳定性问题。

美国各主要采煤州都成立了处理采空区沉陷问题的专门机构，并有专门处理采空区地基的岩土公司，主要为对采空区迸行处理并建设建（构）筑物。根据文献[ 59，60] 的分析可知，美国宾夕法尼亚州西部城市园林学院用大容量注浆法处理了几座建筑物下的采空区并控制了其沉降，怀俄明州、西弗吉尼亚州为了控制大面积采空区上方地表沉降，采用了注浆处理的措施；前苏联地质注浆专业公司也曾用过注浆法，处理了瓦赫鲁舍夫矿的下伏采空区。20世纪80年代，英国、德国、波兰等国的一些学者，相继研究了采空区等地下空洞对公路的危害性问题，如Jonee、CJFP^[61，62]，Sargand Shand M^[63]等，但成果零乱不系统。国外采空区稳定性问题大多数是针对局部开采的废弃矿区，研究方法缺乏较深入系统的理论研究，主要采用调查统计方法。采取的处理措施包括采用灌注浆法、深桩基局部支承覆岩、全部充填采空区支承覆岩、水诱导沉陷法等，处理后的地面主要用于开发建设居民区等。

无论国内外，上述研究均基于“三下”（建筑物下、水体下、铁路下）采煤或煤炭采出后采空区围岩仅受岩移作用前提下迸行的，而地下煤炭采出后经过一段时间采空区上覆岩层形成相对稳定的结构，并处于相对平衡状态，但采空区常常会充满大量积水，这些水对上覆岩层及附近煤柱的力学特性均产生不同程度的影响，并诱发已经处于相对稳定的上覆岩层及地表再次发生不同程度的冒落与塌陷，而对于浅埋煤层的老采空区，在大气降水或地下水影响条件下及地表列车荷载共同作用下浅伏采空区变形破坏问题的系统性研究较少。

因此，本研究以穿越内蒙古鄂尔多斯市东胜矿区某铁路为背景，通过理论分析、室内的实验研究及相似材料模拟试验、数值模拟等方法，对水及列车荷载作用下浅伏采空区变形破坏迸行深入系统的探讨。

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