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[关键词]采空区 地面塌陷 概率积分法
[中图分类号] P694 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2014）-8-273-1
有关采空区地面塌陷地质灾害的问题研究，国内外主要是在煤炭、冶金和交通部门进行，对于英国波、前苏联、兰和中国等国家，早在20世纪50年代就开始对“三下”采煤技术进行了详细研究[1～3]。
在大量的地表移动观测资料的基础上，我国制定出了《建筑物、水体、铁路及主要巷道煤柱留设与压煤开采规程》[4]。
我国相关的分析方法有附加应力法、力平衡分析法、数值分析法、概率积分法[5、6]。
1工程概况
长岭煤矿位于长春市双阳区长岭乡前双顶子村境内，距长春市区约50km。长岭煤矿开采标高为120m至-60m，矿区开采面积为0.5504km2。矿区地处吉林省低山丘陵区，松辽平原东南部的边缘，区内地形多为丘陵地貌。区域地表形态总体上为南低北高，最高地表高程为264m，最低地表高程为217m，相对高差一般20～30m。
长岭煤矿矿区煤层主要覆存于中生界侏罗系上统二道梁子组，地层倾向南东，呈近于北东～南西向走向，浅部倾角约45°左右，深部延伸后倾角逐渐变缓，一倾角为25°～35°，最小为10°左右，为一套泥炭沼泽～浅湖相沉积，基本上可以划分出上、下两个岩性段：上部为砂岩，粉砂岩夹砾岩含煤段和下部为泥岩夹粉砂岩含煤段。
1.1现状地面塌陷
现状地面塌陷发育在矿区的西南部其东端位于矿区砂石道的西侧，走向287°，长500m左右，宽3～5m，地面塌陷呈条带状形态，最大地面塌陷深度为40cm。
1.2预测地面塌陷及地裂缝分析
经计算得该煤矿的采厚比为34.6，当上组煤层联合采出后，将会引起岩层移动并波及到地表，部分区域地表变形较严重，会形成较大的塌陷坑或地裂缝。
1.3地面塌陷影响范围的预测
采用工程地质手册中影响角正切tanβ公式来计算地面塌陷影响半径计算求得影响半径约为75m。
根据《建（构）筑物、铁路和水体压煤开采》规定与地表最大移动和变形值计算公式，求得最大下沉值为4.56m。
2METLAB计算参数选取及计算结果
为了METLAB运用软件对全盆地移动和变形公式编程，计算地表变形值，给出计算工作面编号、下沉系数、主要影响角、水平移动系数、开采煤层埋深及厚度。
2.1计算工作面编号
全盆地移动和变形计算公式只适用于计算规则矩形采空区域，考虑到长岭煤矿存在多个采空区，且采空区边界形状复杂，可将采空区分割简化成多个矩形计算工作面。采空区的计算工作面与煤层号一致，计算工作面有1、2、3、4。
2.2下沉系数
下沉系数 是在地表移动和变形分析预测中的重要因素。根据“三下”开采规程中附录4的内容得出：q=0.65
2.3主要影响角正切
参照“三下”开采规程中 的观测站实测数据以及当地经验取0.94。
2.4水平移动系数
反映了地表最大下沉值和最大水平移动值之间的比例称为水平移动系数，本文选取 。
2.5计算结果
经过软件计算后得到，矿区下沉值区间为5.889mm～4472.17mm，倾斜值区间为0.126mm/m～105.83mm/m，曲率值区间为-3.803×10-3/m～3.803×10-3/m，水平移动值区间为18.895mm～1742.01mm，水平变形值区间为-62.593mm/m ～62.593mm/m。
利用概率积分法和METLAB软件计算的最大下沉值为4.47m。
3结论与建议
论文依据矿山实际情况和煤矿开采资料，对长岭煤矿地质条件和采空区特征进行描述，运用概率积分法分析了地面塌陷区的特征，得出以下结论：
（1）长岭煤矿的开采深度为280m，煤层的平均厚度为8.11m，按照平均采深采厚计算，该煤矿的采厚比为34.6。依据“三下”规程，从煤层采深与采厚比为34.6的特征来分析，该矿井继续进行地下开采后，可能加剧现有地面塌陷和地裂缝。
（2）利用概率积分法和METLAB软件计算的最大下沉值为4.47m，与依据“三下”规程计算所得出的4.56m仅相差0.09m，两种计算结果仅相差2%，两种分析方法所得结果基本符合。
（3）由于长岭煤矿正处于生产阶段，对于以破坏的耕地可采用地面塌陷坑及地裂缝回填的方法，继续对土地进行耕种；而已被破坏的房屋建筑应采取搬迁避让的措施，避免人员生命财产遭到损失。
（4）在长岭煤矿闭坑后，可以采取注浆充填法或局部支撑覆岩法来对采空区进行治理，提高地表的稳定性；如遇土地资源紧张，需保障耕地及其他土地的使用时，可采取利用客土、腐殖土回填地面塌陷坑和地裂缝的方法，保障土地资源的使用。
参考文献
[1]童立元，刘松玉，邱珏，方磊.高速公路下伏采空区问题国内外研究现状及进展 [J].岩石力学与工程学报，2004，23，（7）：1198～1202.
[2]颜荣贵.地基开采沉陷及其他地表建筑[M.]1995.
[3]中国科学技术情报研究所.出国参观考察报告-波兰采空区地面建筑[M].北京：科学技术文献出版社1979.
[4]国家煤炭工业局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[M].北京：煤炭工业出版社，2006.
[关键词] 西北； 湿陷性黄土； 地基湿陷； 处理方法
一 前言
在我国的西北地区，黄土地的分布十分广泛，其中便覆盖青海，宁夏，新疆，内蒙古等省。随着我国西部大开发战略的进行，我国在西北地区现已进行大量的基础工程建设，湿陷性黄土对基础工程建设的正常作业造成了严重的阻碍。其工程危害性主要表现在黄土在遇到水浸湿后其将会发生增湿软化效应，黄土的强度就会相应变低，这样在土的自身重量和外加压力的同时作用下，就会出现湿陷性变形并路基下沉，这种下沉的主要特点为下沉量很大并且下沉速度较快，严重影响基础工程建设的正常作业。我国对湿陷性黄土湿陷机理及处理方法的研究相比来说较其他国家较晚，但在形成之初就引起了相关专业人士的高度重视，经过长时间的探索与研究，现已取得了一定的成果。
二 湿陷性黄土概述
1、湿陷性黄土的基本概念
湿陷性黄土是指黄土在受水浸湿后，一定的压力之下出现内部结构遭到破坏，发生明显的湿陷变形并且黄土的强度随之大幅度下降的一种现象。这是一种饱和度不够的黄土，在其中存在着大量的空隙，在正常的湿度之下强度较大一般不会出现变形下沉的现象，但是在湿度较大的地区，当黄土浸水之后其强度大幅度下降，在较大的压力之下就会出现变形甚至下沉的现象，严重的可导致路面下沉建筑物倾斜甚至是倒塌，对人民的生命及财产安全都造成了巨大的危害。湿陷性黄土在我国的西北地区分布广泛，如果不能采取合理的处理方法，将会导致工程建设无法施工甚至严重的工程事故。根据湿陷性黄土的湿陷性，大致将其分为两类，分别为自重湿陷性黄土以及非自重湿陷性黄土。
2、湿陷性黄土的判定原则
对黄土地区的湿陷性的考察报告应分为以下几个步骤：首先要判定该地区黄土是否具有湿陷性并且得到该地区黄土的土层分布，土层的厚度以及地下水的分布情况及深度；若确定该地区黄土具有湿陷性，则要该地区黄土的湿陷性质进行判定，确定湿陷性黄土为自重湿陷性黄土或者非自重湿陷性黄土；最后需要对该地区的湿陷等级进行判定并根据湿陷等级确定具体的处理方法。
三 湿陷性黄土的特性及下沉原因
湿陷性黄土属于特殊性岩土的一种，其主要特性分别表现为：
1、湿陷性黄土的颜色主要为黄色，其具体的分类可细分为棕黄，褐黄，黄褐以及灰黄等颜色。
2、湿陷性黄土含有较多的可溶性盐类，具体有碳酸盐，硫酸盐，氯化物等。
3、湿陷性黄土的孔隙比较大，一般为1.0及以上，并且含有肉眼可见的大孔，结构状态表现为松散状态。
4、湿陷性黄土的主要成分为粉粒，其中颗粒所占的比例达到50%以上。
5、湿陷性黄土在天然剖面上，具有垂直节理，在一般的压力下不会轻易被破坏，能够维持陡立的天然坡度。
6、湿陷性黄土最重要的特性是具有湿陷性，黄土在自身重力的作用下在浸水后发生湿陷则成为自重湿陷性黄土，若压力同时包括自身重量以及外在压力的秦光霞湿陷则成为非自重湿陷性黄土。在湿陷性黄土地中进行基础工程建设时，由湿陷而导致的地基强度，稳定性，压缩性，蓄水等问题是严重制约工程建设的关键因素。
分析湿陷性黄土的路基湿陷下沉原因，可大致分为以下两个方面：
1、新填地基土下沉
在基础工程实施过程中，需要对其进行重新填充并压实，此类下沉现象表现的比较缓慢且不明显，更容易在后期的工程使用过程中造成巨大的危害，因此更应引起相关人员的高度重视，具体可通过对施工过程中新填土进行记录并分析，以及通过对工程未来使用过程中过的对黄土的强度要求进行分析判定，及时采取相应的措施。
2、原地基土下沉
在导致工程破坏的众多原因之中，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压力作用的时候，其内部的缝隙气孔将会被在一定程度上被挤压，内部的气体也会被一定程度的被挤出，在外部压力逐步趋于稳定之后，地基也就表现的相对稳定。但是在地表水深入地下土壤层时，湿陷性黄土的内部结构将会再一次的改变，其内部的可溶性盐类以及缝隙气孔进行重新的排列分布，原本坚硬的黄土就因浸水的原因变得具有软塑性或者流塑性，最终将导致地基进水后发生下沉现象的发生。
四 湿陷性黄土的危害形式
1、勾缝脱落
基础工程在作业过程中会出现较多的岩浆勾缝，这些岩浆勾缝在长时间的雨水或者地表水的冲刷之下，岩浆将会逐渐减少并最终被冲刷消散，此时在施工过程中使用的混凝土材质块将会出现缝隙现象，从而使得坡面收到雨水或者地表水的集中冲刷。当坡面被过分冲刷过后，就会有沟蚀出现在坡面表层，从而使得所填新土部分随水流走，从而出现地基下沉的现象，使得整个砌体下陷，造成严重后果。
2、裂缝
砌体的新填土会出现滑动的现象，填土滑动之后会造成地基的变形，从而出现裂缝。根据其裂缝的严重程度可大致分为两类，当完全裂开时称之为贯通裂缝，部分出现裂缝时称之为未贯通裂缝，则整个地基存在断裂破坏的危险，其支挡支撑作用就会损坏，此类危害通常危害程度较大，在基础工程作业时应重点处理防范此类危害。
3、填土沉陷出现变形甚至出现陷穴
当砌体内部的泄水孔保持畅通时，黄土颗粒将会随进入的水流移动并最终慢慢带走，逐渐的在该处将会出现黄土陷穴，使整个砌体出现真空地带，最终导致砌体的内部结构遭到破坏，而当砌体内部的泄水孔无法保持通畅甚至堵塞时，其内部将会因渗水的原因，其湿度逐渐增大，黄土的内部结构将会慢慢随着浸水的增多而改变，强度和硬度会大幅度的降低，最终导致沉陷变形，对基础建设造成严重的威胁。
4、基础被水冲刷导致内部掏空
某些黄土地带会出现集中性的暴雨现象，在雨水不断的冲刷之下，基础的某些防护设施会被湍急的水流带走，而随着冲刷面积及深度的增加，基础内部将会被掏空，失去原来的支撑作用，更严重情况下将会导致内部结构物稳定性被破坏，造成严重的生命及财产损失。
五 湿陷性黄土地基的处理方法
1、换填垫层法
黄土内部虽然均存在不同程度的强度及硬度不足的土层，但影响其硬度及强度的往往是在图层中的某个深度的土层，该土层的强度明显会较其他土层的强度弱，从而会因此处土层的强度不够而影响整个黄土层的强度。因此所谓换填垫层法就是将黄土内部某层的软土层去除，硬度以及稳定性都较高的材料进行填充，再借助施工设备机械或者人工的方法对新填入的材料进行压实。这样可以保证在基础工程完成后表层土层的承载力，对于减少土层的变形及沉陷非常有利。如果再所垫层的下方仍旧存在强度较低的软土层，则需要对软土层进行排水固结工作，提高该软土层的强度，此种方法可有效的较少路基的湿陷性。
2、强夯法
强夯的夯实过程为利用夯锤瞬时落地时给地面的一个强大的能量冲击，使得土层内部的结构发生变化，密实性增强，对原有土层的结构，排水固结能力以及压密都进行了改善，其冲击能使得周围较大范围内的土层得到加强。如此反复操作，在不同的地点进行重复夯实，从而可使得整个湿陷性黄土地带强度硬度得到加强，可显著提高地基表面的承载能力，有效的解决工程场地范围地基的沉陷问题。强夯法在湿陷性黄土地基湿陷处理中的应用见图1。
图1 强夯法在湿陷性黄土地基湿陷处理中的应用
对于浅工程强夯的作业不用进行挖方作业，可直接进行强夯，而对于基础设置在较深的土层的建筑物则需要通过挖方处理首先去掉表层的土层之后再试试强夯作业。强夯作业时应注意以下几点：首先，在强夯作业开始之前，要对施工区域进行试夯，确定满足强夯条件后方可进行强夯作业；其次，在施工时要充分考虑土层的含水量，对于含水量较多的地带应首先采取一定措施降低该地段的含水量后再进行强夯，否则取得的效果将会不明显；最后，要尤其注意强夯作业的时间间隔，根据不同的地带选择不同的强夯频率将事半功倍。
3、土桩挤密法
在湿陷性黄土地进行基础工程作业时，土桩挤密法也是常用且有效的一种方法。土桩挤密法指的是首先利用夯孔，爆破，冲击，沉管等方法成孔，再将素土，灰土等强度较高的土壤进行填充，其填充后土质以及再次夯实的方法与原黄土基本一致，保证了填充后所有土层的物理性质基本相同。此种方法简单实效，是一种经济的并且效果较好的处理方法。
在采用土桩挤密法的过程中，应重点注意以下几点：在正式采取此种作业方法之前，要在现场地带选择具有代表意义的土层进行试验，试验完成后进行检查并取得相关的土壤参数，确认该方法可行后再对工程范围内所有地带进行推广；通过机械成孔后的第一次填充要保证孔底土壤的密实性，孔底的土壤密实性是保证挤密后整个土层的强度和硬度的关键因素，应分层进行回填夯实；在土桩挤密的过程中，应及时对挤密后的土壤进行抽样检查，随时对施工过程进行监督，通过现场实验测定确定回填土的夯实质。
4、水泥土搅拌法
水泥土搅拌法指的是利用水，水泥，石灰等作为固化剂，利用专用的搅拌机对地基深处的软土和固化剂进行强制搅拌，通过内部土壤与固化剂发生一系列的物理反应或化学反应，将会使得深层软土层水稳定性，整体的强度都得到大幅度的提高，从而达到增强内部土层的强度和硬度的一种方法。
此种方法与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从而达到加快混凝土凝结的过程。在施工作业的过程中，搅拌的越充分，土块被粉碎的越小，水泥，石灰等固化剂在土中的拌合就将越发均匀，对于土层整体的强度和硬度都有很好的效果。
5、高压喷射朱江加固法
此种方法应用于深度较深，软土层较多等黄土地带，成本较高，但效果较为突出。此种方法指的是利用钻机、振动的方式对湿陷性黄土层进行钻孔，保证喷头能达到理想中的深度，再利用高压将水泥打入土层之中，使得土层与水泥能够混合充分。可以看出，此种作业方式应配合水泥土搅拌法同时使用，由于压强很大，喷嘴将水泥喷出时会明显的将四周的土层进行切削，将土块尽可能的切碎，从而达到将水泥土等拌合均匀，更好的达到增强土层强度硬度的作用。
6、其他方法
除去上述几种常用有效的处理方法之外，还有预浸水法，振冲法，桩基础，砂石桩法等方法，针对不同的地带，不同的土质要采取不同的处理方法，如此才能有效的处理湿陷性黄土地带的基础建设的沉陷现象。
六 工程实例分析
某公司位于典型的湿陷性黄土地区，给工程建设带来了许多麻烦。
案例1：在厂区3#至6#倒班宿舍楼设计图纸中，卫生间隔墙基础做法为素土回填夯实后，浇筑25cm厚素混凝土基础，因陕北地区为湿陷型黄土，在上覆土层自重应力作用下，或者在自重应力和附加应力共同作用下，因浸水后土的结构破坏可能引起上部墙体变形或下沉。经现场讨论后决定对其变更，即将原素混凝土基础变更为在基础墙体上支撑的钢筋混凝土基础梁，在施工难度及工程成本并未产生较大变化的同时，避免了因地基回填土浸水造成卫生间隔墙基础下沉。
结语
为保证基础工程建设的稳定性与安全性，在西北地区湿陷性黄土地进行施工作业时，一定要综合进行考察与考量，根据工程实施的具体情况选择合适的处理方法，做到有的放矢对症下药，才能有效的解决湿陷性黄土上工程建设中存在的隐患。
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