淺析煤礦開采造成的不均勻沉降對地表建筑物的影響及預防

周大衛+彭靜+李冬+郝真理

摘 要：在煤炭的開采過程中，隨著采煤過程的進行，礦區易采煤層的煤炭儲量逐漸減少，煤礦開采不可避免地面臨著建筑物下采煤的問題。建筑物下采煤需要面對的問題就是采煤活動產生的地表移動和變形對地表建筑物的影響。宏觀上表現為采動產生的不均勻沉降對地表建筑物的影響，實則為采動產生的拉伸、壓縮、彎曲等附加應力作用下，建筑物將產生一系列的變形，當變形超過一定值時，建筑物就會遭到破壞，甚至是倒塌，造成人員傷亡。

關鍵詞：煤礦開采 關鍵層 不均勻沉降 地表建筑物變形

中圖分類號：TD22 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）02（c）-0155-02

地表的變形程度與所采煤層的厚度、采高、采煤方法、上覆巖層的性質以及地質條件等因素有關，此外，建筑物的自身的特性如建筑物的形狀、面積、長寬高等參數，以及結構類型、基礎形式等，都將決定著采動對地表建筑物的影響程度。文章主要從采煤方法和建筑物自身結構和基礎形式兩方面討論如何減少采煤活動對建筑物的影響。

1 煤炭開采對地表沉降影響的機理

隨著采煤工作面的不斷向前推進，在工作面后方將會形成采空區，由于我國煤炭開采采空區的處理方法基本上采用全部垮落法，從而使得采空區形成之后，采空區周圍原來保持的應力平衡被破壞，引起周圍巖層應力的重新分布。頂板巖層在上覆巖層的壓力之下，依次發生移動和破壞，這就進一步導致在基巖與松散層交接面上形成下沉盆地。實踐證明，在直接頂上方存在的強度和厚度不同的各巖層中，對采場上覆巖層運動起著關鍵影響作用的是一層或數層厚而堅硬的巖層，稱為關鍵層。關鍵層破斷后導致其上方所控制的巖層與之同步協調一致破斷。關鍵層的巖石基本上全是堅硬的基巖。基巖同時具有彈塑性體的性質，由于巖石的流變特性，基巖的應力應變關系隨時間的變化處于不斷變化中。所以，可以用彈性梁代替關鍵層，運用梁的理論，研究上覆巖層的運動規律。相反，與基巖相比，由于松散層土顆粒結構松散，基本上不具有抗彎能力，因此屬于軟弱層，鑒于松散層的這些特點，可以采用隨機介質模型模擬松散層的移動變形，這里不再贅述。

2 不均勻沉降對地表建筑物的影響

地表不均勻沉降對地面建筑的影響主要可以從下沉、曲率、水平變形等方面去分析。

2.1 下沉

一般來說，隨著采煤工作面不斷向前推進，采動產生的影響傳到地表時，地表建筑物的基礎部分首先將會受到水平拉伸力的作用，工作面推進以后，建筑物的基礎又將會受到水平壓縮力的作用，所以對于均勻沉降的地表，其基礎的強度如果能夠抵抗住采動過程中這兩種變形的破壞，那么均勻沉降的地表對建筑物的影響不會太大。而不均勻沉降對建筑物，特別是高層建筑物的影響較大，甚至是直接導致高層建筑物的倒塌。這是因為不均勻沉降導致高層建筑物傾斜之后，其重心將會發生偏移，偏移后的重心將會對高層建筑物的基礎部分產生較大的彎矩，從而產生附加的應力，使建筑物產生破壞。

2.2 曲率

地表不均勻沉降產生的不均勻沉降將地面由原來的平面變成曲面。曲率的影響可分為兩類：正曲率和負曲率。正曲率表現為地表上凸，從而使得建筑物兩端處于“懸空”狀態，從而建筑物的上端受到拉應力的作用，產生上寬下窄的倒八字裂縫。相反，負曲率表現為地表下陷，從而使得建筑物成為兩端支撐的簡支梁結構，建筑物的底部將會受到明顯的拉應力作用，從而出現上窄下寬的正八字裂縫。

2.3 水平變形

地面的水平變形可以分為拉伸變形和壓縮變形。由于現在的建筑物主要采用磚石和混凝土材料，混凝土等材料具有抗拉不抗壓的特性，所以拉伸變形對建筑物的影響更大。但是當壓縮變形較大時，產生的破壞也不可忽略。有可能導致地基鼓起，門窗擠壓變形，圍墻褶曲。

3 預防不均勻沉降對建筑物影響的措施

預防不均勻沉降對建筑物影響主要可以從采煤方法和建筑物自身方面去分析。

3.1 從開采技術方面預防不均勻沉降

根據礦山壓力顯現的特點，地表的最大下沉值與煤層的開采厚度成正比。充填開采的機理就在于此。其關鍵就是利用充填材料填充采空區和煤礦開采產生的空間，這樣的話相當于從一定程度上減小了煤層的開采厚度，能夠有效減小地表的沉降。常見的充填技術有水砂充填、風力充填法、矸石自溜充填法、帶狀充填、邊界充填等。在兩淮礦區新興的充填技術是膏體充填，其優點是利用兩種液體物質注入井下混合后，兩種物質相互發生作用，產生膏體狀物質，從而達到充填采空區的目的。

采用充填法預防地表沉降無疑耗時費力，在充分研究了煤層覆巖移動規律之后，可以采用以協調開采為核心的變形控制技術來降低地表的沉陷。其技術主要包括上下煤層的協調開采，主要適用于開采厚煤層時可以在厚煤體上下面各開設一個工作面，兩個工作面之間保持一定的錯距S，兩個工作面在推進的時候，產生的變形相互抵消，從而達到減少變形的效果。另外，根據建筑物自身的特點，矩形基礎的建筑物長軸方向的抗變形能力總是大于短邊方向的抗變形能力，而地表移動變形的方向總是指向采空區。根據這一原理，當工作面通過建筑物底下的時候，可以使工作面的推進方向應該與長軸方向垂直，達到減輕開采對建筑物影響的效果。此外，對于抗壓能力較大的建筑物，可采用對稱背向開采技術，即將背向對稱的兩個工作面開設在建筑物的正下方，在開采過程中，建筑物始終受壓不受拉，且不產生傾斜。

3.2 從建筑物角度考慮如何預防不均勻沉降

從建筑方面預防不均勻沉降的主要措施有設置沉降縫、設置圈梁、減輕建筑物自重等措施。設置沉降縫的原理主要是將原本獨立的長高比過大的建筑分割成獨立的沉降單元，從而降低長高比，每一個單元體型簡單，結構類型相同，使得這樣的沉降單元整體剛度大大提高，達到沉降均勻的目的。沉降縫通常設置在建筑物載荷差別很大處或者是建筑物基礎類型不同的地方。設置圈梁的作用在于提高建筑物整體的抗彎剛度，從而提高建筑物的抗彎能力。其目的在于防止墻體產生裂縫和阻止裂縫延伸，圈梁應布置在頂層門窗頂處和基礎面附近，每處各設置一道。減輕建筑物的自重主要是為了降低建筑物的基底附加壓力，從而降低建筑物地基的變形。常用的方法是設置地下室，目的在于以地下室開挖的土重抵消一部分建筑物的自重。

4 結語

隨著經濟社會的發展，煤炭作為我國主體能源的地位不會改變。煤炭的開采也朝著大型化、集中化方向發展。如何減少和降低煤炭開采對地表尤其是地表建筑物的影響，應當成為煤礦企業越來越重視的問題。

參考文獻

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