榆林煤礦采空區地表建筑物損壞及防治的研究

李建亮

（榆林職業技術學院 陜西榆林 719000）

1 研究背景

隨著榆林煤炭資源開采速度的加快，形成了大規模的采空區，這些煤系上覆巖層的原始應力平衡被破壞，失去支撐的周圍巖層，從采空區外圍向內逐漸移動，煤系上覆巖層跟著產生變形、分層、裂縫甚至徹底破壞坍塌，造成非常嚴重的開采沉陷損害。例如：神木市目前礦區已形成采空區面積480多平方公里，火燒隱患區4km2，且每年新增采空塌陷面積約40km2。采空區沉陷使地表出現裂縫，造成了地表建筑物不同程度的損害。

圖1 采空區地表建筑物損壞圖

2 地表建筑物損壞因素分析

2.1 開采沉陷對建筑物的影響

井下采煤會促使巖層的原始應力遭受破壞，進而導致應力的重新分布，在應力重新達到平衡前，整個地層都在不斷發生著變化，巖體產生移動、變形會使地表相應的也產生移動、變形，從而將會影響到地面建筑物的安全穩定，會使地面建筑物出現裂縫、倒塌等現象。

2.2 地表不均勻下沉對建筑物的影響

不均勻的地表下沉會使建筑物的地基反力重新分布，建筑物上也會產生相應的附加應力，另外假設地表的下沉量過大，地下潛水位又高，建筑物的地基就容易受到水的浸泡軟化，從而就會影響到建筑物的安全，使建筑物易發生裂縫、下沉或傾斜倒塌。

2.3 傾斜對建筑物的影響

地表傾斜會造成建筑物也隨之產生傾斜，進而會引起建筑物結構內力的重新分布，另外建筑物在自重的作用下會產生水平分力和彎矩，同時在傾覆力矩的作用下，建筑物構件上和地基中的應力狀態發生變化，這樣就會使建筑物由于承重結構或地基的承載能力不足以及重心偏移失去穩定性而造成損壞。

2.4 地表曲率對建筑物的影響

由于地表曲率變形，地表將由原來的平面變成曲面形狀。在正曲率的作用下，房屋中央反力最大，稱為加載區，兩邊成為卸載區，這樣使建筑物的兩端處于“懸空”狀態；而在負曲率的作用下，房屋的兩邊成為加載區，中間成為卸載區，這樣建筑物的中間處于“懸空”狀態。這兩種狀態都改變了建筑物各部分原來的力平衡，在地基力重分布的影響下，建筑物墻壁在豎直面內受到附加彎矩和附加剪力的作用，使房屋結構弱面處產生裂縫。

2.5 地表水平變形對地表建筑物的影響

地表水平變形對建筑物會產生巨大的破壞作用，尤其是受到拉伸變形的影響。由于建筑物抵抗拉伸能力比較低，當地表水平拉伸變形大于1mm/m時，在一般磚石結構的磚砌體的結合處、門窗洞口等薄弱部位會出現裂縫。

3 地表建筑物幾種常見的裂縫

3.1 斜裂縫

斜裂縫是一種常見的由地表變形引起的建筑物墻上裂縫。它是由于地表曲率變形引起的剪力作用，使墻體出現主拉應力強調不足而引起的現象。斜裂縫常見于建筑物的門窗洞口附近，和兩端的窗間墻和水平砌體帶上。

3.2 墻身頂部豎向裂縫

在一些沒有設鋼筋混凝土圈梁或水平配筋砌體帶的建筑物墻身頂部會出現墻身頂部豎向裂縫。這種裂縫往往出現在建筑物縱墻上，沿墻壁長度方向主要分布在墻身的中部，裂縫上寬下窄，開始發生在墻身頂部，然后沿豎直方向向下發展。

3.3 窗臺墻上豎向裂縫

窗臺墻上豎向裂縫的特點是上寬下窄，大多是從窗臺開始向下擴展。窗口越寬，則裂縫也越大。這種裂縫一般出現在建筑物的中間部分，而兩端較少。

3.4 磚過梁上豎向裂縫

這類裂縫多數出現在磚過梁中部，特點是在門窗洞口邊緣處較寬，向上發展，越往上越窄，常見于建筑物的中部，兩端出現的比較少。

3.5 窗間墻上水平裂縫

這類裂縫一般在門窗洞口的上下水平處出現，特點是在門窗洞口邊緣處寬度較大，而裂縫的上下部砌體則一般不會產生錯動。

3.6 勒角上豎向裂縫

這類裂縫寬度具有上寬下窄的特點，一般是在窗臺墻的下部勒角上出現。這類裂縫經常和底層的窗臺墻上豎向裂縫連在一起。

4 采空區地表建筑物損害的防治措施

采空區形成促使地表建筑物原來的原始應力狀態發生變化，進而導致建筑物出現變形損壞。所以我們要從兩個方面來防治這種損害，以保證建筑物的安全穩定，一方面是及時對采空區進行有效處理；另一方面是建筑物本身要及時處理。

4.1 針對采空區地面塌陷的防治措施

①在采礦塌陷區域建立起巖移觀測站，用于長期觀測地表巖層位移情況，積累大量的觀測資料，總結得出采礦塌陷區的巖移預計參數和地表移動角量參數，運用相關概率學算法計算出某點的沉陷值，從而預測地面塌陷情況。②針對采空區地面塌陷，應該以防為主，并注意防治結合。如果等塌陷形成并造成危害后才著手開始治理的話，隨著開采量的不斷增加，采空區的面積也會不斷擴大，最終陷入“塌陷-搬遷-塌陷”的惡性循環。所以要在采空區形成塌陷之前也就是在開采前就提前考慮好預防措施，并在開采時中運用各種減塌陷技術和措施，有效的防治方法有斷層破碎帶注漿法、填充采礦法、條帶采礦法等。

4.2 采空區上部建筑物抗變形及加固

提高采空區地表建筑物的抗變形能力主要應該注重地基和基礎及建筑上部結構的設計方案。

（1）基礎方案的選擇。要求采空區的建筑物基礎要有足夠的剛度、強度和承載力，同時還應具備一定的適應變形的能力，以抵抗或部分吸收地表變形，常見的基礎設計有柔性方案、剛性方案或者二者結合的設計。柔性方案就是指在基礎與地基之間，或者基礎與墻體之間設置滑動層，滑動層可用石墨、油氈、砂墊層等制作，實踐證明滑動層對吸收水平變形是很有效的。剛性方案就是設計剛度大的基礎圈梁、檐口圈梁或鋼筋混凝土柱等構件組成空間骨架，從整體上來提高建筑物的空間剛度，穩定墻體，來抵抗地基變形而造成的附加應力，預防墻體裂縫。這類結構的優點是對抵抗較大的地表變形、不均勻沉降有顯著的效果。

（2）建筑物結構設計選型。在結構選型時要注意靜定與延性結合、結構的整體性與可靠性，平立面設計應當遵循對稱、整齊、均勻、低矮等設計原則。

（3）建筑物結構構造措施。在地表建筑物上安置鋼筋混凝土圈梁；設計時要盡量減小房屋的長度尺寸，既有效保護建筑物的完整性，又可以降低工程造價；當地表變形較大時，可以設計筏板基礎或者雙板基礎等整體性好的基礎。設置變形縫能有效減少采空區地面的不均勻沉降。

（4）采取設置墻壁與構造柱、地表變形緩沖溝、應用可升降點式基礎等設計措施，將使地基持力層、基礎、建筑物三者有效結合，共同協調工作。

5 結語

采空區地表建筑物變形的影響因素復雜多樣，而其沉陷坍塌會對地表建筑物產生巨大的損害。隨著經濟發展，采礦也向著大型化、集中化方向發展，如何降低采空區沉陷對地表建筑物的影響，將成為采礦、建筑設計施工單位共同研究的課題。

課題項目：關于開采沉陷對地表建筑物受損的實證分析（2015CXY-03）。

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