地下開采巖體移動對礦區建筑物安全影響研究

孫明亮

（銅源國際工程設計研究有限公司，河北 秦皇島 066000）

近些年來，地下礦場開采所引起的巖體移動變形問題已經有了新的進展，目前專家學者針對開采礦所引起的地表變形和線路等特征問題展開了模型試驗研究做了三維有限元綜合分析，依據采礦地表變形規律產生的位移情況做了價值結果導向分析，以此來確定巖層對應的移動變形問題。在此期間，可采用有限單元法和有限差分法進行數值計算深入，以便探討巖體移動變形對礦區建筑物的安全性影響[1]。因此本文主要依據彈性力學理論探討礦山安全生產以及礦山建筑安全，并得出對應的建議。

1 地下開采巖體移動國內外研究情況

巖體移動所產生的影響是巖石力學領域中的主要研究課題，主要是因為其與國民經濟、基礎建設、資源開發、環境保護以及減災防災等具有重要具有十分重要的聯系。國內對巖體移動所產生的預計分析展開了多樣化的研究工作，并取得了較多價值性成果。但是在工程開挖時，若是其引起了地表移動，那么比較常采用預計分析方法作為地表移動變形預計方法。目前人們可通過論證覆巖巖性與地表最大下沉值之間的聯系，預計地表最大下沉值位置，優化設計地表客體安全生產情況，逐步減少基礎理論的局限，使預期結果與實測結果之間相符[2]。通過相關研究，人們知道了覆巖的巖性與地表移動變形值之間存在較大聯系，一般來說，影響傳播方向與其也有影響情況，礦城傾斜角度越大，移動變形值越大，二者之間的長度方向接近于垂直向上，在開采時要采取合理的措施減小地面移動取值，提升地面建筑物的安全應用。即使地表移動研究已經取得了較可觀的結果，但還存在著一些問題不太確定，研制出新穎的科技以及其他工藝作為工程施工的主要載體。

2 地下開采巖體地表移動變形研究方法

（1）可變形連續固體力學法。在研究過程中，大部分的工作者都致力于將地表下沉以及水平移動規律的數學模式進行模型測驗和計算。其中阿維爾森給出了對應的地表下沉盆地剖面圖形公式，這一公式是學者計算地表移動的主要公式。但該種公式是依據經驗所總結出來的，概念上局限性強，很難說明巖體移動的本質以及內在聯系，沒有形成系統性的研究理論，只能用于計算一些實際、簡單問題，存在用途局限情況。用可變形連續固體力學或者彈性組合模型所研制出來的巖體移動力學公式，一直受到相關學者的重視，已經取得了部分客觀研究。

（2）隨機介質力學模型。隨機介質力學理論是由波蘭學者所提出，在20世紀60年代引入國內的一種力學研究方法，已經在各礦區進行地表移動預計時被廣泛應用。該種方法所產生的隨機介質理論模型十分可靠，推導過程嚴密，可用于理論分析以及編程結算，實現對下層盆地的精確描述。經過長期性的修改以及補充，該項模型理論已經能適應大多數的地質變形情況，屬于成熟性的地表移動以及變形預計方法。

（3）計算參數確定方法。隨著地表參數確定方法的不斷改進，目前有三種方法比較常用，即為工程類比法、反分析法及模型模擬分析法，第二種方法受到更多人群的關注和重視。反分析法中的神經網絡研究方法是一種非線性的研究方法，其可利用非線性系統特征，使單個神經元功能全面調整，形成神經元網絡系統。目前已有的神經網絡系統可分為三類，且該項神經網絡系統的應用領域十分廣泛，可將共性有問題自主探索，了解相關領域的概念特征，使巖石力學采礦工程在各個領域得到廣泛應用，以神經網絡預測地下采礦所引起的地面移動情況，采用多層線性神經網絡將大量實測資料以及數據訓練和測試，把巖石參數作為主要輸入變量，地表移動參數作為輸出變量，實現神經網絡中移動參數的分析。

3 礦區開采時對地表穩定性的影響

（1）對上覆巖層以及開采深度的影響。通過對有限元軟件的使用，設置了相應的模型，綜合的考慮礦區地下開采過程中對地面建筑物造成的影響。一，對開采深度會造成影響。在開采的過程中，深度一直在增加，這樣地表沉陷就會逐漸的減小，最大水平變形也會逐漸的變小，但是下沉盆地的具體范圍也在持續的擴大，與此同時，變得非常的平緩。第二，對上覆巖石的性質造成影響。在巖石硬度增加的條件之下，表面的最大垂直位移以及最大水平位移都會出現減小的情況。在復合巖層當中，下硬上軟的沉降位移將會小于水平運動的具體位移，下沉盆地的地形趨勢處于平緩的狀態。

（2）地面建筑物存在一定的沉降情況。在實施礦區開采的過程當中，或多或少會對地面建筑物的穩定性造成一定的影響，甚至會使得建筑物出現倒塌的情況。因此，在礦區實施一定的地下采礦時，一定要對地形進行嚴格的測量，并謹慎的對礦區采礦情況實施處理，保持好深度以及建筑物之間的穩定關系。除此之外，在采礦當中，出現的地面沉降曲線動態可以顯示出具體沉降過程以及范圍的變化。采礦業一直在持續的發展，下沉位移逐漸的增加，影響范圍也會變得非常大，最大下沉位移在發展中向采礦方向進行發展，數值計算結果以及現場實踐處于基本吻合狀態。

（3）表面運動。在礦區實施水平開采的過程中，活動面盆地存在這些特征：活動面的盆地處于采空區的正上方，處于盆地的中心位置與該區域的中心處在同一條直線上。除此之外，地面移動盆地的形狀以及采空區處于對稱的情況。如果采空區屬于矩形，那么活動池的平面形狀屬于橢圓形。移動盆地的內邊緣以及外邊緣之間的邊界大致處于采空區邊界的正上方，或者略有一定的偏離。

4 礦山開采巖體移動的損害

礦體被開采出之后，采礦區周圍的巖體自然應力以及覆巖層內部的原始應力的平衡狀態會受到嚴重破壞，巖層內部應力在經過重新分布之后可達到新的應力平衡。在此期間，會使得巖層以及地表產生連續性的移動變形和非連續性的破壞，該種行為在地質學上被稱之為是開采沉陷。由于國內的煤炭資源豐富，煤田分布區域廣，國內的礦區環境問題日益突出，故要正確認識和處理開采沉降與環境保護之間產生的矛盾。礦石開采所產生的巖石移動會影響著周邊區域的生態環境，導致生態環境中出現嚴重地質災害以及耕地破壞，甚至還會引起地面建筑物損壞等情況，因此，該種問題已成為了環境工程與地質研究中的主要問題。采礦工程在地面中所產生的影響會影響建筑工程跟水系，例如建筑物房屋地基傾斜、交通排水管道變形、水流設備損害等情況。隨著地下開采工作面的移動，建筑物的巖層原始應力平衡受到損害，采礦頂板的變形過程呈現出兩種完全相反的變形情況，采礦過程中產生較為出現明顯的彎曲下沉帶，使礦場在啟動過程中出現大范圍的下沉，降低開采礦物的厚度，使后續采礦的不安全施工直接會影響建筑物安全、水體耕地、鐵路橋梁等。

5 提升礦區建筑物安全舉措

（1）應用減沉技術。在提升礦區建筑物安全過程中，首先要選擇合理的礦區開采方式，應用減沉技術以及開采技藝。目前比較普及以及認可的開采工藝主要分為三種，即為條帶開采、填充開采以及覆巖離層注漿技術等。條帶開采是指開采一條礦道留存一條礦道，應用支撐頂板來減小地表的沉降和變形。隨著開采深度的不斷擴大，需要采用大條帶來滿足開采中地表建筑物的基本需求，克服狹窄開采區域的生產效率，滿足現場條帶的開采效率。填充開采則是利用推進的工作面用材料填充采礦空礦區，減少地表出現降沉情況。一般來說，填充材料大多數為水泥和砂漿，應用該種材料進行填充，所獲取的效果最好，地面沉降減少率可達到70%～80%，但由于材料的填充成本高，一般只會用于重要建筑物下方的區域進行填充。第三種方式則是近些年來新產生的方式，主要是指通過下離層內一定量的漿液達到地表降沉目的，但前提要具備對應的巖層條件。

（2）應用減變形技術。在提升礦區建筑物安全過程中，需要重視設計工作面之間的距離位置以及開采順序，使不同工作面地表變形做好相互抵消，減少由于采礦所引起的地表移動變形或者靜態變形情況。在設計工作面長度、邊界以及推進方向確定時，需要定期或者不定期開展工作面設計延展工作。在間歇性開采工作時，需要開采完煤層之后，等待地表移動穩定之后再開采另外一個煤層進行動態處理，減小地表中存在的動態變形值，以此達到保護建筑物的目的。在連續開采時，還需要確保工作面的連續均勻推進，使得工作面不會殘留煤柱，減小地表中的不均勻下沉情況，實現建筑物的安全與保護。

（3）做好建筑物的維護。在提升礦區建筑物安全過程中，需要根據實際情況定期或者不定期對建筑物進行維護與保養，采取簡單且實用的方法在地表變形值不大時進行優先處理，在雙方關系較好時優先采用新方法，在等級適應的區域綜合處理，確定賠償標準。對質量好且十分重要的建筑物，除了需要定期維修之外，還要做好傾斜加固，降低建筑物的結構與地基糾傾工作，應優先迫降糾傾。對于結構好的建筑物，要在地表水平變形為4～6每秒區域應用加固措施進行保護，增設筋混凝土圈梁、柱設置變形縫隙，做好緩沖工作。由于建筑物常常受到水平拉伸變形等影響，故需要增強建筑物的維修與加固，降低建筑物的使用壽命以及價值，降低受力抵消情況，減少建筑物水平壓縮變形值以及裂縫等情況，以免出現區域瓷磚等的松弛。在對建筑物進行保護時，還需要確定建筑物之間的采用使用情況，選擇高質量的材料進行綜合工程施工，并對礦區做好支撐性的保護處理。

6 結語

綜上所述，現階段國家越來越重視地下開采巖體移動對礦區建筑物的安全影響。為了進一步的降低地下開采巖體移動對礦區的影響，需要根據實際情況完善礦區應用措施，選用剛性混凝土結構做好地基處理工作，降低地基的下沉差，尋找出影響礦區建筑物安全的因素，依據原因制定針對性的管控措施，避免巖體移動導致的裂縫產生等情況，助推保護礦區建筑物工作。