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1、柴华彬 测绘与国土信息工程学院 2008.3.10,矿山开采沉陷学,Mining subsidence,第五章 建筑物下采煤,第一节 地表移动变形对建筑物的影响 第二节 采动区建筑物变形与地表变形的关系 第三节 建筑物下采煤的保护措施 第四节 建筑物下采煤设计,据不完全统计，我国国有煤矿在“建筑物下、铁路下、水体下”（简称“三下”Under 3-body）压煤总量约140亿t，其中建筑物下压煤量达78.2亿t，占“三下”压煤总量的60%左右。 建筑物下压煤又以村庄下压煤所占数量最大，其次就是工业场地及公用建筑物下压煤。 因此，解决建筑物下压煤的开采问题，无论从理论上、技术上、还是经济上都具有重
2、要的意义。,第一节 地表移动变形对建筑物的影响,地下开采引起地表产生移动变形，破坏了建筑物与地基之间的初始平衡状态，使地基反力重分布，从而在建筑物中产生附加应力，导致建筑物变形和破坏。 对建筑物的影响主要有垂直方向的移动变形（下沉、倾斜、曲率）和水平方向的移向变形（水平移动和水平变形）。不同性质的移动变形对建（构）筑物的影响不同。,第一节 地表移动变形对建筑物的影响,一、地表移动变形对建筑物的影响 1地表下沉对建筑物的影响,第一节 地表移动变形对建筑物的影响,2倾斜对建筑物的影响,在倾覆力矩的作用下，建筑物构件上和地基中的应力状态发生变化。对于框架结构的建筑物，应考虑地表倾斜引起的附加应力的影
3、响。 地表倾斜还能引起公路、铁路、排水渠、管道等的坡度变化，还可引起机器设备的倾斜，破坏其正常工作状态。,第一节 地表移动变形对建筑物的影响,3.地表曲率对建筑物的影响,第一节 地表移动变形对建筑物的影响,4.地表水平变形对建筑物的影响,第一节 地表移动变形对建筑物的影响,二、移动盆地内不同的位置对建筑物的影响 一般来说，建筑物和采空区有如下特点： （1）建筑物短轴方向承受变形的能力大于长轴，承受压缩变形的能力大于承受拉伸变形的能力； （2）采空区边缘区为变形最大的区域，中间区下沉大但变形小； （3）建筑物承受扭曲变形的能力最低。 当建筑物所处位置不同时，其损害情况不同，如图5-9所示，位于采
4、动区上方不同位置的a、b、c、d、e五幢建筑物。各建筑物的所处位置的优缺点如下：,第一节 地表移动变形对建筑物的影响,（1）房屋a由于长轴方向仅受压缩变形，短轴方向受动态拉伸变形，其破坏较小，处于有利位置；,（2）房屋b由于位于采空区边缘，长轴方向受到的变形较大，易使其损坏；,第一节 地表移动变形对建筑物的影响,（3）房屋c位于采空区中央，长轴平行于工作面推进方向，先受动态拉伸变形和后受压缩变形的影响，易出现裂缝；,第一节 地表移动变形对建筑物的影响,（4）房屋d位于采空区边缘，长轴平行于工作面推进方向， 长轴方向受到的变形值小于房屋c， 短轴方向上受到的变形与房屋b长轴方向上受到的变形相等。
5、 因而房屋d比房屋b、c破坏小；,第一节 地表移动变形对建筑物的影响,（5）房屋e与工作面斜交，受到扭曲变形的影响，易使房屋损坏。 以上可知：a、d房屋位置最有利，b、c次之，e最不利。 因此，尽量使工作面不与房屋斜交，且尽量使房屋位于a、d位置上。,第五章 建筑物下采煤,第一节 地表移动变形对建筑物的影响 第二节 采动区建筑物变形与地表变形的关系 第三节 建筑物下采煤的保护措施 第四节 建筑物下采煤设计,第二节 采动区建筑物变形与地表变形的关系,在采动过程中，地表建筑物的损害是地表的变形传递给基础，从而引起建筑物随之产生类似的变形。 但由于建筑物具有一定的承受附加应力的能力，故地表变形与建筑
6、物变形之间存在不一致性。 两者之间的关系与建筑物基础的材料、长度、宽度、深度、荷载以及地基性质、建筑物平面形状和上部结构的刚度等有关。 若建筑物的变形值超过其充许的变形值，建筑物将受到破坏。 采动区建筑物变形与地表变形的关系和采动区建筑物损坏评定的标准是建筑物下采矿的基础。,第二节 采动区建筑物变形与地表变形的关系,一、建筑物变形与地表变形的关系 地表变形引起建筑物变形，由于建筑物具有一定的刚度、地基切入土壤、地基与基础之间传递拉、压力的能力有限等，使地基变形与建筑物变形存在差异。 这一差异主要与建筑物的刚度、建筑物的大小、地基的物理力学性质、地表变形值大小、地基与基础间的摩擦力等有关。 由于
7、这一问题的复杂性，目前尚难以建立可靠的理论计算式，而只能通过实地观测建立一些经验公式。,第二节 采动区建筑物变形与地表变形的关系,二、地表移动变形对建筑物的影响 地下开采引起地表产生移动变形，破坏了建筑物与地基之间的初始平衡状态，使地基反力重分布，从而在建筑物中产生附加应力，导致建筑物变形和破坏。 对建筑物的影响主要有垂直方向的移动变形（下沉、倾斜、曲率）和水平方向的移向变形（水平移动和水平变形）及由此两种移动变形引起的建筑物的扭曲变形、剪切变形。不同性质的移动变形对建（构）筑物的影响不同。,第二节 采动区建筑物变形与地表变形的关系,1. 下沉和倾斜 建筑物基础下沉略小于地基下沉，基础倾斜大于
8、地基倾斜，这是由于建筑物具有一定刚度，不完全随地基移动而移动，部分地基卸载、部分加载使基础的下沉、倾斜和地基下沉倾斜存在差异。 2. 水平变形 国内采动区建筑物观测资料表明：对于无加固措施，具有毛石带形基础的建筑物而言，其基础和地基间拉伸变形差异不大，但压缩变形差异却很大。在压缩变形条件下，房屋基础的压缩变形要比对应的地基土壤的压缩变形小得多。当房屋加固以后，可有效地减小地表水平变形对建筑物的影响，基础变形比地基变形小得多。,第二节 采动区建筑物变形与地表变形的关系,国内观测资料分析结果如下： (1)未加固建筑物： 拉伸变形： 基 = 0.84地 - 0.0910-3 压缩变形： 基 = 0.
9、24地- 0.0110-3 (2)加固建筑物： 拉伸变形条件下： 基 = 0.17地 - 0.0510-3 压缩变形条件下： 基 = 0.01地 + 0.1910-3,第二节 采动区建筑物变形与地表变形的关系,3. 曲率变形 建筑物基础与地基间的曲率变形关系，实质上地基弯曲挠度与基础弯曲挠度的关系，可根据不同房屋的刚性来衡量。 国内根据现场实测资料，得到房屋基础单位长度的最大挠度f基与地基单位长度的最大弯曲值f地的经验关系式： f基 = aif地 + bi (5-3) 式中，ai、bi系数。对于未采取加固措施，层数低于四层，单位长度小于60m，具有毛石砌体带形基础的建筑物，ai、bi，见表5-
10、1。,第二节 采动区建筑物变形与地表变形的关系,表5-1中，L为建筑物长度，H为建筑物高度，L/H表示了建筑物柔性。 从表5-1可见，建筑物柔性越大，基础与地基的挠度越接近，建筑物所产生的变形越大，因此，要减小建筑物的变形，必须增大其刚度。,第二节 采动区建筑物变形与地表变形的关系,二、采动区建筑物损坏程度评定指标 在进行建筑下采煤时，一般要根据地质采矿条件预计地表移动变形，然后，根据预计的移动变形值大小评定建筑物的损坏程度，采取相应的建筑物加固措施和井下开采措施，最后，确定开采方案。 由此可见，采动区建筑物损坏评定指标对建筑物下采煤是非常重要的。 采动区建筑物损坏评定指标涉及到地表变形大小、
11、建筑物类型、地基性质、建筑物长度和高度等诸多因素，目前尚没有一个全面考虑这些因素的采动区建筑物损坏评定方法，均采用近似的评定。,第二节 采动区建筑物变形与地表变形的关系,下面介绍我国划分采动区建筑物损坏等级的标准： 在我国矿区中，大多数为砖混结构和砖木结构的建筑物，这些房屋大多数为平房，且长度小于20m，针对这一情况，国家煤炭工业局2000年颁布的建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程规定，对于长度或变形缝区段小于20m的砖混结构房屋，按不同地表变形值划分的破坏等级标准见表5-2。其它结构类的建（构）筑物可参照表5-2执行。 （前苏联、波兰、英国参考教材P135-141）,第二节
12、采动区建筑物变形与地表变形的关系,第五章 建筑物下采煤,第一节 地表移动变形对建筑物的影响 第二节 采动区建筑物变形与地表变形的关系 第三节 建筑物下采煤的保护措施 第四节 建筑物下采煤设计,第三节 建筑物下采煤的保护措施,一、地下开采技术措施 通过合适的开采方法或措施，可以有效地减小或控制采动引起的地表移动变形，达到保护建筑物的目的。在生产实践中比较有效和常用的有以下几方面措施： （一）减小地表下沉值 减沉开采方法既是通过采场顶板管理方法的改变，控制顶板的下沉量而达到减缓地表沉陷量。常用的方法为充填开采方法和部分开采方法。 1充填开采方法 充填开采方法就是当煤层采出后，采出空间用矸石、河砂等
13、材料进行充填，以减小采出空间，从而减少覆岩及地表移动变形的一种开采方法。,第三节 建筑物下采煤的保护措施,常用的充填方法有：水砂充填、风力充填、矸石人工充填。不同的充填方法、充填的密实度不同，地表下沉系数不同（见表5-9）。采用全部跨落法管理顶板时，地表最大下沉值可达采厚的60%90%，一般为80%左右；采用水砂充填管理顶板时，地表的最大下沉值仅为采厚的8%15%。,第三节 建筑物下采煤的保护措施,2部分开采方法 减小地表移动和变形值的另一项有效措施是采用部分开采法（Partial Mining Method）。 其实质是将被开采的煤层划分成若干条带，开采一条（即采出条带），保留一条（即保留煤
14、柱），用留下不采的煤柱支撑顶板，以达到减小地表移动和变形的目的。此法的缺点是采出率低（一般采出率为50%-60%），掘进率高，开采工艺复杂，效率较低。 我国常用的部分开采方法是条带开采方法。第八章将专门进行讲解。,第三节 建筑物下采煤的保护措施,3覆岩离层充填方法 覆岩离层注浆控制沉陷技术就是利用煤层开采后覆岩层裂过程中形成的离层空间，借助高压注浆泵，从地面通过钻孔向离层空间中注入充填材料，占据空间、减少采出空间向上的传递，支撑离层上位岩层、减缓岩层的进一步弯曲下沉，从而达到减缓地面下沉的目的。 覆岩注浆可以减缓矿山开采引起的地表沉陷，其减沉功能主要表现在以下五个方面： （1）注浆的充填作用；
15、（2）注浆的支承作用； （3）注浆的胶结作用；（4）注浆的膨胀作用； （5）挤压密实作用。,第三节 建筑物下采煤的保护措施,（二）协调开采方法 协调开采（Harmonic Mininig）是根据开采引起地表移动变形分布规律，通过采用合理的开采布局，开采顺序、方向、时间等方法减缓开采引起的地表移动变形。下面介绍几种常见的协调开采方法。 1减小开采边界影响的叠加 利用上、下煤层(或分层)工作面间的距离差异，以减小开采引起的地表移动变形(图5-10)。 该法可用于两个方面： （1）减小动态移动变形的影响； （2）减小工作面边界部位的变形量。,第三节 建筑物下采煤的保护措施,二、地表移动变形对建筑物的
16、影响 地下开采引起地表产生移动变形，破坏了建筑物与地基之间的初始平衡状态，使地基反力重分布，从而在建筑物中产生附加应力，导致建筑物变形和破坏。对建筑物的影响主要有垂直方向的移动变形（下沉、倾斜、曲率）和水平方向的移向变形（水平移动和水平变形）及由此两种移动变形引起的建筑物的扭曲变形、剪切变形1，3。不同性质的移动变形对建（构）筑物的影响不同。,第三节 建筑物下采煤的保护措施,第三节 建筑物下采煤的保护措施,2多工作面协调开采 如图5-11所示，采用一个大的工作面或几个工作面同时开采，使建筑物位于移动盆地的平底部位，使建筑物只受动态变形的影响，从而保护建筑物。同时考虑开采过程中地表移动变形的动态影响，故将开采工作面按一定方式布置，减小开采引起的动态变形影响。,第三节 建筑物下采煤的保护措施,3对称开采方法 在建筑物下开采时，如果建筑物抵抗压缩变形的能力较大，而对倾斜和拉伸变形又十分敏感，则可以采用对称背向开采的方法（图5-12）。 例如，在受保护建筑物正下方布置两个背向开采的工作面。
