建筑物下采煤课件

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1、8 建筑物下采煤,第一节 概述 据国有重点煤矿的不完全统计资料，目前我国“三下”压煤约137.9亿吨，其中建筑物下压煤为87.6亿吨，而建筑物下压煤中的60为村庄下压煤。部分矿区建筑物下压煤量十分巨大，已经严重制约着矿区的发展。据2003年底统计，兖州矿业集团99年底统计，生产矿井总可采储量15.90亿吨，其中村庄下压煤的可采储量7.89亿吨、占总可采储量的49.61。徐州矿业集团09年底可采储量3.74亿吨，建筑物下压煤约1.74亿吨，占总可采储量的46.5%以上。 此外，随着社会经济的发展，矿区地面建筑物还在逐渐增多，建筑物下压煤开采已成为许多矿区面临的主要问题，严重制约着矿区的可持续发展

2、，因此，进行建筑物下采煤研究具有十分重要的理论和实际意义。,到目前为止，世界各国世界各产煤国家进行了大量的建筑物下采煤研究和实践工作，取得了丰硕的研究成果，为推动建筑物下采煤事业的发展作出了巨大的贡献。 国外进行过建筑下采煤的国家很多，从十九世纪末叶德国最早开始进行建筑物下采煤研究以来，世界许多国家如波兰、前苏联、英国、美国等都进行了建筑物下采煤的研究工作。其中波兰的建筑下采煤技术在世界上处于领先地位。波兰城镇及建筑下采煤的特点之一是规模大；特点之二是安全可靠性大。 我国建筑下采煤的试验研究工作是60年代初期开始的。以影响工农关系的村庄下压煤量为最大，问题最突出，其次为工业广场压煤，再次为其它

3、工业、民用建筑物下压煤。,目前世界各国进行建筑物下采煤的保护措施主要体现在以下几方面：一是在井下采取采矿措施，如采用部分开采、充填开采或协调开采等，其目的是尽量减小建筑物所受的地表移动变形；二是对地面建筑物采取结构保护措施，如对建筑物进行加固、修复或建造抗变形建筑物，其目的是提高建筑物抵抗或适应变形的能力，三是对覆岩采取离层注浆措施，以减小地表移动和变形。有时也根据实际情况将以上方法组合使用，建筑物下采煤的原则是：在保证建筑物安全的前提下技术上可行、经济上合理。,覆岩离层注浆： 煤层上覆岩层是由多层岩层组合而成，其物理力学性质差异较大，当岩层组合为下软上硬时，煤层采后覆岩在垂直方向上的移动呈现

4、时间和空间上的不连续性和不同步性，于是产生离层。离层形成后，实时地由地面向离层间隙注入粉煤灰等充填材料，可以达到减小地表移动变形、从而保护地面建筑物的目的。 有关离层注浆减沉的最早研究是前苏联，曾有高压注浆减缓地表沉降和变形的专利；波兰试验离层注浆减沉率为2030%。近年来，我国对离层注浆减沉的理论和方法进行了理论和实际应用的研究。在理论方面，研究了离层裂缝发育位置、大小、工作面最佳开采区间、浆液扩散半径、注浆孔间距在实践方面，开展了离层注浆减沉的工艺、离层注浆减沉率等的现场研究。,1985年，抚顺矿务局、阜新矿业学院在抚顺老虎台矿进行了离层注浆减沉试验，获得减沉率为6365%；后来，大屯徐庄

5、矿（19911992、减沉率51）、开滦唐山矿（1992、减沉率83）、兖州东滩矿（19941998、减沉率38.552）、兖州济二矿（减沉率58.5）、新汶华丰矿（19941996、减沉率3651）、南桐东林矿（减沉率91）等相继开展了离层注浆减沉试验，取得了丰硕的成果，但也存在一些问题，如减沉效果如何评价、浆液扩散半径计算、离层注浆减沉后地表移动计算方法等，都有待进一步完善。尤其是对于减沉效果的评价，目前多用减沉率来表示，但对于减沉率这一具体指标如何确定存在较大争议，杨伦在考虑了极不充分开采条件的影响对下沉系数进行修正后再对部分矿区的离层注浆减沉效果进行了重新计算，得到的结论是我国煤矿已经

6、开展的离层注浆减沉试验的真实效果是1520，这与波兰的情况比较接近。,第二节 开采沉陷对建筑物的影响,一、非采矿原因引起的建筑物损害 （一）自然因素引起的建筑物损害 1、湿度变化 土体固结地表移动建筑物损害。 2、地壳运动 5级 （二）人为因素引起的建筑物损害 1、地基或基础质量不好 2、建筑物设计结构有缺陷 （1）（6)条,（1）无变形缝； （2）构件吸水膨胀； （3）不同型号砖墙体裂缝； （4）太阳照射； （5）材料收缩破坏； （6）砖墙渗水变潮。 3、建筑物材料质量差和建筑工程施工质量低 4、由于交通和机械运动而产生的震动 5、人类抽取地下水，大范围水位下降。,二、开采沉陷对建筑物的影响

7、,地下开采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）和水平方向的移动变形（水平移动和水平变形）及由它们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）筑物的影响是不相同的。由于地表产生移动变形，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，从而在建筑物上产生附加应力，导致建筑物变形和损坏。 （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 均匀的地表下沉不使建筑物地基反力产生重分布，也不会在建筑物上产生附加应力，因而不会使建筑物损害。但当地下潜水位高、地表下沉量大时，均匀下沉可使建筑物积水或地基受水软化，影响建筑物使用，甚至破坏。,2倾斜对建筑

8、物的影响 地表倾斜对于平面面积小而高度大的建筑物（如水塔、烟囱、高压线塔等）有实际的影响。地表倾斜引起建筑物倾斜，在建筑物自重的作用下引起水平分力和弯距（倾覆力矩）。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响。 地表倾斜会引起公路、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。,3. 地表曲率对建筑物的影响 地表曲率变形表示倾斜的变化程度。由于曲率变形，地表将由原来的平面而变成曲面形状。引起建筑物地基反力重分布，使原来均匀的地基反力发生变化，出现加载区和卸载区。加载区和卸载的范围随工作面的推

9、进而发生变化。不同的曲率作用下地基反力不同（图）。在正曲率作用下，房屋中央反力最大，为加载区，两边出现卸载；在负曲率作用下，房屋两边加载，中间卸载。在地基反力重分布的影响下，建筑物墙壁在竖直面内受到附加弯矩和剪力的作用，使房屋结构弱面(门、窗、洞口、砖缝)处产生裂缝。 正曲率作用下产生倒八字形裂缝， 负曲率作用下产生正八字形裂缝。,4地表水平移动变形对建筑物的影响 地表水平移动变形主要通过两方面的作用影响建筑物： （1）地基与基础间摩擦力作用将水平变形产生的拉、压应力传递给建筑物，因而在建筑物上产生附加拉应力和剪应力，使建筑物损坏；（2）地基的移动在基础上产生横向挤压力，使基础在平面内产生弯曲

10、变形，从而在建筑物上引起附加应力，导致建筑物受损。 由于建筑物大多为砌体结构，抗拉能力远低于抗压能力，一般地表水平拉伸变形达到1mm/m时，房屋就可能出现较细小的竖向裂缝。我国华东地区农村房屋为泥浆砌筑，当水平拉伸变形达到0.7mm/m时，房屋即出现裂缝。虽然房屋抗压缩变形能力大于拉伸变形，但当压缩变形较大时，可使建筑物的墙壁和地基压碎、地板鼓起、门窗洞挤成菱形、纵墙或围墙产生褶曲、砖砌体产生水平裂缝以及剪切和挤压裂缝、屋顶鼓起等。,除上述变形影响外，还有剪切变形和扭曲变形对建筑物的影响。目前我国大多为村下采煤，受影响的房屋在横向方向的尺寸较小，剪切变形和扭曲变形的影响较小，一般不考虑。只考虑

11、五种移动变形的影响，主要关心曲率和水平变形的影响。,地表变形引起建筑物变形，使建筑物产生裂缝。建筑物出现裂缝后，不仅有损美观，降低建筑物的整体性和耐久性，而且影响其使用。一般采动引起的建筑物裂缝有以下几种： 1. 斜裂缝 为地表变形引起的建筑物墙上裂缝最常见的一种。主要由正、负曲率引起，呈八字形分布。正曲率引起倒八字形裂缝，负曲率引起正八字形裂缝，一般出现在门、窗、洞口的附近。从建筑物长度方向看，墙身中部斜裂缝较两端少。从建筑物高度方向看，下层墙体斜裂缝比上层墙体斜裂缝多。,(二) 地表移动变形引起的建筑物裂缝,2. 墙身顶部竖向裂缝 墙身顶部竖向裂缝一般出现在木屋架、瓦房顶的建筑物上，在墙身

12、顶部未设钢筋混凝土圈梁或水平配筋砌体带的建筑物顶部，往往出现此类裂缝。裂缝为上宽、下窄。在长轴方向上，墙身中部较两端为多。裂缝的主要原因是正曲率变形引起建筑物内横向拉应力超过砌体抗拉强度而使其裂缝。 3. 窗台上竖向裂缝 这种裂缝一般是从窗台向下发展，具有上宽下窄的特点，在建筑物的中部较两端多。这类裂缝的原因是由于受地表正曲率变形的影响，窗台墙起了反梁的作用，致使窗台受到弯曲变形，产生拉破坏。,4. 勒脚处竖向缝 勒脚处竖向裂缝大多出现在窗台墙的下部的勒脚处，裂缝宽度具有下宽上窄的特点。主要是当建筑物受到拉伸变形作用时，地基与基础之间产生的摩擦力和附着力，使墙体中产生了拉应力，随着地表变形的增

13、大，拉应力随之增大，因而在抗拉能力较弱的窗台墙下部勒脚处出现竖向裂缝。 5. 窗间墙上水平裂缝 窗间墙上的水平裂缝一般出现在窗洞口的上、下水平处。裂缝的宽度在门窗洞口边缘处较大，且裂缝的上下部砌体一般不产生错动现象。该裂缝主要是墙体在受到建筑物自身重力和地表曲率产生的弯矩作用下，在门窗四角上产生应力集中，形成局部拉应力，使其产生裂缝并扩展。,6. 砖过梁上竖向裂缝 门窗过梁上的竖向裂缝多数出现在砖过梁中部，然后向上发展。裂缝的宽度在门窗洞口边缘处较宽，往上渐窄。此类裂缝一般在建筑物的中部较多，两端较少。裂缝大多数是由于在地表曲率作用下，墙身产生弯曲，而在砖过梁处产生拉应力，使其拉开。对于平房或

14、楼房的底层砖过梁，也可能由于地表水平拉伸变形引起的拉应力作用，使其拉坏。 另外，还有顶圈梁下部水平缝，出现在圈梁的下部，可以贯通整个建筑物。这是由于圈梁和墙体拉压、抗弯模量不同，在地表曲率作用下建筑物弯曲，在圈梁与墙体之间产生剪应力，使其产生相对错动，从而出现裂缝。,在分析前，应搞清以下特点：（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）房屋承受扭曲 变形的能力最低。 图为位于采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为：,(三) 采动区建筑物有利位

15、置分析,（1）房屋a由于长轴方向仅受压缩变形，矩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； （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、后受压缩变形的影响，易出现裂缝； （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。因而房屋d比房屋b、c破坏小； （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。 以上分析表明：a、d房屋位置最有利，b、c次之，e最不利。 因此，在布置工作面时，应尽量使工

16、作面不与房屋斜交，且尽量使房屋位于a、d位置上。,一、建筑物变形与地表变形的关系 1、下沉和倾斜 与地表基本一致 2、水平变形 未加固 拉伸变形 压缩变形 加固：能够有效地减弱地下开采对建筑物的影响 拉伸变形 压缩变形,第3节 建筑物变形、破坏与地表变形的关系,3、曲率变形 建筑物刚度指标。柔性。 扰度值，R弯曲半径,（一）确定建筑物破坏与地表变形关系的方法 设立建筑物观测站 1）在建筑物上设点 2）对应地表设点 3）定期观测，记录破坏情况 4）总结分析 （二）我国划分建筑物破坏（保护）等级的标准 中华人民共和国煤炭工业局2000年5月颁布的建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程中，给出了长度或变形缝区段内长度小于20米的砖混结构建筑物，按不同的地表变形值，划分破坏等级的标准，见表1。,二、建筑物破坏程度与地表变形的关系,峰峰矿区：,峰峰矿区：,峰峰矿区：,峰峰矿区：,国外情况 1）前苏联； 2）英国 ； 3）波兰,