第六章+建筑物下采煤

張兆江建筑物下采煤2/3/2023河北工程大學(xué)建筑物下采煤第一節(jié)地表移動變形對建筑物的影響第二節(jié)采動區(qū)建筑物變形與地表變形的關(guān)系第三節(jié)建筑物下采煤的保護(hù)措施第四節(jié)建筑物下采煤設(shè)計2/3/2023

據(jù)不完全統(tǒng)計，我國國有煤礦在“建筑物下、鐵路下、水體下”（簡稱“三下”Under3-body）壓煤總量約140億t，其中建筑物下壓煤量達(dá)78.2億t，占“三下”壓煤總量的60%左右。建筑物下壓煤又以村莊下壓煤所占數(shù)量最大，其次就是工業(yè)場地及公用建筑物下壓煤。因此，解決建筑物下壓煤的開采問題，無論從理論上、技術(shù)上、還是經(jīng)濟(jì)上都具有重要的意義。建筑物下采煤2/3/2023

地表移動變形對建筑物的影響地下開采引起地表產(chǎn)生移動變形，破壞了建筑物與地基之間的初始平衡狀態(tài)，使地基反力重分布，從而在建筑物中產(chǎn)生附加應(yīng)力，導(dǎo)致建筑物變形和破壞。對建筑物的影響主要有垂直方向的移動變形（下沉、傾斜、曲率）和水平方向的移向變形（水平移動和水平變形）。不同性質(zhì)的移動變形對建（構(gòu)）筑物的影響不同。2/3/2023

地表移動變形對建筑物的影響

一、地表移動變形對建筑物的影響

1．地表下沉對建筑物的影響2/3/2023

地表移動變形對建筑物的影響

2．傾斜對建筑物的影響

在傾覆力矩的作用下，建筑物構(gòu)件上和地基中的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化。對于框架結(jié)構(gòu)的建筑物，應(yīng)考慮地表傾斜引起的附加應(yīng)力的影響。地表傾斜還能引起公路、鐵路、排水渠、管道等的坡度變化，還可引起機(jī)器設(shè)備的傾斜，破壞其正常工作狀態(tài)。2/3/2023

地表移動變形對建筑物的影響3.地表曲率對建筑物的影響2/3/2023

地表移動變形對建筑物的影響4.地表水平變形對建筑物的影響

2/3/2023

地表移動變形對建筑物的影響二、移動盆地內(nèi)不同的位置對建筑物的影響一般來說，建筑物和采空區(qū)有如下特點：（1）建筑物短軸方向承受變形的能力大于長軸，承受壓縮變形的能力大于承受拉伸變形的能力；（2）采空區(qū)邊緣區(qū)為變形最大的區(qū)域，中間區(qū)下沉大但變形小；（3）建筑物承受扭曲變形的能力最低。當(dāng)建筑物所處位置不同時，其損害情況不同，如圖5-9所示，位于采動區(qū)上方不同位置的a、b、c、d、e五幢建筑物。各建筑物的所處位置的優(yōu)缺點如下：2/3/2023

地表移動變形對建筑物的影響（1）房屋a由于長軸方向僅受壓縮變形，短軸方向受動態(tài)拉伸變形，其破壞較小，處于有利位置；（2）房屋b由于位于采空區(qū)邊緣，長軸方向受到的變形較大，易使其損壞；2/3/2023

地表移動變形對建筑物的影響（3）房屋c位于采空區(qū)中央，長軸平行于工作面推進(jìn)方向，先受動態(tài)拉伸變形和后受壓縮變形的影響，易出現(xiàn)裂縫；2/3/2023

地表移動變形對建筑物的影響（4）房屋d位于采空區(qū)邊緣，長軸平行于工作面推進(jìn)方向，長軸方向受到的變形值小于房屋c，短軸方向上受到的變形與房屋b長軸方向上受到的變形相等。因而房屋d比房屋b、c破壞小；2/3/2023

地表移動變形對建筑物的影響（5）房屋e與工作面斜交，受到扭曲變形的影響，易使房屋損壞。以上可知：a、d房屋位置最有利，b、c次之，e最不利。因此，盡量使工作面不與房屋斜交，且盡量使房屋位于a、d位置上。2/3/2023

建筑物下采煤采動區(qū)建筑物變形與地表變形的關(guān)系2/3/2023

采動區(qū)建筑物變形與地表變形的關(guān)系在采動過程中，地表建筑物的損害是地表的變形傳遞給基礎(chǔ)，從而引起建筑物隨之產(chǎn)生類似的變形。但由于建筑物具有一定的承受附加應(yīng)力的能力，故地表變形與建筑物變形之間存在不一致性。兩者之間的關(guān)系與建筑物基礎(chǔ)的材料、長度、寬度、深度、荷載以及地基性質(zhì)、建筑物平面形狀和上部結(jié)構(gòu)的剛度等有關(guān)。若建筑物的變形值超過其充許的變形值，建筑物將受到破壞。

采動區(qū)建筑物變形與地表變形的關(guān)系和采動區(qū)建筑物損壞評定的標(biāo)準(zhǔn)是建筑物下采礦的基礎(chǔ)。2/3/2023

一、建筑物變形與地表變形的關(guān)系地表變形引起建筑物變形，由于建筑物具有一定的剛度、地基切入土壤、地基與基礎(chǔ)之間傳遞拉、壓力的能力有限等，使地基變形與建筑物變形存在差異。這一差異主要與建筑物的剛度、建筑物的大小、地基的物理力學(xué)性質(zhì)、地表變形值大小、地基與基礎(chǔ)間的摩擦力等有關(guān)。由于這一問題的復(fù)雜性，目前尚難以建立可靠的理論計算式，而只能通過實地觀測建立一些經(jīng)驗公式。采動區(qū)建筑物變形與地表變形的關(guān)系2/3/2023

二、地表移動變形對建筑物的影響地下開采引起地表產(chǎn)生移動變形，破壞了建筑物與地基之間的初始平衡狀態(tài)，使地基反力重分布，從而在建筑物中產(chǎn)生附加應(yīng)力，導(dǎo)致建筑物變形和破壞。對建筑物的影響主要有垂直方向的移動變形（下沉、傾斜、曲率）和水平方向的移向變形（水平移動和水平變形）及由此兩種移動變形引起的建筑物的扭曲變形、剪切變形。不同性質(zhì)的移動變形對建（構(gòu)）筑物的影響不同。采動區(qū)建筑物變形與地表變形的關(guān)系2/3/2023

1.下沉和傾斜建筑物基礎(chǔ)下沉略小于地基下沉，基礎(chǔ)傾斜大于地基傾斜，這是由于建筑物具有一定剛度，不完全隨地基移動而移動，部分地基卸載、部分加載使基礎(chǔ)的下沉、傾斜和地基下沉傾斜存在差異。2.水平變形國內(nèi)采動區(qū)建筑物觀測資料表明：對于無加固措施，具有毛石帶形基礎(chǔ)的建筑物而言，其基礎(chǔ)和地基間拉伸變形差異不大，但壓縮變形差異卻很大。在壓縮變形條件下，房屋基礎(chǔ)的壓縮變形要比對應(yīng)的地基土壤的壓縮變形小得多。當(dāng)房屋加固以后，可有效地減小地表水平變形對建筑物的影響，基礎(chǔ)變形比地基變形小得多。采動區(qū)建筑物變形與地表變形的關(guān)系2/3/2023

國內(nèi)觀測資料分析結(jié)果如下：(1)未加固建筑物：拉伸變形：

ε基

=0.84ε地

-0.09×10-3

壓縮變形：

ε基

=0.24ε地-0.01×10-3

(2)加固建筑物：拉伸變形條件下：

ε基

=0.17ε地

-0.05×10-3

壓縮變形條件下：

ε基

=0.01ε地

+0.19×10-3

采動區(qū)建筑物變形與地表變形的關(guān)系2/3/2023

3.曲率變形建筑物基礎(chǔ)與地基間的曲率變形關(guān)系，實質(zhì)上地基彎曲撓度與基礎(chǔ)彎曲撓度的關(guān)系，可根據(jù)不同房屋的剛性來衡量。國內(nèi)根據(jù)現(xiàn)場實測資料，得到房屋基礎(chǔ)單位長度的最大撓度f基與地基單位長度的最大彎曲值f地的經(jīng)驗關(guān)系式：

f基

=ai

f地

+bi

式中，ai、bi—系數(shù)。對于未采取加固措施，層數(shù)低于四層，單位長度小于60m，具有毛石砌體帶形基礎(chǔ)的建筑物，ai、bi，見表5-1。采動區(qū)建筑物變形與地表變形的關(guān)系2/3/2023

表5-1中，L為建筑物長度，H為建筑物高度，L/H表示了建筑物柔性。從表5-1可見，建筑物柔性越大，基礎(chǔ)與地基的撓度越接近，建筑物所產(chǎn)生的變形越大，因此，要減小建筑物的變形，必須增大其剛度。采動區(qū)建筑物變形與地表變形的關(guān)系2/3/2023

二、采動區(qū)建筑物損壞程度評定指標(biāo)

在進(jìn)行建筑下采煤時，一般要根據(jù)地質(zhì)采礦條件預(yù)計地表移動變形，然后，根據(jù)預(yù)計的移動變形值大小評定建筑物的損壞程度，采取相應(yīng)的建筑物加固措施和井下開采措施，最后，確定開采方案。由此可見，采動區(qū)建筑物損壞評定指標(biāo)對建筑物下采煤是非常重要的。采動區(qū)建筑物損壞評定指標(biāo)涉及到地表變形大小、建筑物類型、地基性質(zhì)、建筑物長度和高度等諸多因素，目前尚沒有一個全面考慮這些因素的采動區(qū)建筑物損壞評定方法，均采用近似的評定。采動區(qū)建筑物變形與地表變形的關(guān)系2/3/2023

下面介紹我國劃分采動區(qū)建筑物損壞等級的標(biāo)準(zhǔn)：

在我國礦區(qū)中，大多數(shù)為磚混結(jié)構(gòu)和磚木結(jié)構(gòu)的建筑物，這些房屋大多數(shù)為平房，且長度小于20m，針對這一情況，國家煤炭工業(yè)局2000年頒布的《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》規(guī)定，對于長度或變形縫區(qū)段小于20m的磚混結(jié)構(gòu)房屋，按不同地表變形值劃分的破壞等級標(biāo)準(zhǔn)見表5-2。其它結(jié)構(gòu)類的建（構(gòu)）筑物可參照表5-2執(zhí)行。

（前蘇聯(lián)、波蘭、英國參考教材P135-141）采動區(qū)建筑物變形與地表變形的關(guān)系2/3/2023

2/3/2023建筑物下采煤建筑物下采煤的保護(hù)措施2/3/2023

建筑物下采煤的保護(hù)措施一、地下開采技術(shù)措施通過合適的開采方法或措施，可以有效地減小或控制采動引起的地表移動變形，達(dá)到保護(hù)建筑物的目的。在生產(chǎn)實踐中比較有效和常用的有以下幾方面措施：（一）減小地表下沉值減沉開采方法既是通過采場頂板管理方法的改變，控制頂板的下沉量而達(dá)到減緩地表沉陷量。常用的方法為充填開采方法和部分開采方法。

1．充填開采方法充填開采方法就是當(dāng)煤層采出后，采出空間用矸石、河砂等材料進(jìn)行充填，以減小采出空間，從而減少覆巖及地表移動變形的一種開采方法。2/3/2023

常用的充填方法有：水砂充填、風(fēng)力充填、矸石人工充填。不同的充填方法、充填的密實度不同，地表下沉系數(shù)不同（見表5-9）。采用全部跨落法管理頂板時，地表最大下沉值可達(dá)采厚的60%～90%，一般為80%左右；采用水砂充填管理頂板時，地表的最大下沉值僅為采厚的8%～15%。建筑物下采煤的保護(hù)措施2/3/2023

2．部分開采方法

減小地表移動和變形值的另一項有效措施是采用部分開采法（PartialMiningMethod）。其實質(zhì)是將被開采的煤層劃分成若干條帶，開采一條（即采出條帶），保留一條（即保留煤柱），用留下不采的煤柱支撐頂板，以達(dá)到減小地表移動和變形的目的。此法的缺點是采出率低（一般采出率為50%-60%），掘進(jìn)率高，開采工藝復(fù)雜，效率較低。我國常用的部分開采方法是條帶開采方法。建筑物下采煤的保護(hù)措施2/3/2023

3．覆巖離層充填方法

覆巖離層注漿控制沉陷技術(shù)就是利用煤層開采后覆巖層裂過程中形成的離層空間，借助高壓注漿泵，從地面通過鉆孔向離層空間中注入充填材料，占據(jù)空間、減少采出空間向上的傳遞，支撐離層上位巖層、減緩巖層的進(jìn)一步彎曲下沉，從而達(dá)到減緩地面下沉的目的。覆巖注漿可以減緩礦山開采引起的地表沉陷，其減沉功能主要表現(xiàn)在以下五個方面：（1）注漿的充填作用；（2）注漿的支承作用；（3）注漿的膠結(jié)作用；（4）注漿的膨脹作用；（5）擠壓密實作用。建筑物下采煤的保護(hù)措施2/3/2023

（二）協(xié)調(diào)開采方法

協(xié)調(diào)開采（HarmonicMininig）是根據(jù)開采引起地表移動變形分布規(guī)律，通過采用合理的開采布局，開采順序、方向、時間等方法減緩開采引起的地表移動變形。下面介紹幾種常見的協(xié)調(diào)開采方法。

1．減小開采邊界影響的疊加利用上、下煤層(或分層)工作面間的距離差異，以減小開采引起的地表移動變形(圖5-10)。該法可用于兩個方面：（1）減小動態(tài)移動變形的影響；（2）減小工作面邊界部位的變形量。建筑物下采煤的保護(hù)措施2/3/2023

建筑物下采煤的保護(hù)措施2/3/2023

2．多工作面協(xié)調(diào)開采如圖5-11所示，采用一個大的工作面或幾個工作面同時開采，使建筑物位于移動盆地的平底部位，使建筑物只受動態(tài)變形的影響，從而保護(hù)建筑物。同時考慮開采過程中地表移動變形的動態(tài)影響，故將開采工作面按一定方式布置，減小開采引起的動態(tài)變形影響。

建筑物下采煤的保護(hù)措施2/3/2023

3．對稱開采方法在建筑物下開采時，如果建筑物抵抗壓縮變形的能力較大，而對傾斜和拉伸變形又十分敏感，則可以采用對稱背向開采的方法（圖5-12）。例如，在受保護(hù)建筑物正下方布置兩個背向開采的工作面。在這種情況下，建筑物一開始就處于下沉盆地中央的壓縮變形區(qū)內(nèi)，不承受拉伸變形，不產(chǎn)生傾斜。這種方法一般只是在回采十分重要的單個的建筑物煤柱時才采用。建筑物下采煤的保護(hù)措施2/3/2023

二、地面建筑物保護(hù)措施

建筑物在采動過程中要受到地表動態(tài)變形的影響。如圖5-13所示。移動穩(wěn)定后位于均勻下沉區(qū)的建筑物，只要能夠抵抗住開采過程中地表動態(tài)變形的影響，一般就不會受到地表均勻下沉的損害。建筑物下采煤的保護(hù)措施2/3/2023

保護(hù)建筑物的結(jié)構(gòu)措施大致可分為兩類：

第一類是提高建筑物的剛度和整體性，增強(qiáng)建筑物抵抗變形的能力。

如，設(shè)置鋼拉桿、鋼筋混凝土圈梁、基礎(chǔ)聯(lián)系梁等；

第二類是提高建筑物適應(yīng)地表變形的能力，減小地表變形引起的建筑物附加內(nèi)力。

如，設(shè)置變形縫、地表緩沖溝、滑動層等。

建筑物下采煤的保護(hù)措施2/3/2023

1、設(shè)置變形縫建筑物下采煤的保護(hù)措施2/3/2023

2、設(shè)置鋼拉桿建筑物下采煤的保護(hù)措施2/3/2023

3、鋼筋混凝土圈梁

圈梁的作用在于增加建筑物整體性和剛度，提高磚石砌體的抗彎、抗剪和抗拉的強(qiáng)度，可在一定程度上防止或減少裂縫等破壞現(xiàn)象的出現(xiàn)。

建筑物下采煤的保護(hù)措施2/3/2023

4、水平滑動層

建筑物下采煤的保護(hù)措施2/3/2023

5、雙板基礎(chǔ)建筑物下采煤的保護(hù)措施2/3/2023

7、構(gòu)造柱

在地表曲率變形較大時，為提高墻壁的抗剪強(qiáng)度，增加建筑物的整體剛度，限制裂縫的延長，可在墻內(nèi)設(shè)置鋼筋混凝土構(gòu)造柱。

建筑物下采煤的保護(hù)措施2/3/2023

8、設(shè)置千斤項調(diào)整基礎(chǔ)

當(dāng)受采動影響的地表發(fā)生不均勻沉降和傾斜變形較大時，為使建筑物免受超過其承載能力的附加作用力的影響和建筑物調(diào)平，可采用千斤頂及時調(diào)平基礎(chǔ)，消除不均勻降沉引起的建筑物附加內(nèi)力。

建筑物下采煤的保護(hù)措施2/3/2023

9、鋼筋混凝土錨固板

對于已有的建筑物不能像新建建筑物一樣設(shè)置雙板基礎(chǔ)，但可采用鋼筋混凝土錨固板加固。建筑物下采煤的保護(hù)措施2/3/2023

10、堵砌門窗洞

建筑物在受到地表壓縮和負(fù)曲率變形作用時，使墻身產(chǎn)生壓縮變形，墻身變形導(dǎo)致門窗洞口應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致其損壞。為減少這種影響，可采用堵砌門窗洞的辦法，以提高其抵抗壓縮變形的能力。該措施具有簡便易行的優(yōu)點，一般用于加固倉庫等建筑物。建筑物下采煤的保護(hù)措施2/3/2023

11、變形補(bǔ)償溝

設(shè)置變形緩沖溝，就是在建筑物周圍的地表挖掘一定深度的溝槽，如圖5-19所示。其目主要是阻隔地表水平壓縮變形的傳遞，從而減小建筑物所受的水平變形值，達(dá)到保護(hù)建筑物的目的。變形緩沖溝能有效地吸收地表的水平壓縮變形，大大減小地表土體對基礎(chǔ)埋入部分的壓力，也可以減小水平變形對基礎(chǔ)底面的影響。如鶴壁礦區(qū)在市內(nèi)主要公路干線的英雄橋下采礦，在橋一端設(shè)置了變形緩沖溝，該側(cè)的橋梁未發(fā)現(xiàn)損壞。變形緩沖溝吸收壓縮量達(dá)396mm，占總壓縮量的41%。而在沒有設(shè)置變形緩沖溝的另一端，其橋梁拱腳處出現(xiàn)裂縫。建筑物下采煤的保護(hù)措施2/3/2023

建筑物下采煤的保護(hù)措施2/3/2023

建筑物下采煤建筑物下采煤設(shè)計2/3/2023

建筑物下采煤設(shè)計一、收集資料

進(jìn)行建筑物下采煤設(shè)計，首先收集下列技術(shù)資料和工程圖：

1.技術(shù)資料

(1)地質(zhì)開采技術(shù)條件。包括開采煤層的層數(shù)、層間距、厚度、傾角、埋藏深度、壓煤量、覆巖性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、地下潛水位、現(xiàn)有的開采方法、巷道布置、生產(chǎn)系統(tǒng)以及鄰區(qū)開采情況。

(2)建筑物概況。包括建筑物的體型、面積、長度、寬度、高度、層數(shù)、結(jié)構(gòu)類型、基礎(chǔ)型式及其埋置深度、松散層的厚度和地基土壤的工程性質(zhì)及水文地質(zhì)參數(shù)；建筑時間和現(xiàn)有狀況，使用要求；建筑物原設(shè)計的有關(guān)資料。

(3)主要管線和重要設(shè)備的技術(shù)特征、技術(shù)要求及其支承或基礎(chǔ)埋置方式。

(4)有關(guān)的地表移動參數(shù)，老采區(qū)活化的可能性及其對地表和建筑物的影響。2/3/2023

2．工程圖