周大衛(wèi)+彭靜+李冬+郝真理
摘 要:在煤炭的開采過程中,隨著采煤過程的進(jìn)行,礦區(qū)易采煤層的煤炭儲(chǔ)量逐漸減少,煤礦開采不可避免地面臨著建筑物下采煤的問題。建筑物下采煤需要面對(duì)的問題就是采煤活動(dòng)產(chǎn)生的地表移動(dòng)和變形對(duì)地表建筑物的影響。宏觀上表現(xiàn)為采動(dòng)產(chǎn)生的不均勻沉降對(duì)地表建筑物的影響,實(shí)則為采動(dòng)產(chǎn)生的拉伸、壓縮、彎曲等附加應(yīng)力作用下,建筑物將產(chǎn)生一系列的變形,當(dāng)變形超過一定值時(shí),建筑物就會(huì)遭到破壞,甚至是倒塌,造成人員傷亡。
關(guān)鍵詞:煤礦開采 關(guān)鍵層 不均勻沉降 地表建筑物變形
中圖分類號(hào):TD22 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1674-098X(2017)02(c)-0155-02
地表的變形程度與所采煤層的厚度、采高、采煤方法、上覆巖層的性質(zhì)以及地質(zhì)條件等因素有關(guān),此外,建筑物的自身的特性如建筑物的形狀、面積、長寬高等參數(shù),以及結(jié)構(gòu)類型、基礎(chǔ)形式等,都將決定著采動(dòng)對(duì)地表建筑物的影響程度。文章主要從采煤方法和建筑物自身結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)形式兩方面討論如何減少采煤活動(dòng)對(duì)建筑物的影響。
1 煤炭開采對(duì)地表沉降影響的機(jī)理
隨著采煤工作面的不斷向前推進(jìn),在工作面后方將會(huì)形成采空區(qū),由于我國煤炭開采采空區(qū)的處理方法基本上采用全部垮落法,從而使得采空區(qū)形成之后,采空區(qū)周圍原來保持的應(yīng)力平衡被破壞,引起周圍巖層應(yīng)力的重新分布。頂板巖層在上覆巖層的壓力之下,依次發(fā)生移動(dòng)和破壞,這就進(jìn)一步導(dǎo)致在基巖與松散層交接面上形成下沉盆地。實(shí)踐證明,在直接頂上方存在的強(qiáng)度和厚度不同的各巖層中,對(duì)采場(chǎng)上覆巖層運(yùn)動(dòng)起著關(guān)鍵影響作用的是一層或數(shù)層厚而堅(jiān)硬的巖層,稱為關(guān)鍵層。關(guān)鍵層破斷后導(dǎo)致其上方所控制的巖層與之同步協(xié)調(diào)一致破斷。關(guān)鍵層的巖石基本上全是堅(jiān)硬的基巖。基巖同時(shí)具有彈塑性體的性質(zhì),由于巖石的流變特性,基巖的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系隨時(shí)間的變化處于不斷變化中。所以,可以用彈性梁代替關(guān)鍵層,運(yùn)用梁的理論,研究上覆巖層的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。相反,與基巖相比,由于松散層土顆粒結(jié)構(gòu)松散,基本上不具有抗彎能力,因此屬于軟弱層,鑒于松散層的這些特點(diǎn),可以采用隨機(jī)介質(zhì)模型模擬松散層的移動(dòng)變形,這里不再贅述。
2 不均勻沉降對(duì)地表建筑物的影響
地表不均勻沉降對(duì)地面建筑的影響主要可以從下沉、曲率、水平變形等方面去分析。
2.1 下沉
一般來說,隨著采煤工作面不斷向前推進(jìn),采動(dòng)產(chǎn)生的影響傳到地表時(shí),地表建筑物的基礎(chǔ)部分首先將會(huì)受到水平拉伸力的作用,工作面推進(jìn)以后,建筑物的基礎(chǔ)又將會(huì)受到水平壓縮力的作用,所以對(duì)于均勻沉降的地表,其基礎(chǔ)的強(qiáng)度如果能夠抵抗住采動(dòng)過程中這兩種變形的破壞,那么均勻沉降的地表對(duì)建筑物的影響不會(huì)太大。而不均勻沉降對(duì)建筑物,特別是高層建筑物的影響較大,甚至是直接導(dǎo)致高層建筑物的倒塌。這是因?yàn)椴痪鶆虺两祵?dǎo)致高層建筑物傾斜之后,其重心將會(huì)發(fā)生偏移,偏移后的重心將會(huì)對(duì)高層建筑物的基礎(chǔ)部分產(chǎn)生較大的彎矩,從而產(chǎn)生附加的應(yīng)力,使建筑物產(chǎn)生破壞。
2.2 曲率
地表不均勻沉降產(chǎn)生的不均勻沉降將地面由原來的平面變成曲面。曲率的影響可分為兩類:正曲率和負(fù)曲率。正曲率表現(xiàn)為地表上凸,從而使得建筑物兩端處于“懸空”狀態(tài),從而建筑物的上端受到拉應(yīng)力的作用,產(chǎn)生上寬下窄的倒八字裂縫。相反,負(fù)曲率表現(xiàn)為地表下陷,從而使得建筑物成為兩端支撐的簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu),建筑物的底部將會(huì)受到明顯的拉應(yīng)力作用,從而出現(xiàn)上窄下寬的正八字裂縫。
2.3 水平變形
地面的水平變形可以分為拉伸變形和壓縮變形。由于現(xiàn)在的建筑物主要采用磚石和混凝土材料,混凝土等材料具有抗拉不抗壓的特性,所以拉伸變形對(duì)建筑物的影響更大。但是當(dāng)壓縮變形較大時(shí),產(chǎn)生的破壞也不可忽略。有可能導(dǎo)致地基鼓起,門窗擠壓變形,圍墻褶曲。
3 預(yù)防不均勻沉降對(duì)建筑物影響的措施
預(yù)防不均勻沉降對(duì)建筑物影響主要可以從采煤方法和建筑物自身方面去分析。
3.1 從開采技術(shù)方面預(yù)防不均勻沉降
根據(jù)礦山壓力顯現(xiàn)的特點(diǎn),地表的最大下沉值與煤層的開采厚度成正比。充填開采的機(jī)理就在于此。其關(guān)鍵就是利用充填材料填充采空區(qū)和煤礦開采產(chǎn)生的空間,這樣的話相當(dāng)于從一定程度上減小了煤層的開采厚度,能夠有效減小地表的沉降。常見的充填技術(shù)有水砂充填、風(fēng)力充填法、矸石自溜充填法、帶狀充填、邊界充填等。在兩淮礦區(qū)新興的充填技術(shù)是膏體充填,其優(yōu)點(diǎn)是利用兩種液體物質(zhì)注入井下混合后,兩種物質(zhì)相互發(fā)生作用,產(chǎn)生膏體狀物質(zhì),從而達(dá)到充填采空區(qū)的目的。
采用充填法預(yù)防地表沉降無疑耗時(shí)費(fèi)力,在充分研究了煤層覆巖移動(dòng)規(guī)律之后,可以采用以協(xié)調(diào)開采為核心的變形控制技術(shù)來降低地表的沉陷。其技術(shù)主要包括上下煤層的協(xié)調(diào)開采,主要適用于開采厚煤層時(shí)可以在厚煤體上下面各開設(shè)一個(gè)工作面,兩個(gè)工作面之間保持一定的錯(cuò)距S,兩個(gè)工作面在推進(jìn)的時(shí)候,產(chǎn)生的變形相互抵消,從而達(dá)到減少變形的效果。另外,根據(jù)建筑物自身的特點(diǎn),矩形基礎(chǔ)的建筑物長軸方向的抗變形能力總是大于短邊方向的抗變形能力,而地表移動(dòng)變形的方向總是指向采空區(qū)。根據(jù)這一原理,當(dāng)工作面通過建筑物底下的時(shí)候,可以使工作面的推進(jìn)方向應(yīng)該與長軸方向垂直,達(dá)到減輕開采對(duì)建筑物影響的效果。此外,對(duì)于抗壓能力較大的建筑物,可采用對(duì)稱背向開采技術(shù),即將背向?qū)ΨQ的兩個(gè)工作面開設(shè)在建筑物的正下方,在開采過程中,建筑物始終受壓不受拉,且不產(chǎn)生傾斜。
3.2 從建筑物角度考慮如何預(yù)防不均勻沉降
從建筑方面預(yù)防不均勻沉降的主要措施有設(shè)置沉降縫、設(shè)置圈梁、減輕建筑物自重等措施。設(shè)置沉降縫的原理主要是將原本獨(dú)立的長高比過大的建筑分割成獨(dú)立的沉降單元,從而降低長高比,每一個(gè)單元體型簡(jiǎn)單,結(jié)構(gòu)類型相同,使得這樣的沉降單元整體剛度大大提高,達(dá)到沉降均勻的目的。沉降縫通常設(shè)置在建筑物載荷差別很大處或者是建筑物基礎(chǔ)類型不同的地方。設(shè)置圈梁的作用在于提高建筑物整體的抗彎剛度,從而提高建筑物的抗彎能力。其目的在于防止墻體產(chǎn)生裂縫和阻止裂縫延伸,圈梁應(yīng)布置在頂層門窗頂處和基礎(chǔ)面附近,每處各設(shè)置一道。減輕建筑物的自重主要是為了降低建筑物的基底附加壓力,從而降低建筑物地基的變形。常用的方法是設(shè)置地下室,目的在于以地下室開挖的土重抵消一部分建筑物的自重。
4 結(jié)語
隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展,煤炭作為我國主體能源的地位不會(huì)改變。煤炭的開采也朝著大型化、集中化方向發(fā)展。如何減少和降低煤炭開采對(duì)地表尤其是地表建筑物的影響,應(yīng)當(dāng)成為煤礦企業(yè)越來越重視的問題。
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