榆林煤礦采空區(qū)地表建筑物損壞及防治的研究

李建亮

（榆林職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西榆林 719000）

1 研究背景

隨著榆林煤炭資源開采速度的加快，形成了大規(guī)模的采空區(qū)，這些煤系上覆巖層的原始應(yīng)力平衡被破壞，失去支撐的周圍巖層，從采空區(qū)外圍向內(nèi)逐漸移動，煤系上覆巖層跟著產(chǎn)生變形、分層、裂縫甚至徹底破壞坍塌，造成非常嚴(yán)重的開采沉陷損害。例如：神木市目前礦區(qū)已形成采空區(qū)面積480多平方公里，火燒隱患區(qū)4km2，且每年新增采空塌陷面積約40km2。采空區(qū)沉陷使地表出現(xiàn)裂縫，造成了地表建筑物不同程度的損害。

圖1 采空區(qū)地表建筑物損壞圖

2 地表建筑物損壞因素分析

2.1 開采沉陷對建筑物的影響

井下采煤會促使巖層的原始應(yīng)力遭受破壞，進(jìn)而導(dǎo)致應(yīng)力的重新分布，在應(yīng)力重新達(dá)到平衡前，整個地層都在不斷發(fā)生著變化，巖體產(chǎn)生移動、變形會使地表相應(yīng)的也產(chǎn)生移動、變形，從而將會影響到地面建筑物的安全穩(wěn)定，會使地面建筑物出現(xiàn)裂縫、倒塌等現(xiàn)象。

2.2 地表不均勻下沉對建筑物的影響

不均勻的地表下沉?xí)菇ㄖ锏牡鼗戳χ匦路植迹ㄖ锷弦矔a(chǎn)生相應(yīng)的附加應(yīng)力，另外假設(shè)地表的下沉量過大，地下潛水位又高，建筑物的地基就容易受到水的浸泡軟化，從而就會影響到建筑物的安全，使建筑物易發(fā)生裂縫、下沉或傾斜倒塌。

2.3 傾斜對建筑物的影響

地表傾斜會造成建筑物也隨之產(chǎn)生傾斜，進(jìn)而會引起建筑物結(jié)構(gòu)內(nèi)力的重新分布，另外建筑物在自重的作用下會產(chǎn)生水平分力和彎矩，同時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，這樣就會使建筑物由于承重結(jié)構(gòu)或地基的承載能力不足以及重心偏移失去穩(wěn)定性而造成損壞。

2.4 地表曲率對建筑物的影響

由于地表曲率變形，地表將由原來的平面變成曲面形狀。在正曲率的作用下，房屋中央反力最大，稱為加載區(qū)，兩邊成為卸載區(qū)，這樣使建筑物的兩端處于“懸空”狀態(tài)；而在負(fù)曲率的作用下，房屋的兩邊成為加載區(qū)，中間成為卸載區(qū)，這樣建筑物的中間處于“懸空”狀態(tài)。這兩種狀態(tài)都改變了建筑物各部分原來的力平衡，在地基力重分布的影響下，建筑物墻壁在豎直面內(nèi)受到附加彎矩和附加剪力的作用，使房屋結(jié)構(gòu)弱面處產(chǎn)生裂縫。

2.5 地表水平變形對地表建筑物的影響

地表水平變形對建筑物會產(chǎn)生巨大的破壞作用，尤其是受到拉伸變形的影響。由于建筑物抵抗拉伸能力比較低，當(dāng)?shù)乇硭嚼熳冃未笥?mm/m時，在一般磚石結(jié)構(gòu)的磚砌體的結(jié)合處、門窗洞口等薄弱部位會出現(xiàn)裂縫。

3 地表建筑物幾種常見的裂縫

3.1 斜裂縫

斜裂縫是一種常見的由地表變形引起的建筑物墻上裂縫。它是由于地表曲率變形引起的剪力作用，使墻體出現(xiàn)主拉應(yīng)力強(qiáng)調(diào)不足而引起的現(xiàn)象。斜裂縫常見于建筑物的門窗洞口附近，和兩端的窗間墻和水平砌體帶上。

3.2 墻身頂部豎向裂縫

在一些沒有設(shè)鋼筋混凝土圈梁或水平配筋砌體帶的建筑物墻身頂部會出現(xiàn)墻身頂部豎向裂縫。這種裂縫往往出現(xiàn)在建筑物縱墻上，沿墻壁長度方向主要分布在墻身的中部，裂縫上寬下窄，開始發(fā)生在墻身頂部，然后沿豎直方向向下發(fā)展。

3.3 窗臺墻上豎向裂縫

窗臺墻上豎向裂縫的特點是上寬下窄，大多是從窗臺開始向下擴(kuò)展。窗口越寬，則裂縫也越大。這種裂縫一般出現(xiàn)在建筑物的中間部分，而兩端較少。

3.4 磚過梁上豎向裂縫

這類裂縫多數(shù)出現(xiàn)在磚過梁中部，特點是在門窗洞口邊緣處較寬，向上發(fā)展，越往上越窄，常見于建筑物的中部，兩端出現(xiàn)的比較少。

3.5 窗間墻上水平裂縫

這類裂縫一般在門窗洞口的上下水平處出現(xiàn)，特點是在門窗洞口邊緣處寬度較大，而裂縫的上下部砌體則一般不會產(chǎn)生錯動。

3.6 勒角上豎向裂縫

這類裂縫寬度具有上寬下窄的特點，一般是在窗臺墻的下部勒角上出現(xiàn)。這類裂縫經(jīng)常和底層的窗臺墻上豎向裂縫連在一起。

4 采空區(qū)地表建筑物損害的防治措施

采空區(qū)形成促使地表建筑物原來的原始應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致建筑物出現(xiàn)變形損壞。所以我們要從兩個方面來防治這種損害，以保證建筑物的安全穩(wěn)定，一方面是及時對采空區(qū)進(jìn)行有效處理；另一方面是建筑物本身要及時處理。

4.1 針對采空區(qū)地面塌陷的防治措施

①在采礦塌陷區(qū)域建立起巖移觀測站，用于長期觀測地表巖層位移情況，積累大量的觀測資料，總結(jié)得出采礦塌陷區(qū)的巖移預(yù)計參數(shù)和地表移動角量參數(shù)，運用相關(guān)概率學(xué)算法計算出某點的沉陷值，從而預(yù)測地面塌陷情況。②針對采空區(qū)地面塌陷，應(yīng)該以防為主，并注意防治結(jié)合。如果等塌陷形成并造成危害后才著手開始治理的話，隨著開采量的不斷增加，采空區(qū)的面積也會不斷擴(kuò)大，最終陷入“塌陷-搬遷-塌陷”的惡性循環(huán)。所以要在采空區(qū)形成塌陷之前也就是在開采前就提前考慮好預(yù)防措施，并在開采時中運用各種減塌陷技術(shù)和措施，有效的防治方法有斷層破碎帶注漿法、填充采礦法、條帶采礦法等。

4.2 采空區(qū)上部建筑物抗變形及加固

提高采空區(qū)地表建筑物的抗變形能力主要應(yīng)該注重地基和基礎(chǔ)及建筑上部結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案。

（1）基礎(chǔ)方案的選擇。要求采空區(qū)的建筑物基礎(chǔ)要有足夠的剛度、強(qiáng)度和承載力，同時還應(yīng)具備一定的適應(yīng)變形的能力，以抵抗或部分吸收地表變形，常見的基礎(chǔ)設(shè)計有柔性方案、剛性方案或者二者結(jié)合的設(shè)計。柔性方案就是指在基礎(chǔ)與地基之間，或者基礎(chǔ)與墻體之間設(shè)置滑動層，滑動層可用石墨、油氈、砂墊層等制作，實踐證明滑動層對吸收水平變形是很有效的。剛性方案就是設(shè)計剛度大的基礎(chǔ)圈梁、檐口圈梁或鋼筋混凝土柱等構(gòu)件組成空間骨架，從整體上來提高建筑物的空間剛度，穩(wěn)定墻體，來抵抗地基變形而造成的附加應(yīng)力，預(yù)防墻體裂縫。這類結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是對抵抗較大的地表變形、不均勻沉降有顯著的效果。

（2）建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計選型。在結(jié)構(gòu)選型時要注意靜定與延性結(jié)合、結(jié)構(gòu)的整體性與可靠性，平立面設(shè)計應(yīng)當(dāng)遵循對稱、整齊、均勻、低矮等設(shè)計原則。

（3）建筑物結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施。在地表建筑物上安置鋼筋混凝土圈梁；設(shè)計時要盡量減小房屋的長度尺寸，既有效保護(hù)建筑物的完整性，又可以降低工程造價；當(dāng)?shù)乇碜冃屋^大時，可以設(shè)計筏板基礎(chǔ)或者雙板基礎(chǔ)等整體性好的基礎(chǔ)。設(shè)置變形縫能有效減少采空區(qū)地面的不均勻沉降。

（4）采取設(shè)置墻壁與構(gòu)造柱、地表變形緩沖溝、應(yīng)用可升降點式基礎(chǔ)等設(shè)計措施，將使地基持力層、基礎(chǔ)、建筑物三者有效結(jié)合，共同協(xié)調(diào)工作。

5 結(jié)語

采空區(qū)地表建筑物變形的影響因素復(fù)雜多樣，而其沉陷坍塌會對地表建筑物產(chǎn)生巨大的損害。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，采礦也向著大型化、集中化方向發(fā)展，如何降低采空區(qū)沉陷對地表建筑物的影響，將成為采礦、建筑設(shè)計施工單位共同研究的課題。

課題項目：關(guān)于開采沉陷對地表建筑物受損的實證分析（2015CXY-03）。

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