浅析煤矿开采造成的不均匀沉降对地表建筑物的影响及预防

周大卫+彭静+李冬+郝真理

摘 要：在煤炭的开采过程中，随着采煤过程的进行，矿区易采煤层的煤炭储量逐渐减少，煤矿开采不可避免地面临着建筑物下采煤的问题。建筑物下采煤需要面对的问题就是采煤活动产生的地表移动和变形对地表建筑物的影响。宏观上表现为采动产生的不均匀沉降对地表建筑物的影响，实则为采动产生的拉伸、压缩、弯曲等附加应力作用下，建筑物将产生一系列的变形，当变形超过一定值时，建筑物就会遭到破坏，甚至是倒塌，造成人员伤亡。

关键词：煤矿开采 关键层 不均匀沉降 地表建筑物变形

中图分类号：TD22 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）02（c）-0155-02

地表的变形程度与所采煤层的厚度、采高、采煤方法、上覆岩层的性质以及地质条件等因素有关，此外，建筑物的自身的特性如建筑物的形状、面积、长宽高等参数，以及结构类型、基础形式等，都将决定着采动对地表建筑物的影响程度。文章主要从采煤方法和建筑物自身结构和基础形式两方面讨论如何减少采煤活动对建筑物的影响。

1 煤炭开采对地表沉降影响的机理

随着采煤工作面的不断向前推进，在工作面后方将会形成采空区，由于我国煤炭开采采空区的处理方法基本上采用全部垮落法，从而使得采空区形成之后，采空区周围原来保持的应力平衡被破坏，引起周围岩层应力的重新分布。顶板岩层在上覆岩层的压力之下，依次发生移动和破坏，这就进一步导致在基岩与松散层交接面上形成下沉盆地。实践证明，在直接顶上方存在的强度和厚度不同的各岩层中，对采场上覆岩层运动起着关键影响作用的是一层或数层厚而坚硬的岩层，称为关键层。关键层破断后导致其上方所控制的岩层与之同步协调一致破断。关键层的岩石基本上全是坚硬的基岩。基岩同时具有弹塑性体的性质，由于岩石的流变特性，基岩的应力应变关系随时间的变化处于不断变化中。所以，可以用弹性梁代替关键层，运用梁的理论，研究上覆岩层的运动规律。相反，与基岩相比，由于松散层土颗粒结构松散，基本上不具有抗弯能力，因此属于软弱层，鉴于松散层的这些特点，可以采用随机介质模型模拟松散层的移动变形，这里不再赘述。

2 不均匀沉降对地表建筑物的影响

地表不均匀沉降对地面建筑的影响主要可以从下沉、曲率、水平变形等方面去分析。

2.1 下沉

一般来说，随着采煤工作面不断向前推进，采动产生的影响传到地表时，地表建筑物的基础部分首先将会受到水平拉伸力的作用，工作面推进以后，建筑物的基础又将会受到水平压缩力的作用，所以对于均匀沉降的地表，其基础的强度如果能够抵抗住采动过程中这两种变形的破坏，那么均匀沉降的地表对建筑物的影响不会太大。而不均匀沉降对建筑物，特别是高层建筑物的影响较大，甚至是直接导致高层建筑物的倒塌。这是因为不均匀沉降导致高层建筑物倾斜之后，其重心将会发生偏移，偏移后的重心将会对高层建筑物的基础部分产生较大的弯矩，从而产生附加的应力，使建筑物产生破坏。

2.2 曲率

地表不均匀沉降产生的不均匀沉降将地面由原来的平面变成曲面。曲率的影响可分为两类：正曲率和负曲率。正曲率表现为地表上凸，从而使得建筑物两端处于“悬空”状态，从而建筑物的上端受到拉应力的作用，产生上宽下窄的倒八字裂缝。相反，负曲率表现为地表下陷，从而使得建筑物成为两端支撑的简支梁结构，建筑物的底部将会受到明显的拉应力作用，从而出现上窄下宽的正八字裂缝。

2.3 水平变形

地面的水平变形可以分为拉伸变形和压缩变形。由于现在的建筑物主要采用砖石和混凝土材料，混凝土等材料具有抗拉不抗压的特性，所以拉伸变形对建筑物的影响更大。但是当压缩变形较大时，产生的破坏也不可忽略。有可能导致地基鼓起，门窗挤压变形，围墙褶曲。

3 预防不均匀沉降对建筑物影响的措施

预防不均匀沉降对建筑物影响主要可以从采煤方法和建筑物自身方面去分析。

3.1 从开采技术方面預防不均匀沉降

根据矿山压力显现的特点，地表的最大下沉值与煤层的开采厚度成正比。充填开采的机理就在于此。其关键就是利用充填材料填充采空区和煤矿开采产生的空间，这样的话相当于从一定程度上减小了煤层的开采厚度，能够有效减小地表的沉降。常见的充填技术有水砂充填、风力充填法、矸石自溜充填法、带状充填、边界充填等。在两淮矿区新兴的充填技术是膏体充填，其优点是利用两种液体物质注入井下混合后，两种物质相互发生作用，产生膏体状物质，从而达到充填采空区的目的。

采用充填法预防地表沉降无疑耗时费力，在充分研究了煤层覆岩移动规律之后，可以采用以协调开采为核心的变形控制技术来降低地表的沉陷。其技术主要包括上下煤层的协调开采，主要适用于开采厚煤层时可以在厚煤体上下面各开设一个工作面，两个工作面之间保持一定的错距S，两个工作面在推进的时候，产生的变形相互抵消，从而达到减少变形的效果。另外，根据建筑物自身的特点，矩形基础的建筑物长轴方向的抗变形能力总是大于短边方向的抗变形能力，而地表移动变形的方向总是指向采空区。根据这一原理，当工作面通过建筑物底下的时候，可以使工作面的推进方向应该与长轴方向垂直，达到减轻开采对建筑物影响的效果。此外，对于抗压能力较大的建筑物，可采用对称背向开采技术，即将背向对称的两个工作面开设在建筑物的正下方，在开采过程中，建筑物始终受压不受拉，且不产生倾斜。

3.2 从建筑物角度考虑如何预防不均匀沉降

从建筑方面预防不均匀沉降的主要措施有设置沉降缝、设置圈梁、减轻建筑物自重等措施。设置沉降缝的原理主要是将原本独立的长高比过大的建筑分割成独立的沉降单元，从而降低长高比，每一个单元体型简单，结构类型相同，使得这样的沉降单元整体刚度大大提高，达到沉降均匀的目的。沉降缝通常设置在建筑物载荷差别很大处或者是建筑物基础类型不同的地方。设置圈梁的作用在于提高建筑物整体的抗弯刚度，从而提高建筑物的抗弯能力。其目的在于防止墙体产生裂缝和阻止裂缝延伸，圈梁应布置在顶层门窗顶处和基础面附近，每处各设置一道。减轻建筑物的自重主要是为了降低建筑物的基底附加压力，从而降低建筑物地基的变形。常用的方法是设置地下室，目的在于以地下室开挖的土重抵消一部分建筑物的自重。

4 结语

随着经济社会的发展，煤炭作为我国主体能源的地位不会改变。煤炭的开采也朝着大型化、集中化方向发展。如何减少和降低煤炭开采对地表尤其是地表建筑物的影响，应当成为煤矿企业越来越重视的问题。

参考文献

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