采动影响区房屋损害地表移动变形临界值研究

徐乃忠，高 超，刘 贵，孙万明

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013；3.中国煤炭学会 煤矿开采损害技术鉴定委员会，北京 100013)

采动影响区房屋损害地表移动变形临界值研究

徐乃忠1,2,3，高 超1,2，刘 贵1,2，孙万明1,2

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013；3.中国煤炭学会 煤矿开采损害技术鉴定委员会，北京 100013)

采动影响区地表移动变形通过房屋基础与周围土体的摩擦力传递给上部结构，在房屋墙体内产生附加应力，当移动变形超过墙体的扰动影响最大承受值时，导致房屋拉破坏或压破坏，对采动区地表房屋造成损害。为解决采煤沉陷区矿方与百姓就房屋损害技术鉴定责任划分，以及村庄下开采工作面合理布置与尺寸优化问题，分析了地表水平变形与房屋墙体水平变形的关系，应用多研究手段推导出采动区房屋损害地表水平变形临界值的计算公式；同时引入了房屋损害裂缝角的概念，并提出了该角值的理论计算方法。结果表明：地表水平拉伸变形达到0.61mm/m，而水平压缩变形达到-1.33mm/m，采动影响区房屋墙体将会在薄弱部位出现采动裂缝，从而对房屋造成开采损害；矿区房屋损害裂缝角临界值约为58°，房屋裂缝角介于边界角和移动角之间。

房屋损害；地表移动变形；临界水平变形；墙体附加应力；房屋损害裂缝角

我国煤炭资源储量大、分布范围广，“三下”压煤量大，特别是华北、东北和华中地区。据不完全统计，我国大中型矿井“三下”压煤量达到14Gt，其中建筑物下压煤量为8.76Gt，并且建筑物下压煤量的60%为村庄下压煤[1]。

地面建筑设施是人类生活与生存的必要条件，井下煤矿开采将造成地表出现不同程度的变形，进行建筑物下安全采煤的关键是在建筑物本身抵抗变形能力的基础上，保证建筑物安全使用。地表变形值大于临界变形值后，建筑物会出现不同程度的破坏。国外于15世纪就已涉及建筑物下采煤工作，我国建筑物下采煤的研究试验工作始于20世纪50年代初，经过60余年的研究与实践，形成具有中国特色的建筑物下采煤成果：建筑物下采煤的主要方法有全柱开采、条带开采、房柱式开采、协调开采、限厚开采、充填开采、离层区注浆开采[2]、留设不规则煤柱开采等。

在煤矿沉陷区内，地面建筑物的损害过程是一个动态、复杂的过程，人们也越来越重视煤矿开采造成的建筑物损害问题。在采煤实践过程中，建筑物在薄弱结构部位出现裂缝时的临界状态问题更加受到关注。煤矿沉陷区影响范围内的建筑物墙体出现裂缝时的房屋损害角值与地表移动变形临界值参数的确定，成为一个非常重要的研究课题。

1 国内外建筑物破坏等级与地表移动变形关系

在建筑物本身具有的一定抵抗变形能力特性基础之上，保证建筑物的安全使用是进行建筑物下安全采煤的关键，当地表移动变形对建筑物的影响在建筑物的抵抗变形临界值范围内时，建筑物能够正常使用，且不影响建筑物的外观价值。地表临界移动变形值一般认为是建筑物不出现肉眼可见的裂缝所允许的地表最大移动变形值。在开采建筑物下压覆煤炭资源时，首先对工作面的开采沉陷情况进行地表沉陷预计，再由预计结果参照相关标准评定建筑物损害程度，在此基础上提出相应的井下开采措施或地面建筑物加固措施，最后确定出经济合理的开采方案。由此可见，研究采动区建筑物的临界变形值对于建筑物下安全采煤具有关键性作用。

1.1 我国建筑物破坏等级与地表移动变形关系

在我国煤矿区，村民房屋结构大多数为砖混或砖木结构，少数房屋为窑洞、彩钢、木竹排架或土坯结构，且大多为平房、建筑尺寸小于20m。评定标准与地表移动变形值往往采用《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》[3]中的建筑物破坏等级划分，并按照建筑物损坏程度不同，将建筑物的损坏分为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ与Ⅳ4个等级，但对地表移动变形使得建筑物出现裂缝的最小值没有明确规定。

各区域地质采矿条件、建筑形式与结构形式等不同，建筑物破坏的临界变形值也有所差异。峰峰矿区[4]在文献[3]的基础之上考虑到自身建筑物结构特点、地质采矿条件等应用地表移动变形值大小与总变形指标Δl将建筑物破坏程度划分为轻度、中度与严重3个级别。

合山柳花岭矿区[4]根据砖木结构和土筑墙住宅下的开采经验，得到建筑物破坏等级，并将地表水平变形值<1.0mm/m确定为Ⅰ级变形，将地表水平变形值1.0～2.0mm/m确定为Ⅱ级变形。

根据枣庄矿区和本溪矿区[4]两矿区附近建筑物的结构特征，对毛石条形基础、砖墙、木屋架平瓦屋面的平房受地表沉陷影响的破坏程度及其对应地表点的变形观测分析，以文献[3]为模板、结合本矿区的建筑特征，将建筑物破坏程度进行了分级。

此外，河南鹤壁与焦作、江苏徐州、山西阳泉等多个矿区[5]，也建立了适合本矿区的建筑物破坏等级与地表移动变形对应关系。

1.2 国外建筑物破坏等级与地表移动变形关系

不同国家因建筑物本身特性不同，其临界移动变形值也不尽相同，表1列出了一些国家建筑物的允许变形值。由该表可知，对于地表水平变形对建筑物的损坏等级情况，中国没有就地表水平压缩变形对建筑物的破坏限值给出准确数值。

表1 地表移动变形的限值和建筑物的破坏(保护)等级[4]

波兰将保护煤柱定义为井田煤炭储量资源的一部分，这部分煤炭可以进行开采，但必须采取专门的井下技术开采措施和地面建筑结构加固措施，以确保地面建筑物的完整性。

2 房屋水平变形临界值的确定

房屋基础受地表移动变形影响将部分值传递给上部房屋墙体，由于房屋具有一定承受地表附加应力变形影响的能力，故地表移动变形不能等同于房屋墙体移动变形。井下煤层采出后，地表形成下沉盆地，当研究分析房屋的临界损害变形值时，对于矿区建筑多是农村百姓自建的住宅建筑，因其房屋具有基础较小、长度较小、高度较小等特点，下沉、倾斜变形、曲率变形对房屋的影响程度较小，且房屋多抗压不抗拉，因此应主要研究地表的水平变形值与房屋保护等级限值的关系。

地表水平变形是引起房屋破坏的重要因素，水平变形对房屋的影响程度与地表水平变形值、房屋结构、房屋平面尺寸、房屋建筑材料、施工质量、基础深度、基础类型等多因素有关。地表水平变形通过周围土体与房屋基础的摩擦力而传递给墙体结构，使房屋墙体内产生附加拉应力或压应力，导致房屋产生拉破坏或压破坏。煤矿开采沉陷引起的地表水平变形有被动土压力产生水平压缩变形和由地基土摩擦力引起的水平拉伸变形之分。

2.1 地表水平变形与房屋墙体水平变形关系分析

应用我国各矿区民房墙体与地面移动变形的实测数据，开采沉陷学科相关学者[6-7]通过数理统计回归得出煤矿区村庄房屋墙体水平变形ε墙与地表水平变形ε地之间的关系。

民房墙体拉伸变形与地表拉伸变形之间的关系为：

ε墙=0.7465ε地-0.1780

(1)

民房墙体压缩变形与地表压缩变形之间的关系为：

ε墙=0.2876ε地-0.1033

(2)

村庄下采煤对房屋的破坏程度主要取决于地表水平变形值及房屋的抗变形能力，不同的地表水平变形值、房屋结构对房屋的影响程度存在差异。房屋下安全采煤的关键是对采动区房屋损坏程度进行正确评定。目前，采动区房屋损坏评定的主要依据是房屋墙面裂缝大小。

采煤影响区农村房屋多为毛石带形或圈梁基础的普通烧砖砌体结构房屋，建筑形式和建筑结构较为简陋；与钢结构、钢筋混凝土结构房屋相比，农村房屋抵抗地表水平变形的能力较差。由于房屋抗拉伸能力远小于抗压缩能力，因此较小的地表水平拉伸变形就能使房屋沿砖砌体的结合缝或房屋的薄弱结构点(如房梁连接处、预制板间)产生拉张裂缝。

2.2 墙体附加应力计算

确定煤矿采动区房屋破坏地表水平变形临界值的关键是确定采动区房屋地基反力大小与形式，从而合理地确定采动区房屋破坏时地基土对房屋地基的侧压力与基底压力大小。

2.2.1 采动区房屋地基侧向压力计算

对于中等密实度的砂质黏土，由于采动影响至地表地基土时，当土体达到被动极限平衡状态时，由摩尔-库伦准则可得主应力表达的极限平衡方程[8]：

(3)

式中，σ1与σ3分别为最大和最小主应力；c为土的黏聚力；φ为土的有效内摩擦角。

房屋地基土压力也由两部分组成：第一部分由土的自重应力γz产生，该值与深度z成正比，房屋地基土顶面z=0时，地基土压力为0；地基土底部z=h时(h为房屋地基的深度)，地基土压力为γz·tan2(45°+φ/2)，因此这部分地基土压力呈线性三角形分布，如图1中的ABC部分。第二部分由地基土的黏聚力产生，大小为2c·tan(45°+φ/2)，为一常数，与深度z无关，因此该部分土压力呈矩形分布，如图1中的ABDE部分。

图1 地基土压力分布示意

取采动影响区房屋地基单位长度进行梯形面积的计算，得到房屋地基承受土总的侧向压力F1为：

(4)

2.2.2 采动区房屋墙体基底压力计算

煤矿采动影响区房屋承重墙一般是24墙(墙体砖的厚度24cm)，抹灰及饰面层一般不受力。农村房屋多坐北朝南，前墙为南墙均设计有窗户，屋顶多以木梁、预制板或砖石拱将屋顶应力传递至房屋山墙，并且经研究表明该类建筑屋顶荷载传递至前后墙的载荷不超过全部载荷的6%[9]。

通过近些年来煤矿开采损害技术鉴定委员会相关工作人员现场实测资料可知，由于房屋结构设计因素影响，采动影响区房屋的南面墙窗户顶部或门过梁顶部墙体裂缝最明显也最容易出现裂缝。因此以房屋南墙为研究对象，在不考虑其他地质条件与缺陷因素的影响下，房屋墙体单位长度基底压力F2约等于南面立墙的自重应力，可表达为

F2=ρ(H+h)

(5)

式中，ρ为房屋墙体的重度，kN/m3，H为房屋的墙体高度，m。

2.3 地表水平变形临界值的计算公式推导

沉陷区影响范围内，地表水平变形通过基础与周围地基土产生的摩擦力而将部分变形值传递给墙体结构，在房屋墙体内部产生附加拉应力或压应力，房屋墙体将沿着墙体的薄弱结构环节产生裂缝，给房屋外表美观、使用功能及安全稳定性造成不同程度的损坏。采动区房屋地基摩擦力f的计算公式为

f=μ·N

(6)

式中，μ为地基土与房屋地基的摩擦系数；N为地基土对房屋地基的压应力。

受采动影响房屋墙体内部的局部附加应力σ可表示为

σ=f/A

(7)

式中，A为研究房屋墙体薄弱部位的面积。

在地表水平变形产生的附加应力情况下，沉陷区房屋墙体出现应变，当应变值集聚到一定程度就会在房屋墙体出现肉眼可见的采动影响裂缝。房屋墙体的应变ε墙可记为

ε墙=σ/E

(8)

式中，E为研究房屋砌体墙的弹性模量。

(9)

(10)

(11)

当取得煤矿区建筑房屋地基土的相关参数情况下，一方面可以结合开采沉陷地表预计方法，确定各个工作面周边对应地表位置的水平变形值，应用该计算公式指导工作面的合理设计与规划，从而防止井下工作面回采对矿区地表房屋的开采沉陷损坏；另一方面可以应用该计算公式解决矿区与地方百姓的开采损害技术鉴定责任划分问题，同时为划定出受井下工作面采动影响房屋裂缝范围提供技术依据。

2.4 应用实例

山西省朔州市某矿区49206工作面北部建有村庄，大部分房屋建于20世纪80—90年代，房屋结构类型主要有土拱窑结构、砖混预制板结构与砖木结构3种类型；我国华北地区河北、河南、山东、山西等省份房屋墙体高度、墙体厚度和窗户尺寸大体相等，且多为老式建筑，房屋尺寸形似性较高。该区域房屋的墙体高度H约为3.0m，房屋地基的深度h约为0.7m，主房多坐北朝南，南墙墙体厚度n为0.24m，最大单间跨度l为4.5m，窗户宽度m约为1.8m。

经试验测定[10-11]与相关规范[12]得到地基土的重度γ为18.5kN/m3，有效内摩擦角φ为24°，黏聚力c为42kPa，地基土与地基的摩擦系数μ为0.45，普通烧砖砌体墙的弹性模量E为3200MPa，普通烧砖墙体的重度ρ为24.0kN/m3。

由此可知，在煤矿采动影响作用条件下，地表水平拉伸变形达到0.61mm/m，而水平压缩变形达到-1.33mm/m，采动影响区房屋墙体将会在墙体的薄弱部位出现采动影响裂缝，从而对房屋造成开采损害。

3 房屋损害裂缝角临界值的确定

移动角[12]对应沉陷区地表临界变形值为水平变形2mm/m，倾斜变形3mm/m与曲率变形0.2×10-3/m中最外侧点，在移动角范围之外的地表仍存在一定程度的移动与变形，有可能导致房屋产生极轻微或轻微损坏；我国多数矿区民房采用的建筑结构抵抗变形能力较差、施工质量不满足要求，也可能产生轻度损坏。因此，在进行煤矿开采损害技术鉴定与地表沉陷预计时，应根据不同情况区别对待。

如果以边界角[13]为房屋损害判定依据，则圈定的影响范围将较大，且不符合国家相关煤炭合理开采政策。为保证矿区房屋损害技术鉴定科学公正，矿方与百姓双方均能接受，为此，提出了房屋损害裂缝角的概念：在接近充分采动或充分采动条件下，将地表沉陷盆地主断面上距离工作面最近且不产生裂缝的房屋，与对应的工作面开采边界相连，和水平面在煤柱一侧的夹角称为房屋裂缝角。房屋裂缝角介于边界角和移动角之间，今后进行煤矿开采损害技术鉴定与井下工作面的开采规划时，建议采用房屋损害裂缝角作为房屋是否受采动影响损害的判断依据。

对于下沉盆地范围内沿煤层走向方向任意点水平变形公式为

(12)

对于下沉盆地范围内沿煤层倾向方向任意点水平变形公式为：

(13)

式中，b为水平移动系数；Wcm为地表最大下沉值；θ为开采影响传播角；iy(x,y)为沿倾向方向的倾斜变形值；r为主要影响半径;η，ζ分别为开采单元的横纵坐标值。

应用公式(12)与(13)，在取得该矿区开采沉陷计算参数(下沉系数q，水平移动系数b，主要影响角正切值tanβ与开采影响传播角θ)的情况下，即可根据该矿区的房屋墙体水平拉伸变形临界值求得该矿区的房屋损害裂缝角临界值。

山西省朔州市某矿区49206工作面参照朔州矿区多个煤矿的地质采矿条件，可以确定该矿区的综合边界角约为52～56°，综合移动角约为69～72°。应用上述公式求得该矿区房屋损害裂缝角临界值约为58°。房屋裂缝角介于边界角和移动角之间。

4 结 论

(1)阐述分析了国内外建筑损害与地表移动变形值的关系、不同损害级别对应不同的地表变形值的划分标准。

(2)在采动影响区地表水平变形与房屋墙体水平变形关系的基础上，应用多研究手段推导出采动区房屋损害地表水平变形临界值的计算公式。

(3)取得了普通烧砖结构房屋墙体出现裂缝损害时，所对应的地表水平变形临界值：地表水平拉伸变形临界值为0.61mm/m，而水平压缩变形临界值为-1.33mm/m。

(4)引入了房屋损害裂缝角的概念，并结合概率积分法计算公式提出了该角值的理论计算方法，得到采动区房屋损害裂缝角临界值约为58°，并且房屋裂缝角介于边界角和移动角之间。

[1]郭文兵.煤矿开采损害与保护[M].北京：煤炭工业出版社,2013.

[2]徐乃忠,张玉卓.采动离层充填减沉理论与实践[M].北京：煤炭工业出版社,2001.

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[6]谭志祥,邓喀中.建筑物下采煤理论与实践[M].徐州：中国矿业大学出版社,2009.

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[12]GB50203-2011砌体结构工程施工质量验收规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2011.

[13]何国清,杨 伦,凌庚娣,等.矿山开采沉陷学[M].徐州:中国矿业大学出版社,1991.

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[责任编辑：邹正立]

Study of Surface Movement Deformation Critical Value of House Damage in Mining Influence Area

XU Nai-zhong1,2,3，GAO Chao1,2，LIU Gui1,2，SUN Wan-ming1,2

(1.Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China； 2.Mining Institute，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China； 3.Coal Mining Damage Technology Authentication Board，China Coal Society，Beijing 100013，China)

Surface movement deformation of mining influence area was transferred to upper structure by house base and friction of surround soil，and additional stress appeared inner wall body of house，when movement deformation exceed the largest loading value of wall disturbance，then house would appeared pull or push failure，and surface house of mining area would damage.In order to solve responsibility division of mine and command people to house damage technology authentication in mining subsidence area，and some problems like mining working face layout and size optimization under village，then the relation between surface horizontal deformation and house wall horizontal deformation was analyzed，and the concept house damage fracture angle was put forward，and its theory calculation method was put forward also.The results showed that when surface horizontal tensile deformation was 0.61mm/m，and horizontal compress deformation was -1.33mm/m，then house wall would appeared mining fracture in weak part，then house would damaged，the critical value of mine area damage fracture angle was about 58°，it between boundary angle and moving angle.

house damage；surface movement deformation；critical horizontal deformation；wall additional stress；house damage fracture angle

2016-11-21

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.04.017

国家科技重大专项：煤与煤层气协调开发模式及技术的优化集成应用(2016ZX05045-007)

徐乃忠(1961-)，男，江苏建湖人，博士，研究员，博士生导师，主要从事开采沉陷研究与应用方面工作。

徐乃忠，高 超，刘 贵，等.采动影响区房屋损害地表移动变形临界值研究[J].煤矿开采，2017，22(4)：65-69.

TD823.83

A

1006-6225(2017)04-0065-05