煤矿采空区砌体结构的抗变形设计

李进

摘 要：文章通过对煤矿采空区地表变形的描述与分析，详细地探讨了破坏煤矿采空区砌体结构的影响因素，提出了对于采空区砌体结构设计应该采取的一些措施，保证了采空区砌体结构抗变形设计的能力。

关键词：砌体结构；采空区；抗变形设计；构造措施

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.24.058

1 引言

煤炭在我国属于不可替代能源，近年来，随着经济的发展，煤炭需求量逐年增加，造成了煤炭资源的过度开采，同时形成了大量的煤矿采空区。采空区极易发生地面沉陷、地表移动沉陷等矿山地质灾害，可对已有的地面建筑物造成变形、开裂，倒塌等严重后果。为保证矿区的正常生产，及国家推行的绿色、可持续发展矿山建设战略，研究和探讨煤矿采空区砌体结构的抗变形设计是十分必要的。

2 煤矿采空区地表沉陷、移动特征

随着煤矿的开采，采空区逐渐形成、扩大和发展，在特定的条件下会导致采空区上覆岩层与其底板岩层的空间应力平衡状态遭到破坏，使其地表产生较大裂缝、移動和沉陷等破坏形式。总结其特征如下：受煤层开采的影响，采空区上覆岩层发生断裂及破碎，从而引起了原有地表标高、水平位置及坡度的变化。地表标高下沉，可在采空区上方地表形成一个比采空区面积更大的沉降区域盆地，其外边缘区，由于地表沉降的不均匀性，产生了水平拉伸变形，当变形超过地表的承受能力时，地表产生裂缝、台阶或塌陷坑。

3 采空区砌体结构的破坏特征

采空区砌体结构的变形及破坏，是因为地表的沉陷及移动破坏了砌体结构从基础到上部结构原有的受力体系平衡状态，使得砌体结构与地基土之间产生了新的受力体系。在新受力体系平衡状态产生的过程中，砌体结构将产生附加应力，这会导致砌体结构的各组成部分发生不同程度的损坏，从而危及整个砌体结构的安全，严重时会引起砌体结构的倒塌。根据地表沉陷及变形的不同特征，对砌体结构产生的破坏也不一样，具体主要有以下几种破坏特征：

（1）采空区地表的不均匀沉降，会导致部分地表发生倾斜、扭转，这样会使其上的砌体结构同时发生倾斜变形或扭转变形，导致结构的重心发生变化，产生了附加倾覆弯矩及结构内部的附加应力。由此，砌体结构可发生倾斜倒塌或出现纵横向裂缝及变形，砌体结构将被破坏。

（2）采空区地表发生水平位移时，会使砌体结构内部产生相应的拉、压应力。从而导致砌体结构墙壁、基础和门洞口应力集中部位产生裂缝及变形，遭到破坏。

（3）采空区地表的沉陷可分为：均匀下沉和不均匀沉降。其中地表均匀下沉时，砌体结构随地表的下沉，整体沉降，不会产生附加应力，因而不会对砌体结构造成破坏。当地表发生不均匀沉降时，砌体结构会随地表发生的倾斜、扭转和移动而产生附加应力，随之产生倒塌、倾斜和裂缝等变形特征，遭到破坏。

4 采空区砌体结构的抗变形设计

砌体结构有其自身的特点，取材方便，造价低廉、具有良好的耐火性及耐久性、具有良好的保温、隔热、隔音性能，节能效果好、施工简单，技术容易掌握并普及，也不需要特殊的设备。因此，采空区大面积的砌体结构建筑在民居结构中占主要组成部分。而工程实践证明，采空区的地基基础条件、地表变形规律、建筑结构布置和结构体系的选定，对工程建筑物的抗变形性能力有着重要的影响。根据采空区砌体结构的变形及破坏特征，对采空区砌体结构的抗变形及破坏提出几点可行的设计措施。

4.1 采空区砌体结构的建筑设计

合理的建筑形体及布置在煤矿采空区的砌体结构设计中是头等重要的。采空区砌体结构的建筑平、立面设计应尽量简单对称。因为采空区砌体结构破坏表明，简单对称的砌体结构在采空区地表沉陷和移动时较不容易破坏。而且道理也比较简单、清楚，沿砌体结构纵横轴对称布置纵横墙的结构可有效减轻应力重叠、不容易产生较大附加应力，从而造成结构开裂破坏。简单对称的第二层含义是，要求砌体结构的质量中心和刚度中心尽量重合，这样可避免在采空区地表移动时，使砌体结构产生较大扭矩。最后，简单对称的砌体结构比较容易计算其受力、估计其在地表沉陷和移动时的反应，这样可科学的采取抗变形构造措施、细部处理及加固改造。

4.2 采空区砌体结构的结构设计

采空区砌体结构要通过综合分析，采用合理、经济、受力明确、传力途径明晰的静定或超静定结构体系，且该体系的结构抗变形能力要较符合结构在地表沉陷和移动时的结构实际表现。无筋砌体本身是脆性材料，粘结力较差，抵抗拉伸的能力也较差。因而，采空区的砌体结构，在较小的地表沉陷及移动作用下， 就会产生裂缝，只能利用圈梁、构造柱、钢筋混凝土加强带等构造措施和合适的基础去保证砌体结构的整体性和可靠性，使砌体在发生裂缝时，不致崩塌和散落，从而丧失结构承载力。

4.2.1 加强墙体的构造措施

（1）圈梁设计。在煤矿采空沉陷和地表移动区，为增强砌体房屋的空间刚度和整体性，为减少和限制砌体裂缝的发展，增强墙体的抗拉、抗剪能力，必须在砌体结构设置圈梁。多层砌体结构现浇钢筋混凝土圈梁除应按《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）的要求设置外，在实际设计时，还应按以下要求设置：内横墙上的圈梁间距宜比抗规要求的距离适当加密；同一标高处的圈梁应闭合，且应在内外墙处均设置；基础圈梁应在内外墙设置，且布置成闭合的矩形状；当圈梁被门、窗洞口截断时，为不减弱洞口处圈梁的抗拉和抗剪能力，需对洞口上方过梁的配筋进行加强，其配筋面积为圈梁主筋与过梁所需钢筋之和。

（2）构造柱设计。采空区砌体结构，受地表沉陷及移动的影响，其破坏主要发生在墙体水平灰缝，构造柱的设置虽然不能阻止裂缝的产生，但是可以有效减少墙体的水平剪力，从而防止墙体水平裂缝向横向和另一方向发展。为增强房屋的刚度和整体性，加强墙壁的水平抗剪切能力，必须在房屋墙壁的合适部位设置构造柱，构造柱必须与圈梁整体浇筑，其上下端应分别锚固在钢筋混凝土楼、屋盖处圈梁和基础圈梁内。对于采空区砌体结构构造柱的设置除应按《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）的要求设置外，在实际施工图设计时，构造柱均应按比实际设防烈度高一度设防要求进行设置，并在外墙与横墙相交处均设置构造柱。

（3）洞口底部钢筋混凝土加强带的设置。设置了圈梁和构造柱的采空区砌体结构，在地表沉陷时，其破坏主要集中在洞口，其原因是开洞引起的应力集中，因而在洞口下部设置钢筋混凝土加强带（加强带钢筋锚入构造柱）课有效减轻墙体的开裂。

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4.2.2 基础设计

采空区砌体结构的基础应具有一定的刚度、强度、整体性和适应变形的能力，以抵抗地表沉陷和移动时产生的反应，使其尽量减少向上部结构传递。采空区砌体结构的基础可设计成刚性基础、柔性基础及刚柔结合的基础。

（1）刚性基础。采空区砌体结构的刚性基础做法一般有钢筋混凝土条形基础+刚度较大的基础圈梁（需对称配筋）、梁、板式筏形基础、十字形条形基础等，考虑到经济性，一般选用第一种形式。

（2）柔性基础。采空区砌体结构的柔性基础是在刚性基础的做法上衍生而来的一种做法。其一是在砌体上部结构和刚性基础中间设置一层水平滑动层（石墨、聚氯乙烯板、油毡等制作），另外还有建立双板式基础和千斤顶设置升降点式基础等。柔性基础的作用是有效减少地表沉陷和移动产生的反应向主体结构传递。考虑到经济性和施工的难易程度基础，柔性基础很少采用。

5 结束语

煤矿采空区地面沉陷、移动造成的地面建筑物破坏、环境污染等问题日益严重，作为相关的煤矿结构设计人员，在今后的实际工作中，不能仅停留于定量的结构设计分析上，而应该综合考虑多方面的影响因素，例如，通过对矿区采空区建筑物变形和开裂的长期观测，总结其规律及特征，为矿区新建和加固已有建筑物提供必要的科学依据。这样将会更有效的保证采空区砌体结构的设计质量，最终促进我国矿区建设的绿色、可持续性发展。

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