榆林煤矿采空区地表建筑物损坏及防治的研究

2018-06-05李建亮

建材与装饰 2018年23期

李建亮

（榆林职业技术学院陕西榆林 719000）

1 研究背景

随着榆林煤炭资源开采速度的加快，形成了大规模的采空区，这些煤系上覆岩层的原始应力平衡被破坏，失去支撑的周围岩层，从采空区外围向内逐渐移动，煤系上覆岩层跟着产生变形、分层、裂缝甚至彻底破坏坍塌，造成非常严重的开采沉陷损害。例如：神木市目前矿区已形成采空区面积480多平方公里，火烧隐患区4km2，且每年新增采空塌陷面积约40km2。采空区沉陷使地表出现裂缝，造成了地表建筑物不同程度的损害。

图1 采空区地表建筑物损坏图

2 地表建筑物损坏因素分析

2.1 开采沉陷对建筑物的影响

井下采煤会促使岩层的原始应力遭受破坏，进而导致应力的重新分布，在应力重新达到平衡前，整个地层都在不断发生着变化，岩体产生移动、变形会使地表相应的也产生移动、变形，从而将会影响到地面建筑物的安全稳定，会使地面建筑物出现裂缝、倒塌等现象。

2.2 地表不均匀下沉对建筑物的影响

不均匀的地表下沉会使建筑物的地基反力重新分布，建筑物上也会产生相应的附加应力，另外假设地表的下沉量过大，地下潜水位又高，建筑物的地基就容易受到水的浸泡软化，从而就会影响到建筑物的安全，使建筑物易发生裂缝、下沉或倾斜倒塌。

2.3 倾斜对建筑物的影响

地表倾斜会造成建筑物也随之产生倾斜，进而会引起建筑物结构内力的重新分布，另外建筑物在自重的作用下会产生水平分力和弯矩，同时在倾覆力矩的作用下，建筑物构件上和地基中的应力状态发生变化，这样就会使建筑物由于承重结构或地基的承载能力不足以及重心偏移失去稳定性而造成损坏。

2.4 地表曲率对建筑物的影响

由于地表曲率变形，地表将由原来的平面变成曲面形状。在正曲率的作用下，房屋中央反力最大，称为加载区，两边成为卸载区，这样使建筑物的两端处于“悬空”状态；而在负曲率的作用下，房屋的两边成为加载区，中间成为卸载区，这样建筑物的中间处于“悬空”状态。这两种状态都改变了建筑物各部分原来的力平衡，在地基力重分布的影响下，建筑物墙壁在竖直面内受到附加弯矩和附加剪力的作用，使房屋结构弱面处产生裂缝。

2.5 地表水平变形对地表建筑物的影响

地表水平变形对建筑物会产生巨大的破坏作用，尤其是受到拉伸变形的影响。由于建筑物抵抗拉伸能力比较低，当地表水平拉伸变形大于1mm/m时，在一般砖石结构的砖砌体的结合处、门窗洞口等薄弱部位会出现裂缝。

3 地表建筑物几种常见的裂缝

3.1 斜裂缝

斜裂缝是一种常见的由地表变形引起的建筑物墙上裂缝。它是由于地表曲率变形引起的剪力作用，使墙体出现主拉应力强调不足而引起的现象。斜裂缝常见于建筑物的门窗洞口附近，和两端的窗间墙和水平砌体带上。

3.2 墙身顶部竖向裂缝

在一些没有设钢筋混凝土圈梁或水平配筋砌体带的建筑物墙身顶部会出现墙身顶部竖向裂缝。这种裂缝往往出现在建筑物纵墙上，沿墙壁长度方向主要分布在墙身的中部，裂缝上宽下窄，开始发生在墙身顶部，然后沿竖直方向向下发展。

3.3 窗台墙上竖向裂缝

窗台墙上竖向裂缝的特点是上宽下窄，大多是从窗台开始向下扩展。窗口越宽，则裂缝也越大。这种裂缝一般出现在建筑物的中间部分，而两端较少。

3.4 砖过梁上竖向裂缝

这类裂缝多数出现在砖过梁中部，特点是在门窗洞口边缘处较宽，向上发展，越往上越窄，常见于建筑物的中部，两端出现的比较少。

3.5 窗间墙上水平裂缝

这类裂缝一般在门窗洞口的上下水平处出现，特点是在门窗洞口边缘处宽度较大，而裂缝的上下部砌体则一般不会产生错动。

3.6 勒角上竖向裂缝

这类裂缝宽度具有上宽下窄的特点，一般是在窗台墙的下部勒角上出现。这类裂缝经常和底层的窗台墙上竖向裂缝连在一起。

4 采空区地表建筑物损害的防治措施

采空区形成促使地表建筑物原来的原始应力状态发生变化，进而导致建筑物出现变形损坏。所以我们要从两个方面来防治这种损害，以保证建筑物的安全稳定，一方面是及时对采空区进行有效处理；另一方面是建筑物本身要及时处理。

4.1 针对采空区地面塌陷的防治措施

①在采矿塌陷区域建立起岩移观测站，用于长期观测地表岩层位移情况，积累大量的观测资料，总结得出采矿塌陷区的岩移预计参数和地表移动角量参数，运用相关概率学算法计算出某点的沉陷值，从而预测地面塌陷情况。②针对采空区地面塌陷，应该以防为主，并注意防治结合。如果等塌陷形成并造成危害后才着手开始治理的话，随着开采量的不断增加，采空区的面积也会不断扩大，最终陷入“塌陷-搬迁-塌陷”的恶性循环。所以要在采空区形成塌陷之前也就是在开采前就提前考虑好预防措施，并在开采时中运用各种减塌陷技术和措施，有效的防治方法有断层破碎带注浆法、填充采矿法、条带采矿法等。

4.2 采空区上部建筑物抗变形及加固

提高采空区地表建筑物的抗变形能力主要应该注重地基和基础及建筑上部结构的设计方案。

（1）基础方案的选择。要求采空区的建筑物基础要有足够的刚度、强度和承载力，同时还应具备一定的适应变形的能力，以抵抗或部分吸收地表变形，常见的基础设计有柔性方案、刚性方案或者二者结合的设计。柔性方案就是指在基础与地基之间，或者基础与墙体之间设置滑动层，滑动层可用石墨、油毡、砂垫层等制作，实践证明滑动层对吸收水平变形是很有效的。刚性方案就是设计刚度大的基础圈梁、檐口圈梁或钢筋混凝土柱等构件组成空间骨架，从整体上来提高建筑物的空间刚度，稳定墙体，来抵抗地基变形而造成的附加应力，预防墙体裂缝。这类结构的优点是对抵抗较大的地表变形、不均匀沉降有显著的效果。

（2）建筑物结构设计选型。在结构选型时要注意静定与延性结合、结构的整体性与可靠性，平立面设计应当遵循对称、整齐、均匀、低矮等设计原则。

（3）建筑物结构构造措施。在地表建筑物上安置钢筋混凝土圈梁；设计时要尽量减小房屋的长度尺寸，既有效保护建筑物的完整性，又可以降低工程造价；当地表变形较大时，可以设计筏板基础或者双板基础等整体性好的基础。设置变形缝能有效减少采空区地面的不均匀沉降。

（4）采取设置墙壁与构造柱、地表变形缓冲沟、应用可升降点式基础等设计措施，将使地基持力层、基础、建筑物三者有效结合，共同协调工作。