建筑物下開采技術(shù)理論基礎(chǔ)

賈靜麗　陳娟濃　肖藏巖　薛曉光　孫亞輝

摘要：為了進(jìn)一步促進(jìn)建筑物下采礦學(xué)科的發(fā)展，采用查閱大量文獻(xiàn)資料和綜合分析的方法，從地下開采對地表建筑物的影響和如何減少地表移動和變形等方面進(jìn)行了全面的總結(jié)。建筑物下開采已成為許多礦區(qū)面臨的主要問題，嚴(yán)重制約著礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展，因此，進(jìn)行建筑物下開采的研究具有十分重要的意義。

關(guān)鍵詞：建筑物下開采 建筑物變形 地表變形

0 引言

在礦產(chǎn)資源日益短缺的情況下，“三下”礦山的開采對我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著重要的意義。如位于邯鄲市武安境內(nèi)的云駕嶺鐵礦，其上部為云駕嶺村莊和玉石洼鐵礦生活區(qū)。該礦地質(zhì)儲量2641萬t，礦石平均品位為46.51％，是我國賦存量不多的高品位鐵礦石，在國際鐵礦石價(jià)格大幅增長和我國大量進(jìn)口的情況下，該礦的開采有利于解決國內(nèi)鐵礦石的緊張局面。建筑物下開采已成為許多礦區(qū)面臨的主要問題，嚴(yán)重制約著礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展，因此，進(jìn)行建筑物下采煤研究具有十分重要的意義。

1 地下開采對地表建筑物的影響

地下采礦對地表的影響主要有垂直方向和水平方向的移動和變形，包括下沉、傾斜、曲率。不同性質(zhì)的地表移動和變形，對建筑物的影響是不同的。地表產(chǎn)生的移動和變形，破壞了建筑物與地基之間的初始平衡狀態(tài)，同時(shí)力學(xué)平衡重新建立，使建筑物產(chǎn)生附加應(yīng)力，從而導(dǎo)致建筑物發(fā)生破壞。地表移動和變形對建筑物的影響主要分以下六種：

1.1 地表下沉對建筑物的影響 一般地講，當(dāng)建筑物所處的地表出現(xiàn)均勻下沉?xí)r，建筑物中不會產(chǎn)生附加應(yīng)力，因而對其自身就不會帶來損害。但當(dāng)?shù)乇硐鲁亮枯^大，地下水位又很淺時(shí)，如果因此而使?jié)撍簧仙?，造成建筑物周圍長期積水或使建筑物過度潮濕，改變了建筑物所處的環(huán)境，降低了地基的強(qiáng)度，這就會影響建筑物的使用，在特別不利時(shí)，甚至可能造成建筑物的破壞或廢棄。

1.2 地表傾斜對建筑物的影響 地表傾斜后，將引起建筑物的歪斜。由于建筑物的傾斜，在建筑物自重形成的偏心荷載作用下，產(chǎn)生附加應(yīng)力距，承重結(jié)構(gòu)內(nèi)部將產(chǎn)生附加應(yīng)力，地基的承壓力也將重新分布。特別是底面積小而高度很大的建筑物（如水塔、煙囪、高壓輸電塔等），地表傾斜的更為明顯。

1.3 地表曲率對建筑物的影響 地表曲率變形表示地表傾斜的變化程度。由于出現(xiàn)了曲率變形，地表將由原來的形狀變成曲面形狀。這樣，建筑物的荷載與土壤反力間的初始平衡狀態(tài)遭到了破壞。在正負(fù)曲率作用下，各有兩種情況，一種是房屋全部切入地基，另一種是房屋部分切入地基。房屋受正負(fù)曲率影響下，將使地基反力重新分布，因而使建筑物在豎直面內(nèi)附加的彎距和剪力的作用，其值如果超過建筑物基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度極限時(shí)，建筑物就會出現(xiàn)裂縫。在正曲率作用下，房屋在中央所產(chǎn)生的應(yīng)力大于原有應(yīng)力，易在建筑物的頂部中間出現(xiàn)裂縫；在負(fù)曲率作用下，房屋兩端地表應(yīng)力增大，易形成底部中央裂縫。

1.4 地表水平變形對建筑物的影響 地表水平變形對建筑物的破壞作用很大，尤其是拉伸變形的影響，較小的地表拉伸變形就能使建筑物產(chǎn)生裂縫。由于建筑物抵抗拉伸能力遠(yuǎn)小于抵抗壓縮的能力，所以較小的地表拉伸變形就能使建筑物的產(chǎn)生開裂性裂縫。一般在門窗洞口的薄弱部位最容易產(chǎn)生裂縫，磚砌體的結(jié)合縫，建筑結(jié)點(diǎn)易拉開。

1.5 剪切變形對地表建筑物的影響 當(dāng)建筑物處于下沉盆地的主斷面上，但其方位與回采區(qū)段的走向斜交，或者建筑物處于下沉盆地非主斷面地區(qū)時(shí)，在地表剪切變形作用下，房屋的縱墻基礎(chǔ)將產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動，從而使房屋改變了原來的形狀。

1.6 扭曲變形對地表建筑物的影響

由于兩個(gè)橫墻處的地表傾斜值不同，導(dǎo)致了地表沿建筑物的縱軸中心線產(chǎn)生了扭曲變形，這使建筑物出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)變形。

由以上分析可知，使建筑物產(chǎn)生破壞和變形的原因是較多的，但主要原因是曲率和水平變形的影響。往往在它們的影響作用下，使采動地區(qū)地面建筑物磚墻上出現(xiàn)裂縫，而裂縫是建筑物受地表變形影響出現(xiàn)的最普遍的破壞現(xiàn)象。

2 減少地表移動和變形的開采措施

在建（構(gòu)）筑物下采礦時(shí)，當(dāng)預(yù)計(jì)的地表變形超過建筑物能承受的變形時(shí)，應(yīng)從開采方面采取合適的技術(shù)措施，以減少地表變形值。

2.1 防止地表突然下沉 在一定的開采深度以下，進(jìn)行建（構(gòu)）筑物下采礦，需要查明建筑物下方是否有老窯、廢巷、巖溶、老井等空硐以及它們填實(shí)程度。如果這些空硐未填實(shí)而充滿積水，應(yīng)采用灌漿等方法將空硐填滿，排除積水，防止開采疏干老空積水疏降巖溶含水層水位而造成地表突然塌陷。

2.2 減少地表下沉 在一般開采深度條件下，減少地表變形的途徑是減少地表下沉值，減少地表下沉的開采措施主要有：采用充填采礦法，減少地表下沉，其減少程度取決于充填方法和充填材料。合理確定采寬和保留礦柱寬度是關(guān)鍵問題，留寬過大，采出率低，留寬過小，礦柱易遭破壞；采寬過大，地表可能出現(xiàn)不均勻下沉，對保護(hù)建筑物不利，采寬過小，則回采率低。

2.3 消除或減少開采影響的不利影響 當(dāng)幾個(gè)礦層或同一個(gè)礦層的幾個(gè)部分同時(shí)開采時(shí)，根據(jù)它們的工作面相互位置關(guān)系，每個(gè)工作面的開采影響可能是互不聯(lián)系的，也可能是彼此重疊的。如一個(gè)工作面水平拉伸變形和第二個(gè)工作面的水平拉伸變形疊加，使地表出現(xiàn)的水平拉伸變形值大大增加。

2.4 消除或減少開采邊界的影響 保護(hù)礦柱很大時(shí)，一般應(yīng)連續(xù)不停頓地進(jìn)行回采，避免在礦柱范圍內(nèi)形成永久性的開采邊界，使本來只承受動態(tài)變形的地表發(fā)展到承受靜態(tài)變形，對建（構(gòu)）筑物造成損害。經(jīng)驗(yàn)表明，在有斷層、采區(qū)邊界、階段或水平邊界時(shí)，容易形成回采工作面的長期停頓和永久性邊界。因此，應(yīng)在斷層兩側(cè)，事先做好開拓準(zhǔn)備工作，盡可能地保證回采工作連續(xù)進(jìn)行。

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