淺談村莊建筑物下開采方法

王 凱

(山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán) 中岳煤業(yè)有限公司，山西 晉城048003)

0 引言

中岳煤業(yè)有限公司位于晉城市澤州縣大陽鎮(zhèn)，井田6.685 3 km2，為資源整合礦井，井田批準(zhǔn)開采3、9、15 號(hào)煤層，其中9、15 號(hào)煤層含硫量較高煤質(zhì)差價(jià)格低，就目前的市場情況無開采價(jià)值，3 號(hào)煤層煤質(zhì)優(yōu)價(jià)高但大部分資源在整合前被小煤窯破壞，僅有少部分整片煤資源位于井田范圍王家莊等村莊下，為提高礦井資源回收率，提高礦井效益，所以我礦決定對(duì)村莊建筑物下煤炭進(jìn)行開采。地下開采引起巖層與地表移動(dòng)，在其影響范圍內(nèi)建筑物會(huì)受到損害或破壞。為充分采出煤炭資源又維持建筑物的安全使用，必須研究建筑物下允許開采的條件和采煤方法。

建筑物下開采的地表移動(dòng)變形一般可分為五類:下沉、傾斜、水平移動(dòng)、曲線變形等，地表下沉與變形的性質(zhì)不同對(duì)建筑物的影響差異很大，選擇適合的開采方式，能夠減少開采引起的地表下沉與變形對(duì)建筑物的影響

1 地下開采巖層移動(dòng)的一般特征

地下開采破壞了巖體原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，使采空區(qū)周圍的巖層乃至地表產(chǎn)生移動(dòng)和變形，由于地質(zhì)和開采的條件不同，巖層和地表的移動(dòng)和表現(xiàn)形式、分布狀況和程度大小也各不相同，就煤層的開采來說，采空區(qū)的巖層移動(dòng)和變形一般為采空區(qū)上部頂板的彎曲下沉、斷裂、垮落。開采后上覆巖層垮落、移動(dòng)與變形一般形成三帶即冒落帶、裂隙帶和整體彎曲下沉帶，彎曲移動(dòng)下沉帶可直達(dá)地表。開采深度、地質(zhì)構(gòu)造、采煤方法、采煤工作面的開采高度和推進(jìn)速度對(duì)巖層移動(dòng)與地表變形有重要的影響，采用全部充填法管理頂板時(shí)，上覆巖層只出現(xiàn)裂縫和整體移動(dòng)帶，沒有冒落帶，可有效地減少地面變形與破壞，開采薄煤層時(shí)，垮落帶可直達(dá)地表，對(duì)地面建筑物產(chǎn)生較大的影響，開采薄煤層時(shí)，有的頂板是塑性較大的巖層，巖層能夠緩慢下沉，或只出現(xiàn)整體移動(dòng)下沉帶，使地面下沉與變形比較平緩。

2 地表移動(dòng)和破壞的主要形式

地下開采對(duì)地面的影響最終形成地表變化，主要有以下三種形式:

1)形成地表盆地。采用長壁夸落法開采時(shí)，隨著開采面積增大，巖層移動(dòng)范圍相應(yīng)增大，當(dāng)開采面積達(dá)到一定范圍時(shí)，巖層移動(dòng)將波及地表，使地表產(chǎn)生移動(dòng)和變形，采煤工作面開采結(jié)束，地表移動(dòng)穩(wěn)定后，在開采區(qū)域上方形成一個(gè)比開采范圍大的沉降區(qū)，這就是地表盆地。

2)裂縫。開采深度不大時(shí)或受地質(zhì)構(gòu)造影響，地下開采后巖層移動(dòng)，在地面形成裂縫，這些裂縫會(huì)對(duì)地表建筑物造成嚴(yán)重影響。

3)臺(tái)階狀塌陷盆地。對(duì)厚煤層放頂煤開采，由于采出煤層的厚度很大，頂板圍巖短時(shí)間的蹋陷的高度很大，傳遞到地面可造成地表出現(xiàn)臺(tái)階狀塌陷盆地，對(duì)地表破壞嚴(yán)重。

3 地表移動(dòng)和變形對(duì)建筑物的影響

1)地表下沉對(duì)建筑物的影響。一般來說，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(huì)產(chǎn)生附加應(yīng)力，因而對(duì)建筑物本身不會(huì)產(chǎn)生破壞，但對(duì)主要管道線路其破度造成變化，四周的防水可能造成損壞，特別是由于地表下沉使地下水相對(duì)上升，可造成建筑物長期積水或過度潮濕，就會(huì)對(duì)建筑物的強(qiáng)度造成影響，以至于影響建筑物的使用。

2)地表傾斜的影響。地表傾斜建筑物隨之歪斜，重心偏移，影響其穩(wěn)定性，而且承重結(jié)構(gòu)內(nèi)部將產(chǎn)生附加應(yīng)力，基礎(chǔ)的承壓也會(huì)發(fā)生變化，特別是基礎(chǔ)底面積小而高度大的建筑物，如水塔、煙囪、高壓鐵塔等，對(duì)于由地表傾斜帶來的比較敏感，必須進(jìn)行強(qiáng)度和穩(wěn)定性的核算，另外，熔鐵爐、鍋爐房、成排房對(duì)地表傾斜比較敏感，必須檢驗(yàn)地表傾斜變形對(duì)它們的工藝流程和技術(shù)安全的影響。

3)地表移動(dòng)的影響。地表水平移動(dòng)是地表在水平方向的移動(dòng)，但兩點(diǎn)之間沒有相對(duì)的位移，一般來說，當(dāng)建筑物所處的地表出現(xiàn)均勻移動(dòng)時(shí)，對(duì)建筑物沒有產(chǎn)生附加力，因而對(duì)建筑物不產(chǎn)生破壞，在實(shí)際開采過程中，純粹發(fā)生的水平移動(dòng)較少。

4)地表水平變形的影響。地表水平變形是地表兩點(diǎn)之間產(chǎn)生的相對(duì)位移，對(duì)建筑物的影響較大，地表的水平變形通過建筑物的底面和側(cè)面，使建筑物受到附加的拉伸和壓縮應(yīng)力，由于一般建筑物抵抗拉伸變形的能力小，在較小的拉伸力的作用下，建筑物的薄弱部位就會(huì)出現(xiàn)裂縫，如果地表的壓縮變形量較大，則可能使建筑物的墻體受到擠壓而破壞。

5)地表曲率對(duì)地表的影響。由于曲率的變形，可使地表產(chǎn)生突起或凹陷的曲面，建筑物的底面出現(xiàn)懸空狀態(tài)，如果建筑物強(qiáng)度和剛度較小，或因地基堅(jiān)實(shí)，建筑物基礎(chǔ)不能壓入地基，則房屋將出現(xiàn)裂縫，以至于破壞。

4 減少地下開采對(duì)地面建筑物影響的措施

總原則是:減小地表變形值;避免在建筑物下方形成永久性的開采邊界，以免使建筑物處地表出現(xiàn)較大的永久性變形。常用以下措施:

1)充填采煤法，當(dāng)?shù)孛娼ㄖ锉容^重要，對(duì)地表的下沉有嚴(yán)格的限制，可考慮采用此方法，充填法是填充開采空間，控制上覆巖層的下沉，減小地表變形的一種方法。填充物可以是碎石、水砂等。在充填法中，條帶充填是常用的一種充填方式。條帶充填能提高煤炭的采出率，并保證建筑物的安全。

2)采用房柱法開采，在開采安全煤柱時(shí)，用房式采煤法，僅采出煤房的煤，不進(jìn)行煤柱的開采，能夠有效的減少地面下沉量。

3)采用條帶開采法。條帶開采是將被開采煤層劃分成比較正規(guī)的條帶的形狀，隔一條采一條，使得留下來的條帶煤能夠很好地支撐起上覆巖層的分量，避免地表產(chǎn)生大的移動(dòng)和變形。條帶開采技術(shù)一般有兩種方法:長壁的條帶開采和短壁間隔條帶開采方法。長壁的條帶開采是指工作面布置為長壁工作面，順著推進(jìn)方向，實(shí)行間隔開采。短壁間隔條帶開采是將工作面布置為短壁條帶進(jìn)行開采，隔一個(gè)工作面開采一個(gè)工作面。

4)減少一次開采煤厚，減少開采高度，可有效地減緩地表下沉強(qiáng)度對(duì)建筑物的影響程度。

5)擇優(yōu)開采 開采多煤層時(shí)，為取得經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，可不遵循由淺而深的開采順序，選擇對(duì)保護(hù)建筑物有利的煤層先采。

6)選擇有利的開采方向 當(dāng)建筑物在平面上位于采區(qū)中央時(shí)，應(yīng)使長壁工作面平行于建筑物長軸方向，當(dāng)建筑物位于采區(qū)之外時(shí)，使長壁工作面垂直于建筑物長軸方向。盡量避免使長壁工作面與建筑物軸向斜交。

7)現(xiàn)有建筑物采取加固措施，如設(shè)置補(bǔ)償溝，在建筑物的周圍1～2 m 的位置開掘變形補(bǔ)償溝，它能夠吸收地表的壓縮變形。最好將其設(shè)在墻邊和墻突出的部分，而且溝的長軸方向要與水平變形方向垂直，溝深要低于基礎(chǔ)底面15～20 cm。在補(bǔ)償溝內(nèi)填充爐渣、鋸末等可以壓縮的松散物，在上部要采取溝幫支承措施，防止進(jìn)水、塌幫。對(duì)長度較大的房層增設(shè)變形縫，將房屋分割成長度不超過20 m 的能獨(dú)立地適應(yīng)地表變形的獨(dú)立單體;對(duì)設(shè)置加固圈梁和鋼錨固拉桿，以加強(qiáng)房屋單體的剛度和強(qiáng)度;對(duì)新建房屋必須修建在采煤地區(qū)時(shí)，應(yīng)在設(shè)計(jì)中對(duì)建筑物整體或局部構(gòu)件采取結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施。

5 結(jié)語

煤礦的地下開采會(huì)引起地表的移動(dòng)與破壞，其主要影響因素有采煤方法、采出厚度、開采深度、巖層與煤層產(chǎn)況、頂板管理方法等。在煤礦采空區(qū)的建筑物損害則主要是地表的下沉、傾斜、水平移動(dòng)、曲線變形等以及建筑結(jié)構(gòu)抗變形的能力來決定。防護(hù)和治理建筑物損壞的方法應(yīng)該視具體情況而定。要充分協(xié)調(diào)煤炭回采率與建筑物安全之間的關(guān)系，保證地表的建筑物與生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)煤礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展。