地下開采巖體移動對礦區(qū)建筑物安全影響研究

孫明亮

（銅源國際工程設(shè)計研究有限公司，河北 秦皇島 066000）

近些年來，地下礦場開采所引起的巖體移動變形問題已經(jīng)有了新的進(jìn)展，目前專家學(xué)者針對開采礦所引起的地表變形和線路等特征問題展開了模型試驗研究做了三維有限元綜合分析，依據(jù)采礦地表變形規(guī)律產(chǎn)生的位移情況做了價值結(jié)果導(dǎo)向分析，以此來確定巖層對應(yīng)的移動變形問題。在此期間，可采用有限單元法和有限差分法進(jìn)行數(shù)值計算深入，以便探討巖體移動變形對礦區(qū)建筑物的安全性影響[1]。因此本文主要依據(jù)彈性力學(xué)理論探討礦山安全生產(chǎn)以及礦山建筑安全，并得出對應(yīng)的建議。

1 地下開采巖體移動國內(nèi)外研究情況

巖體移動所產(chǎn)生的影響是巖石力學(xué)領(lǐng)域中的主要研究課題，主要是因為其與國民經(jīng)濟(jì)、基礎(chǔ)建設(shè)、資源開發(fā)、環(huán)境保護(hù)以及減災(zāi)防災(zāi)等具有重要具有十分重要的聯(lián)系。國內(nèi)對巖體移動所產(chǎn)生的預(yù)計分析展開了多樣化的研究工作，并取得了較多價值性成果。但是在工程開挖時，若是其引起了地表移動，那么比較常采用預(yù)計分析方法作為地表移動變形預(yù)計方法。目前人們可通過論證覆巖巖性與地表最大下沉值之間的聯(lián)系，預(yù)計地表最大下沉值位置，優(yōu)化設(shè)計地表客體安全生產(chǎn)情況，逐步減少基礎(chǔ)理論的局限，使預(yù)期結(jié)果與實(shí)測結(jié)果之間相符[2]。通過相關(guān)研究，人們知道了覆巖的巖性與地表移動變形值之間存在較大聯(lián)系，一般來說，影響傳播方向與其也有影響情況，礦城傾斜角度越大，移動變形值越大，二者之間的長度方向接近于垂直向上，在開采時要采取合理的措施減小地面移動取值，提升地面建筑物的安全應(yīng)用。即使地表移動研究已經(jīng)取得了較可觀的結(jié)果，但還存在著一些問題不太確定，研制出新穎的科技以及其他工藝作為工程施工的主要載體。

2 地下開采巖體地表移動變形研究方法

（1）可變形連續(xù)固體力學(xué)法。在研究過程中，大部分的工作者都致力于將地表下沉以及水平移動規(guī)律的數(shù)學(xué)模式進(jìn)行模型測驗和計算。其中阿維爾森給出了對應(yīng)的地表下沉盆地剖面圖形公式，這一公式是學(xué)者計算地表移動的主要公式。但該種公式是依據(jù)經(jīng)驗所總結(jié)出來的，概念上局限性強(qiáng)，很難說明巖體移動的本質(zhì)以及內(nèi)在聯(lián)系，沒有形成系統(tǒng)性的研究理論，只能用于計算一些實(shí)際、簡單問題，存在用途局限情況。用可變形連續(xù)固體力學(xué)或者彈性組合模型所研制出來的巖體移動力學(xué)公式，一直受到相關(guān)學(xué)者的重視，已經(jīng)取得了部分客觀研究。

（2）隨機(jī)介質(zhì)力學(xué)模型。隨機(jī)介質(zhì)力學(xué)理論是由波蘭學(xué)者所提出，在20世紀(jì)60年代引入國內(nèi)的一種力學(xué)研究方法，已經(jīng)在各礦區(qū)進(jìn)行地表移動預(yù)計時被廣泛應(yīng)用。該種方法所產(chǎn)生的隨機(jī)介質(zhì)理論模型十分可靠，推導(dǎo)過程嚴(yán)密，可用于理論分析以及編程結(jié)算，實(shí)現(xiàn)對下層盆地的精確描述。經(jīng)過長期性的修改以及補(bǔ)充，該項模型理論已經(jīng)能適應(yīng)大多數(shù)的地質(zhì)變形情況，屬于成熟性的地表移動以及變形預(yù)計方法。

（3）計算參數(shù)確定方法。隨著地表參數(shù)確定方法的不斷改進(jìn)，目前有三種方法比較常用，即為工程類比法、反分析法及模型模擬分析法，第二種方法受到更多人群的關(guān)注和重視。反分析法中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究方法是一種非線性的研究方法，其可利用非線性系統(tǒng)特征，使單個神經(jīng)元功能全面調(diào)整，形成神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。目前已有的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可分為三類，且該項神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，可將共性有問題自主探索，了解相關(guān)領(lǐng)域的概念特征，使巖石力學(xué)采礦工程在各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測地下采礦所引起的地面移動情況，采用多層線性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將大量實(shí)測資料以及數(shù)據(jù)訓(xùn)練和測試，把巖石參數(shù)作為主要輸入變量，地表移動參數(shù)作為輸出變量，實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中移動參數(shù)的分析。

3 礦區(qū)開采時對地表穩(wěn)定性的影響

（1）對上覆巖層以及開采深度的影響。通過對有限元軟件的使用，設(shè)置了相應(yīng)的模型，綜合的考慮礦區(qū)地下開采過程中對地面建筑物造成的影響。一，對開采深度會造成影響。在開采的過程中，深度一直在增加，這樣地表沉陷就會逐漸的減小，最大水平變形也會逐漸的變小，但是下沉盆地的具體范圍也在持續(xù)的擴(kuò)大，與此同時，變得非常的平緩。第二，對上覆巖石的性質(zhì)造成影響。在巖石硬度增加的條件之下，表面的最大垂直位移以及最大水平位移都會出現(xiàn)減小的情況。在復(fù)合巖層當(dāng)中，下硬上軟的沉降位移將會小于水平運(yùn)動的具體位移，下沉盆地的地形趨勢處于平緩的狀態(tài)。

（2）地面建筑物存在一定的沉降情況。在實(shí)施礦區(qū)開采的過程當(dāng)中，或多或少會對地面建筑物的穩(wěn)定性造成一定的影響，甚至?xí)沟媒ㄖ锍霈F(xiàn)倒塌的情況。因此，在礦區(qū)實(shí)施一定的地下采礦時，一定要對地形進(jìn)行嚴(yán)格的測量，并謹(jǐn)慎的對礦區(qū)采礦情況實(shí)施處理，保持好深度以及建筑物之間的穩(wěn)定關(guān)系。除此之外，在采礦當(dāng)中，出現(xiàn)的地面沉降曲線動態(tài)可以顯示出具體沉降過程以及范圍的變化。采礦業(yè)一直在持續(xù)的發(fā)展，下沉位移逐漸的增加，影響范圍也會變得非常大，最大下沉位移在發(fā)展中向采礦方向進(jìn)行發(fā)展，數(shù)值計算結(jié)果以及現(xiàn)場實(shí)踐處于基本吻合狀態(tài)。

（3）表面運(yùn)動。在礦區(qū)實(shí)施水平開采的過程中，活動面盆地存在這些特征：活動面的盆地處于采空區(qū)的正上方，處于盆地的中心位置與該區(qū)域的中心處在同一條直線上。除此之外，地面移動盆地的形狀以及采空區(qū)處于對稱的情況。如果采空區(qū)屬于矩形，那么活動池的平面形狀屬于橢圓形。移動盆地的內(nèi)邊緣以及外邊緣之間的邊界大致處于采空區(qū)邊界的正上方，或者略有一定的偏離。

4 礦山開采巖體移動的損害

礦體被開采出之后，采礦區(qū)周圍的巖體自然應(yīng)力以及覆巖層內(nèi)部的原始應(yīng)力的平衡狀態(tài)會受到嚴(yán)重破壞，巖層內(nèi)部應(yīng)力在經(jīng)過重新分布之后可達(dá)到新的應(yīng)力平衡。在此期間，會使得巖層以及地表產(chǎn)生連續(xù)性的移動變形和非連續(xù)性的破壞，該種行為在地質(zhì)學(xué)上被稱之為是開采沉陷。由于國內(nèi)的煤炭資源豐富，煤田分布區(qū)域廣，國內(nèi)的礦區(qū)環(huán)境問題日益突出，故要正確認(rèn)識和處理開采沉降與環(huán)境保護(hù)之間產(chǎn)生的矛盾。礦石開采所產(chǎn)生的巖石移動會影響著周邊區(qū)域的生態(tài)環(huán)境，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境中出現(xiàn)嚴(yán)重地質(zhì)災(zāi)害以及耕地破壞，甚至還會引起地面建筑物損壞等情況，因此，該種問題已成為了環(huán)境工程與地質(zhì)研究中的主要問題。采礦工程在地面中所產(chǎn)生的影響會影響建筑工程跟水系，例如建筑物房屋地基傾斜、交通排水管道變形、水流設(shè)備損害等情況。隨著地下開采工作面的移動，建筑物的巖層原始應(yīng)力平衡受到損害，采礦頂板的變形過程呈現(xiàn)出兩種完全相反的變形情況，采礦過程中產(chǎn)生較為出現(xiàn)明顯的彎曲下沉帶，使礦場在啟動過程中出現(xiàn)大范圍的下沉，降低開采礦物的厚度，使后續(xù)采礦的不安全施工直接會影響建筑物安全、水體耕地、鐵路橋梁等。

5 提升礦區(qū)建筑物安全舉措

（1）應(yīng)用減沉技術(shù)。在提升礦區(qū)建筑物安全過程中，首先要選擇合理的礦區(qū)開采方式，應(yīng)用減沉技術(shù)以及開采技藝。目前比較普及以及認(rèn)可的開采工藝主要分為三種，即為條帶開采、填充開采以及覆巖離層注漿技術(shù)等。條帶開采是指開采一條礦道留存一條礦道，應(yīng)用支撐頂板來減小地表的沉降和變形。隨著開采深度的不斷擴(kuò)大，需要采用大條帶來滿足開采中地表建筑物的基本需求，克服狹窄開采區(qū)域的生產(chǎn)效率，滿足現(xiàn)場條帶的開采效率。填充開采則是利用推進(jìn)的工作面用材料填充采礦空礦區(qū)，減少地表出現(xiàn)降沉情況。一般來說，填充材料大多數(shù)為水泥和砂漿，應(yīng)用該種材料進(jìn)行填充，所獲取的效果最好，地面沉降減少率可達(dá)到70%～80%，但由于材料的填充成本高，一般只會用于重要建筑物下方的區(qū)域進(jìn)行填充。第三種方式則是近些年來新產(chǎn)生的方式，主要是指通過下離層內(nèi)一定量的漿液達(dá)到地表降沉目的，但前提要具備對應(yīng)的巖層條件。

（2）應(yīng)用減變形技術(shù)。在提升礦區(qū)建筑物安全過程中，需要重視設(shè)計工作面之間的距離位置以及開采順序，使不同工作面地表變形做好相互抵消，減少由于采礦所引起的地表移動變形或者靜態(tài)變形情況。在設(shè)計工作面長度、邊界以及推進(jìn)方向確定時，需要定期或者不定期開展工作面設(shè)計延展工作。在間歇性開采工作時，需要開采完煤層之后，等待地表移動穩(wěn)定之后再開采另外一個煤層進(jìn)行動態(tài)處理，減小地表中存在的動態(tài)變形值，以此達(dá)到保護(hù)建筑物的目的。在連續(xù)開采時，還需要確保工作面的連續(xù)均勻推進(jìn)，使得工作面不會殘留煤柱，減小地表中的不均勻下沉情況，實(shí)現(xiàn)建筑物的安全與保護(hù)。

（3）做好建筑物的維護(hù)。在提升礦區(qū)建筑物安全過程中，需要根據(jù)實(shí)際情況定期或者不定期對建筑物進(jìn)行維護(hù)與保養(yǎng)，采取簡單且實(shí)用的方法在地表變形值不大時進(jìn)行優(yōu)先處理，在雙方關(guān)系較好時優(yōu)先采用新方法，在等級適應(yīng)的區(qū)域綜合處理，確定賠償標(biāo)準(zhǔn)。對質(zhì)量好且十分重要的建筑物，除了需要定期維修之外，還要做好傾斜加固，降低建筑物的結(jié)構(gòu)與地基糾傾工作，應(yīng)優(yōu)先迫降糾傾。對于結(jié)構(gòu)好的建筑物，要在地表水平變形為4～6每秒?yún)^(qū)域應(yīng)用加固措施進(jìn)行保護(hù)，增設(shè)筋混凝土圈梁、柱設(shè)置變形縫隙，做好緩沖工作。由于建筑物常常受到水平拉伸變形等影響，故需要增強(qiáng)建筑物的維修與加固，降低建筑物的使用壽命以及價值，降低受力抵消情況，減少建筑物水平壓縮變形值以及裂縫等情況，以免出現(xiàn)區(qū)域瓷磚等的松弛。在對建筑物進(jìn)行保護(hù)時，還需要確定建筑物之間的采用使用情況，選擇高質(zhì)量的材料進(jìn)行綜合工程施工，并對礦區(qū)做好支撐性的保護(hù)處理。

6 結(jié)語

綜上所述，現(xiàn)階段國家越來越重視地下開采巖體移動對礦區(qū)建筑物的安全影響。為了進(jìn)一步的降低地下開采巖體移動對礦區(qū)的影響，需要根據(jù)實(shí)際情況完善礦區(qū)應(yīng)用措施，選用剛性混凝土結(jié)構(gòu)做好地基處理工作，降低地基的下沉差，尋找出影響礦區(qū)建筑物安全的因素，依據(jù)原因制定針對性的管控措施，避免巖體移動導(dǎo)致的裂縫產(chǎn)生等情況，助推保護(hù)礦區(qū)建筑物工作。