采动区建筑物变形特性研究与工程应用.pdf

西安科技大学 硕士学位论文 采动区建筑物变形特性研究与工程应用 姓名牛宗涛 申请学位级别硕士 专业采矿工程 指导教师余学义 20080415 论文题目 专业 硕士生 指导教师 采动区建筑物变形特性研究与工程应用 采矿工程 牛宗涛 签名 余学义 签名 摘要 矿区开采沉陷造成的地表建筑物损害是开采损害学研究的重要部分。解决开采沉陷 对建筑物的损害既涉及开采前对已有建筑物的加固，也涉及在开采沉陷区进行抗变形建 筑物的建设问题。进行采动区建筑物变形特性分析与应用研究，是经济合理地解决地下 开采与保护地面建筑物矛盾的有效途径之一。课题研究对于合理开发和充分利用地下煤 炭资源，实现矿区的可持续发展具有重要的理论研究意义和应用价值。 本论文在查阅大量国内外研究资料的基础上，分析了煤矿地下开采引起的地表移动 变形与地表建筑物破坏的关系。以开采沉陷学、土力学和结构力学的相关知识为理论基 础，结合大量的工程实践经验，选取一栋典型的无抗保护措施的三层三开间砖砌体建筑 物为研究保护对象。在掌握足够建筑资料和地质资料的情况下，建立起合理的地基、基 础以及上部结构协同作用的有限元数值分析模型。对保护建筑物进行数值模拟计算，得 到了在不同的地表曲率变形作用下，建筑物地基、基础及上部结构的应力应变分布情况 与建筑物破坏规律，并提出了经济有效的加固防护措施，补充了采动区建筑物的变形控 制方法。论文结合攀枝花矿务局小宝鼎煤矿山体建筑物下开采的地表观测数据和建筑物 破坏情况，进行了实例论证，表明采用数值模拟方法得到的结果与建筑物实际破坏情况 相吻合，同时给出了加固措施，为今后采动区建筑物抗变形的加固和设计提供了参考依 据。 关键词采动区；建筑物；移动变形；数值模拟；加固防护 研究类型应用研究 S u b j e c t A n a l y s i sa n dE n g i n e e r i n gA p p l i c a t i o no nD e f o r m a t i o nC h a r a c t e r - - i s t i co ft h eB u i l d i n g sA b o v eM i n i n gS u b s i d e n c eA r e a s S p e c i a l t y M i n i n gE n g i n e e r i n g N a m eN i uZ o n g t a o I n s t r u c t o r Y uX u e y i A b s t r a c t S i g n a t u r e S i g n a t u r e T h ed a m a g ea n a l y s i so ft h eg r o u n db u i l d i n g sc a u s e db yu n d e r g r o u n dm i n i n gi sa n i m p o r t a n tp a r to ft h es t u d yo fm i n i n gd a m a g e ．T os o l v et h eb u i l d i n gd a m a g er e f e r s t o r e i n f o r c eo fi nb e i n gb u i l d i n g sa n dt h ec o n s t r u c to ft h ea n t i d e f o r m a t i o n b u i l d i n g s ． D e v e l o p i n gt h ea n t i - d e f o r m a t i o na n a l y s i sa n da p p l i e dr e s e a r c ho ft h eb u i l d i n g si nm i n i n ga r e a i so n eo ft h ee f f e c t i v ea p p r o a c h e st or e s o l v et h ei n c o n s i s t e n c yb e t w e e nt h eu n d e r g r o u n d m i n i n ga n dt h ep r o t e c t i n go ft h es u r f a c eb u i l d i n g s ．S ot h es t u d yo nt h i ss u b j e c th a sv e r y i m p o r t a n ts i g n i f i c a n c en o to n l yt or a t i o n a l l ye x p l o i t i n ga n df i l l l yu s i n gt h eu n d e r g r o u n dc o a l r e s o u r c e s ，b u ta l s ot oc a r r y i n go u tt h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to ft h ec o a lI n i n e ． T h i sp a p e r , b a s e so nc o n s u l t i n gal a r g en u m b e ro fC h i n e s ea n df o r e i g nr e s e a r c h , p a r t i c u l a r l yd i s c u s s e st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es u r f a c ed i s p l a c e m e n ta n dt h eb u i l d i n g d a m a g e ．A c c o r d i n gt ot h es t u d yo nm i n i n gs u b s i d e n c e 、s o i lm e c h a n i c sa n ds t r u c t u r e m e c h a n i c s ，t h e nc o m b i n e st h e m 谢t ht h ee x p e r i e n c eo fm a n yp r o j e c tp r a c t i c e sa n dt a k e sa t y p i c a lb u i l d i n ga st h ep r o j e c to b j e c tt os e tu par e l e v a n tf i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a lm o d e lo n c o n d i t i o nt h a tm a s t e rs u f f i c i e n ti n f o r m a t i o na b o u tt h ec o n s t r u c t i o na n dg e o l o g i c a l ．T h e n c a l c u l a t et h em o d e la n dg e t st h ed i s t r i b u t i n gc i r c so ft h es t r e s sa n dt h es t r a 虹a n da l s oC a n a c h i e v et h ed a m a g er u l ea b o u tt h eb u i l d i n g ，f u r t h e rm o r ep u tf o r w a r ds o m er e l e v a n tr e i n f o r c e m e a s u r e s ．I ta l s op r o v i d e sas u p p l e m e n tt o t h ed e f o r m a t i o nc o n t r o lm e t h o da b o u tt h e b u i l d i n g si nm i n i n ga r e a s ．A tl a s tr e l y i n go ni n s t r u c t o r ’Sr e s e a r c ho nt h es a f e t ym i n i n gu n d e r M o u n t a i nb u i l d i n g si nt h es m a l lB a o d i n gC o a l m i n eo fP a n Z h i h u aM i n i n gB u r e a ut o d e m o n s t r a t et h em e t h o d ，i n d i c a t et h a tt h er e s u l ti n o s c u l a t e st h ec o n d i t i o no ft h eb u i l d i n g d a m a g e ，a tt h es a m et i m ep u tf o r w a r das u i to fr e i n f o r c em e a s u r e s ．I ta l s op r o v i d e sa r e f e r e n c e g i s tt ot h ea n t i d e f o r m a t i o nd e s i g na n dr e i n f o r c eo f t h eb u i l d i n g si nm i n i n ga r e a ． K e yw o r d s M i l l i n ga r e aB u i l d i n g sD i s p l a c e m e n ta n dd e f o r m a t i o n N u m e r i c a ls i m u l a t i o n T h e s i s A p p l i c a t i o nS t u d y 妻料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科 技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名2 牡毋醐 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即研究生在校攻读学位期 间论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位 论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 ⋯姗繇牡塘⋯撇协 年月E t 1 绪论 h a l “ l i B _ 宣i 置i 暑皇宣置宣置昌暑暑宣一 1 ．1 问题的提出及研究意义 1 绪论 1 ．1 ．1 问题的提出 随着社会的发展和生产技术的进步，人们对能源的需求量越来越大，而煤炭作为我 国的主要能源之一，占一次消耗能源构成的7 0 ％以上，在我国国民经济发展中占有重要 地位。我国国有煤矿“三下一压煤总量超过1 3 3 亿吨，其中建筑物下压煤量达7 8 ．2 亿吨， 占“三下”压煤总量的6 1 ％【l 】。因而矿山开采随之引起的地面建筑物受损破坏问题由来已 久，长期困扰和阻碍着矿区的经济发展和环境保护，给矿区所造成的危害巨大。 地面建筑设施是人类生存与活动的必要条件，一旦遭到破坏，将会造成极大的经济 损失。地下开采后，地表会出现不同程度的变形，这必将引起地面建筑设施不同程度的 变形与破坏，轻者需要加固维修，重者则需拆迁重建。此类问题在一些老矿区尤为突出， 如本溪矿区彩屯矿在6 0 年代开采时就造成矿区医院楼房严重破坏；抚顺矿区由于地面 塌陷，致使挖掘机械厂搬迁、电磁厂房受损、石油一厂设备正常运行能力受到限制等。 此外，地面塌陷对民宅的危害日益严重，特别是地方或个体小煤窑对国有矿区浅部残留 煤柱的开采，由于存在普遍缺乏生产图纸、开采行为不规范等不良环节，更易对民宅造 成破坏，引发民事纠纷，诸如此类现象严重影响着矿区的工农关系，企业及建筑所有者 的经济利益同时受到伤害。 另外，地面建筑设施的损坏必然给矿区生产企业带来巨大的经济赔偿负担，如工业 与民用建筑物的加固维修与重建或是搬迁等，每年均需要投入大量的财力和物力。山东 的兖州矿区每年用于土地的赔偿费就高达6 0 0 0 多万元，近十年累计赔偿费已达2 0 多亿 元，全区需搬迁村庄2 5 3 个，房屋搬迁费预计每村约5 0 0 0 万元，其费用之大不言而喻， 且实际情况是村庄无处可迁【2 J 。面临这一状况，兖州矿业集团正在统筹研究避免村庄搬 迁和减少土地损害的对策。另外皖北矿务局，近几年征迁费用高达4 0 0 0 多万元，约占 全局总收入的四分之一，几乎达到了企业无法承受的地步。因此，本论文拟对采动区建 筑物的变形特性与工程应用进行分析研究，从建筑物保护的方面入手来降低煤矿开采带 来的损害。 1 ．1 ．2 研究的意义 我国有丰富的煤炭资源，煤炭资源储量居世界前列，大小煤田遍布于全国各地。在 煤田上方有数量众多的村庄、工厂和城镇，各矿区都程度不同地存在建筑物下压煤问题。 西安科技大学硕士学位论文 随着社会对能源需求的增加，煤炭生产迅速发展，矿区地表建筑物受损也逐渐增多。对 于采动区地表建筑物的损害防治，国内外科技工作者都做了大量研究，无论在采矿方法 还是建筑物自身结构特征等方面，都取得了丰硕的成果。但是从现场的观测、调查结果 来看，地表建筑物的损害规律并不是与现有的理论十分一致，甚至有的还有出入。基于 此，继续深入地加强对采动区建筑物变形特性的研究就显得极为重要。 因此，进行采动区建筑物变形特性分析及应用研究，是经济合理地解决地下开采与 保护地面建筑物矛盾的有效途径，是解决我国建筑下采煤问题的重要突破口。而且，它 对于合理开发和充分利用地下煤炭资源，延长矿井寿命，挖掘现有矿井的生产能力，增 加煤炭产量具有非常重要的意义。 1 ．2 国内外关于采动区建筑物保护研究的历史、现状及发展趋势 国外的一些国家在这方面的研究工作开展较早，在地表变形的理论和实测，在为减 小地表变形而采取的开采措施的理论和实践，以及在对采空区上方新旧建筑物的补强和 加固的设计理论和方法上面都有较深的研裂3 1 。西德早在在十九世纪末，就开始进行建 筑物下采煤的研究工作，并在挨森、帕哈姆、霍姆贝格等城市下方成功地采出了煤炭； 波兰的建筑物下开采技术在世界上处于领先地位，几十年来已成功开采和正在开采数百 不同类型的建筑物和地下保护煤柱。在理论研究方面，西德的克拉茨 H ．k r a t z s c h 教授发 表了采动损害及其防护一书；波兰也发表了不少理论研究成果，克诺特的地表变形 预计理论已被官方承认，有的还成为国家指导性文件，如受采动影响地面建筑物的建 筑基数等。 我国建筑物下采煤的试验研究工作实际上是从六十年代初期才开始的。几十年来我 国广大科技人员在学习国外先进经验的同时一直在积极探索、试验具有自己特色的建筑 物下压煤开采问题。我国建筑物下采煤工作大致可以分成以下三个阶段1 4 】第一阶段 1 9 7 0 年以前 ，当时由于我国在开采沉陷理论和“三下”采煤技术方面经验不足，矿区村 庄一般比较小，矿区有搬迁地，因而主要采取村庄搬迁的办法对村庄下压煤进行开采； 第二阶段 1 9 7 1 “ - - 1 9 8 5 年 ，此时我国己基本掌握了开采沉陷理论和“三下’’采煤技术，开 始采用采后维修加固的方法进行村庄下压煤开采实验；第三阶段 1 9 8 6 年至今 ，村庄下 压煤试验表明，当煤层开采厚度大，开采深度不太大时，采用大冒顶方法开采村庄下压 煤，很难保证村庄房屋不受到严重破坏，而采用条带法开采，煤炭损失率太大，为此， 我国在“七五”期间积极展开了对适合各种条件下的农村抗变形结构房屋的实地试验。而 农村抗变形结构房屋开采试验的进行，给村庄下采煤带来了一线希望，人们正试图用这 种方法解决部分村庄下压煤的开采问题。 目前世界各国进行建筑物下采煤的保护措施主要体现在以下几方面一是在井下采 取采矿措施，如采用部分开采、充填开采或协调开采等，其目的是尽量减小建筑物所受 2 1 绪论 的地表移动变形；二是对地面建筑物采取结构保护措施，如对建筑物进行加固、修复或 建造抗变形建筑物，其目的是提高建筑物抵抗或适应变形的能力。有时也根据实际情况 将以上方法组合使用，建筑物下采煤的原则是在保证建筑物安全的前提下技术上可行、 经济上合理。 1 ．2 ．1 建筑物下减损控制开采方法的研究现状 建筑物下减损控制开采技术是矿山开采沉陷学的主要研究方向之一。下面笔者将在 综合分析大量文献和探讨国内外减损控制技术的基础上，对部分开采、充填开采、协调 开采、覆岩离层注浆等现阶段经常用到的减损开采方法进行简述。 1 部分开采主要有条带开采、房柱式开采、巷道穿采、限厚开采、留不规则煤柱 等。我国大中型煤矿主要采用条带开采方法，条带开采是将开采煤层划分为条带形状， 按一定的采留比，采一条、留一条，使留下的条带煤柱支撑上覆岩层，以减少地表变形 的开采方法。目前该技术在我国比较成熟[ 5 1 ，运用效果也比较好，我国已在煤层倾角平 均达3 2 9 的情况下采用走向条带开采城市下压煤取得了成功；房柱式开采在我国应用较 少，兖州南屯煤矿已开展此项研究工作；巷道穿采、留不规则煤柱开采方法在我国小煤 窑中普遍使用；限厚开采在我国一些矿区 如皖北局 中得到了应用。 波兰、前苏联部分开采主要采用条带开采【6 】，波兰回采率一般为5 0 “ - 6 0 ％，下沉系 数为0 ．0 5 ～0 ．1 ；有时水砂充填与条带开采配合使用，下沉系数为0 ．0 1 5 “ - 0 ．0 2 英国主 要采用条带开采和房柱式开采[ 7 1 ，英国近年来在浅部大量采用房柱式开采地面建筑物下 压煤，效果也较好。 部分开采方法可以在保护地面建筑物的前提下采出一部分煤炭资源，具有较好的经 济效益，其最大缺点是回采率低，造成资源浪费。 2 充填法开采就是将开采形成的采空区用其它廉价材料进行充填以减小地表移动 变形，主要有水砂充填、风力充填、水力充填等。我国以前曾在多个矿区进行过充填法 开采研究工作，如表1 ．1 所示。近年来，由于充填材料缺少和充填费用较高，吨煤成本 增加约2 0 ％～3 0 ％，且工艺复杂，已经很少采用。但充填法作为一种能有效控制地表移 动变形的开采方法，依然还是受到了众多著名专家和学者的关注。最近有学者[ 8 1 提出了 固体废物膏体充填不迁村采煤的新方法。西安科技大学余学义教授在四川芙蓉矿区采用 矸石自溜充填的方法控制地表移动变形，取得了良好的效果。中国矿业大学教授郭广礼 等[ 9 1 根据荷载置换原理，提出了“条带开采一注浆充填固结采空区一剩余条带开采“ 的 三步法，为进行开采沉陷控制以保护地面建筑物提供了新思路。 波兰充填法开采[ 6 1 主要采用密实水砂充填，砂的含泥率低于1 0 “ - , 2 0 ％，压缩率为5 ～ 6 ％，地表下沉系数为0 ．1 ～0 ．1 5 ；波兰还采用分期开采方法，第一次采用条带开采和水 砂充填，第二次开采剩余条带煤柱，并采用水砂充填处理采空区，两次开采后的下沉系 3 西安科技大学硕士学位论文 数为o ．1 2 , - , , 0 ．1 5 ；英副7 】曾采用风力充填开采缓倾斜煤层，但效果不理想，下沉系数为 O ．5 左右；德国在一般建筑物下采用人工充填、在重要建筑物下采用水力充填，充填材 料为炉渣或经破碎的矸石保加利亚和日本曾采用风力充填开采；法国曾采用水砂充填 开采解决建筑物下采煤问题。 充填法开采效果与充填方法、材料等有关，一般水砂充填效果最好。如果充填效果 好，可以起到保护建筑物的目的，但充填开采使回采工艺复杂化，且增加了开采成本。 3 协调开采就是利用两个煤层 或分层 同时开采所产生的地表变形互相抵消的原 理，来达到减小地表变形的目的。我国峰峰等矿区【l l 】采用协调开采方法开采建筑物下压 煤，应用效果较好。 波兰f 3 】曾采用2 , - - - 3 矿联合开采城市煤柱，进行矿与矿之间的协调开采，以减小地表 移动变形，减轻对采动区建筑物的损害，英国和德国也曾采用协调开采。前苏联协调开 采注重于合理布置工作面，使建筑物位于盆底区域，他们认为，在开采深度大时，应用 长短工作面混合开采的方法是最有效的，即先采一个短工作面，再采一个长工作面，使 建筑物位于地表移动盆地平底部位，减少建筑物所受的变形。 协调开采方法虽然可以减小地表变形，但减小量有限，通常要与地表建筑物保护措 施配合使用。 4 全柱开采主要有长工作面开采、多工作面联合开采等。采用长工作面或多工作 4 1 绪论 面大面积联合开采，可使受保护建筑物下面不出现固定边界，而只出现动态移动边界， 从而有效减缓地表变形。多工作面联合开采的实施，必须具有良好的地质条件和较高的 技术管理经验和组织能力。兖州北宿煤矿【1 2 1 在吴官庄村正下方采用双对拉工作面联合开 采，村庄只受到动态移动变形的影响，最终变形值很小，开采后村庄房屋损害轻微，取 得了良好的经济效益和社会效益。 波兰采用过干净回采、在采空区中不残留煤柱的方法以减小采空区上方的地表变 形。前苏联全柱开采主要考虑深厚比，认为在一定倍数的深厚比情况下，开采引起的地 表变形将不会引起建筑物破坏，并将此深度称为安全开采深度。 全柱开采通常与协调开采一样，减小地表变形量有限，需配以建筑物结构保护措施。 此外，还有连续开采、择优开采、对称背向开采、间歇开采、适当安排工作面与建 筑物长轴的关系等多种开采方法，均可以起到减小地表变形的目的，以上方法有时也配 合使用。 5 覆岩离层注浆煤层上覆岩层是由多层岩层组合而成，其物理力学性质差异较大， 当岩层组合为下软上硬时，煤层采后覆岩在垂直方向上的移动呈现时间和空间上的不连 续性和不同步性，于是产生离层。离层形成后，实时地由地面向离层间隙注入粉煤灰等 充填材料，可以达到减小地表移动变形的目的。 有关离层注浆减沉的最早研究是前苏联，曾有高压注浆减缓地表沉降和变形的专 利波兰试验离层注浆减沉率【1 3 1 为2 0 - - - , 3 0 ％。近年来，我国对离层注浆减沉的方法 [ 1 4 , 1 5 , 1 6 , 1 刁进行了理论和实际应用的研究。在理论方面，研究了离层裂缝发育位置、大小、 工作面最佳开采区间、浆液扩散半径、注浆孔间距等；在实践方面，开展了离层注浆减 沉的工艺、离层注浆减沉率等的现场研究，得到了离层注浆减沉率为3 6 “ - 6 5 ％。我国曾 在多个矿区进行离层注浆充填的开采研究，如表1 ．2 1 1 0 ] 所示，取得了丰硕的成果，但也 存在一些问题，如减沉效果如何评价、浆液扩散半径计算、离层注浆减沉后地表移动计 算方法等，都有待进一步完善。 表1 ．2 国内实施离层带注浆的开采实例 尤其是对于减沉效果的评价，目前多用减沉率来表示，但对于减沉率这一具体指标 5 西安科技大学硕士学位论文 如何确定存在较大争议，杨伦【1 8 1 在考虑了极不充分开采条件的影响对下沉系数进行修正 后再对部分矿区的离层注浆减沉效果进行了重新计算，得到的结论是我国煤矿已经开展 的离层注浆减沉试验的真实效果是1 5 “ - - 2 0 ％，这与波兰的情况比较接近。 1 ．2 ．2 采动区地表建筑物防护措施的研究现状 地面建筑物结构抗变形保护措施很多，但归纳起来主要分为两大类刚性保护措施 和柔性保护措施。刚性保护措施是为了增强建筑物抵抗变形的能力，柔性保护措施是为 了提高建筑物适应变形的能力、减小地表变形引起的建筑物附加应力，其目的都是为了 减轻建筑物的损害，合理的建筑物保护措施应在保证建筑物正常使用的前提下，尽量减 少保护费用。这些措施在实际应用中又分为两种情况一是对已有建筑物采取结构保护 措施，二是对新建建筑物采取抗变形设计保护措施。 1 刚性保护措施刚性保护措施是通过增加建筑物整体或局部的强度和刚度，从而 提高建筑物抵抗变形的能力。对于现有建筑物主要有设钢拉杆、钢筋混凝土顶底圈梁、 基础联系梁、钢筋混凝土锚固板、构造柱、堵砌门窗洞等措施；对于新建建筑物采取抗 变形设计保护措施，主要有设置顶底圈梁、设窗下加强带、基础联系梁、构造柱等。以 上方法在我国得到广泛应用。从1 9 7 8 年湖南资江煤矿建造抗变形俱乐部以来，就地重 建抗变形结构房在我国徐州、峰峰、阳泉、兖州、平顶山等多个矿区得到推广，其中有 农村平房、楼房、窑洞等，总建筑面积达数十万平方米。如徐州庞庄矿在拾西村采用煤 矸石垫高地基就地重建抗变形农村住宅【1 9 】取得圆满成功，既避免了征地和搬迁带来的一 系列社会经济问题、改善了农民居住条件，又解放了大量的煤炭资源、延长了矿井服务 年限，取得了显著的社会效益和经济效益。 波兰【3 】对旧建筑物一般只采取锚固拉杆加固及修补和粉刷墙壁裂缝等措施，有时设 置钢筋混凝土锚固板，以形成强度较高的整体基础，一般用于地表水平变形达1 2 ～ 1 5 m m ／m 时；波兰还采用设置钢筋混凝土锚固拉杆或钢锚固拉杆，以提高建筑物整体刚 度。钢拉杆、钢筋混凝土顶底圈梁和构造柱在前苏联得到应用，前苏联还用废钢丝绳代 替钢拉杆进行建筑物加固，但效果不佳，开采后建筑物仍然出现裂缝。德国二战后在矿 区新建建筑物均采用抗变形结构措施。 刚性保护措施不能从根本上消除和减缓地表变形，是一种被动保护措施。如果地表 移动变形预计或建筑物附加应力计算过大，抗变形设计将过于保守，会导致经济上不必 要的浪费；反之，抗变形结构设计将不足以抵抗地表变形，仍会造成建筑物的损害。 2 柔性保护措施柔性保护措施是在建筑物基础和上部结构上设置弱面、或在建筑 物周围设置变形补偿沟，用以吸收部分采动引起的地表变形、或阻断地表变形向建筑物 的传递和扩展，从而提高建筑物适应变形的能力、减小房屋结构中的附加应力。对于现 有建筑物主要有设变形缝、变形补偿沟、水平滑动层、改变跨空结构的支座形式等措施； 6 1 绪论 对于新建建筑物采取抗变形设计保护措施，主要有设置变形缝、变形补偿沟、水平滑动 层、双板基础、楔形基础等。 变形缝是将较长的建筑物人为分成几个相互独立的单体，使各单体单独均匀沉降， 从而提高建筑物适应地表变形的能力，变形缝技术在采动区建筑物和非采动区建筑物中 都得到广泛使用；变形补偿沟是在建筑物基础外侧l m 左右挖一定深度的沟槽，用以吸 收地表压缩变形，英国是最早在建筑物周围挖变形补偿沟的国家，中国、波兰、前苏联 等均采用了变形补偿沟技术。水平滑动层主要用于新建抗变形建筑物，在我国多个矿区 [ 1 9 , 2 0 ] 得到应用，煤科总院唐山分院在铁法局【2 1 】现有建筑物上设置水平滑动层取得了成 功。英国对新建的抗变形建筑采用带滑缝的双板基础【2 2 1 ，以减小水平变形的影响。前苏 联进行了楔形基础的试验l j J 。 柔性保护措施可以有效地减小水平变形对建筑物的影响，但仍不能解决不均匀沉降 对建筑物造成的危害。 除了以上保护措施外，保护采动区建筑物的方法还有设置千斤顶调整基础、抽砂等， 中国矿业学院在阳泉设计的“百团大战“ 纪念碑采用了千斤顶可调基础。煤科总院在鹤 壁进行了抽砂调整房屋变形的试验。德国还在地基上打释压钻孔以减小已有建筑物的最 大压缩变形值【2 2 l 。此外，兖州东滩矿与煤炭科学研究总院合作研制了可搬迁抗采动变形 盒子房屋【2 3 1 ，并通过了现场试验。这种房屋是由预制成一个房间或几个房间式的单元， 在现场组装使用，具有很高的预制化程度。其最大优点是可以方便地进行搬迁组装，而 不必造成拆除浪费，盒子结构房屋整体强度和空间刚度好，具有很强的抗变形能力，但 初期投资较大。S ．S ．P e n g 【2 4 】等建议新建建筑物设计采用对称结构。B e g l e y l 2 4 1 等 1 9 8 6 提 出采用膨胀接头 E x p a n s i o nJ o i n t s 来对付水平和垂直变形。 以上建筑物保护措施主要是在采前或采动过程中采取的方法，对于受采动影响产生 破坏的建筑物，采后维修也是常用的方法。采后维修的措施主要有支护墙壁和门窗洞、 梁端加支柱、增设扶壁柱、给墙壁裂缝勾缝、抹灰和喷浆、局部拆除重砌等，这些维修 措施在世界各国都得到广泛应用。 1 ．3 本文研究的主要内容、方案和技术路线 1 ．3 ．1 主要研究内容 根据前面对国内外建筑物下减损控制开采技术和采动区建筑物抗变形防护等问题 研究现状和发展趋势的分析，结合部分导师项目如“攀枝花小宝鼎煤矿山体建筑物下安 全开采”、“柏林煤矿滑坡区高层建筑物下煤层控制开采’’和“彬长矿区大佛寺煤矿首 采工作面开采地面建筑物安全研究“ 等，确定本文研究的主要内容如下 1 采动区地表移动变形对建筑物的影响。 7 西安科技大学硕士学位论文 2 有限元软件A N S Y S 对采动区建筑物变形破坏的模拟及分析。 3 采动区建筑物的变形特性分析。 4 采动区建筑物加固防护措施分析。 1 ．3 ．2 研究的方案 关于开采沉陷对建筑物的损害程度，一是取决于地表移动变形量；其次取决于建筑 物在沉陷盆地的位置；三是取决于建筑物本身的结构条件。我国矿区涉及采动损害的建 筑物主要是矿区工业、民用建筑及农村村庄房屋，多为砖混结构楼房、砖混结构平房、 砖木结构及土筑平房等。本课题计划在参阅国内外研究资料，掌握煤矿地表与覆岩移动 变形规律的基础上，利用计算机数值模拟的方法对给定地表移动预计得出的各个参数的 条件下对采动区建筑物进行抗变形能力分析。 1 ．3 ．3 研究的技术路线 首先，本课题将在查阅大量国内外研究资料的基础上，从理论上掌握煤矿地表移动 与覆岩破坏的基本规律，然后根据土力学和结构力学的相关知识，对采动区建筑物的变 形能力进行理论分析研究。 其次，结合一定的工程项目实践，掌握足够的建筑资料和地质资料，在不同的地表 采动损害等级下对采动区典型结构形式的建筑物进行数值模拟，找出采动区建筑物受损 破坏的一般规律。 最后，在以上工作完成的基础上，结合工程实例，对小宝鼎煤矿7 3 6 3 工作面上方 采动区保护建筑物进行理论分析和模拟研究，并提出加固措施。具体技术路线参见下图 资料收集与整理H 理论分析H 有限元数值模拟H 工程应用实例H 结论与思考 开 采 损 害 学 土 力 学 地 基 基 础 结 构 力 学 开 采 损 害 理 论 分 析 有 限 兀 理 分 析 建 立 模 型 输 入 地 表 变 形 值 力日 载 求 解 抗 变 形 能 力 分 析 图1 ．1 论文研究的技术路线图 8 工 程 概 况 分 析 数 值 模 拟 建 筑 物 加 固 设 计 主 要 结 论 尚 待 解 决 的 问 题 2 采动对地表建筑物的影响 2 采动对地表建筑物的影响 2 ．1 采动地表的移动破坏规律 2 ．1 ．1 地表移动破坏类型 地表移动破坏规律是指地下开采引起的地表移动和变形的大小、空间分布形态及其 与地质采矿条件的关系。从时间和空间概念出发，一般将地表移动变形分为连续移动变 形和非连续移动变形两大类型。 地表连续移动变形是指采动损害反映在地表为连续的下沉盆地。在缓斜、倾斜矿床 开采的条件下，当采深与采高比大于4 0 ，开采中采用长壁式全部垮落法管理顶板开采时， 大面积矿柱式支撑法 支撑矿柱具有足够的强度和长期的稳定性 时，全部或部分充填法 时，采动引起地表的移动变形一般为连续分布下沉盆地。 地表非连续移动变形是指采动损害反映在地表为地表出现大的裂缝、台阶下沉、塌 陷坑及漏斗等形式的破坏。在缓倾斜、倾斜矿床开采的条件下，采用长壁式全部垮落法 管理顶板开采且采深与采高比小于4 0 时，房柱式管理顶板开采，采留宽不合理，矿柱 的稳定性差时，矿层上覆岩层内的地质构造破坏严重，有大的地质构造破坏带或较大的 断层等破坏条件时，采动引起地表的损害一般为非连续移动变形。 2 ．1 ．2 地表移动盆地的形成及其特征 地表移动盆地是在开采工作面的推进过程中逐渐形成的。一般当开采工作面离开开 切眼的距离为平均采深 H o 的坛～％时，这种移动开始波及地表，引起地表下沉。然后， 随着开采工作面的继续推进，地表的影响范围不断扩大，下沉值不断增加，在地表形成 一个比开采范围大的多的下沉盆地。 图2 ．1 展示了随工作面推进地表移动盆地形成的过程。当工作面推进至A 、B 、C 、 D 不同位置时刻，对应地表依次出现W A 、W B 、W c 、W D 的移动盆地。它们是随开采工 作面的推进而形成的，故称动态移动盆地 D y n a m i cs u b s i d e n c eb a s i n 。工作面回采结束 后，地表移动还将持续一段时间 一般为0 ．1 a 一- , 4 a ，最终形成下沉值为W 西的稳定盆地， 通常所说的移动盆地就是指最终形成的移动盆地，又称为稳态移动盆地 F i n a ls u b s i d e n c e b a s i n 。 地表移动盆地的范围远大于对应的采空区范围，它的形状取决于采空区形状和矿层 倾角。在移动盆地内，各部位的移动和变形性质及大小不尽相同。在水平矿床开采、地 表平坦并无大的地质构造条件下，最终形成的稳态地表移动盆地可划分为图2 ．2 中所示 9 西安科技大学硕士学位论文 的三个区域。 1 中性区在该区域内地表下沉均匀，下沉达到最大值W m 觚，其他移动变形值 地 表水平移动值U 、倾斜值f 、水平变形值￡、曲率值K 近似等于零，一般不出现明显的裂 缝。 2 压缩区该区域内地表下沉值不等，逐点向盆地中心方向移动，呈凹形，产生压 缩变形，一般不出现裂缝。 3 拉伸区在这个区域内，地表下沉不均匀，逐点向盆地中心方向移动，呈凸形， 产生拉伸变形，当拉伸变形超过一定值时，地表产生拉伸裂缝。 H 图2 ．I 地表移动盆地的形成 图2 ．2 移动盆地的三个变形区 2 ．1 ．3 描述地表移动和变形的物理参数 地表移动变形取决于地表点在时间空间上与回采工作面相对位置关系。描述地 表移动变形的物理参数有下沉 S u b s i d e n c e 、倾斜 S l o p e 、曲率 C u r v a t u r e 、水平移动 D i s p l a c e m e n t 、水平变形 H o 协n t a ls t r a i n 及扭曲和剪切变形 T w i s t i n ga n d S h e a rs t r a i n 。 目前，对于前五种指标的规律研究比较充分，对于扭曲和剪切变形的研究尚处于开始阶 1 0 2 采动对地表建筑物的影响 段。 1 倾斜变形f 地表倾斜往往发生在移动盆地边缘区，它是指相邻点在垂直方向的 相对移动与两相邻点间水平距离的比值，即两点间的平均斜率。地表倾斜对底面积小高 度大建筑物，如烟囱、水塔、高压输电线铁塔影响较大，对于混合结构也有较大影响， 它使建筑物重心