建筑物下采矿的抗变形设计方法.pdf

四川测绘 2 0 0 2正 建筑物下采矿 的抗变形设计方法 蒙子武 四川省煤 田地质局， 四川成都6 1 0 0 7 2 [ 摘要] 本文探讨丁从建筑物下开采矿产资源的可行性方案， 提出了受到采动破坏影响 的建 构 筑物应 当采取的地面防护措施 及地下采区设计 的基车要 求 ， 介 绍 丁保护矿柱 强度和稳定性计算方法， 简述了地表移动预计方法及房屋保护程度估计， 最后 ， 介绍丁一 个实际例子。 [ 关键词] 建筑物； 保护； 设计 [ 中图分类号] T D 1 7 [ 文献标识码] B [ 文章编号] 1 0 0 1 8 3 7 9 { 2 o c e 0 1 0 0 3 8 0 2 ME T HOD O F MI N I NG DE S I GN U NDE R S URFACE S TRUCI URES MENC Zi WL 1 1 引言 由于国民经济需要大量煤炭 ， 以及采矿企业 的生存和发展， 导致建筑物下、 铁路下及水体下 即“ 三下” 采矿活动逐渐广泛地 开展起来。“ 三 下” 开采话动引起地表沉陷 包括下沉、 倾斜变形、 曲率变形、 水平移动、 水平变形及非连续变形等形 式 ， 对地面建筑物、 铁路及水体产生破坏影响 ， 严 重威胁着人 民的生命 及财产安全 。例如 ， 由于受 铁路下小铁 矿开采 破坏影 响， 在成 昆线 某处路基 发生突然坍塌， 形成塌陷坑造成列车停运事故。 近年来 ， 由于 “ 三下” 开采活动造成 的地 表沉 陷已 经成为矿区最严重 的环境 问舾 和社会 问题 ， 房屋 受损、 铁路塌陷、 水体流失等严重事故时有发生， 由此产生的矛盾尖锐复杂 ， 愈来愈严重地干扰 了 矿区人们正常生活和生产活动。由于我国有很大 一 部分矿产 资源被压在建筑物下、 水体下 和铁路 下， 若采用搬迁的方法来开采， 由于成本太高而行 不通。如何安全地开采 出“ 三 下” 资源 ， 不仅涉及 到正确处理好矿 山生产和地方经 济发展之间的关 系． 而且直接影响到资源开发 的合理性 ， 同时也关 系到乡镇企业的顺利发展。 2 采区抗变形设计要点 在建 构 筑物下采矿 的基本要求 有两 点 一 是要尽可能地多采出矿产资源， 二是要确保地面 建筑设施的安全使用。通常要求在开采过程 中和 停采以后不得对地面建 构 筑物造成破坏影响， 例如， 房屋不能出现较大裂缝和地表不能出现塌 陷积水坑， 即建筑物不能超过 I 等级破坏 墙壁上 收稿日期 2 0 0 2 0 1 一 o 7 不出现或仅 出现少量宽度小于 4 n Ⅱ n的细微 裂缝 ； 地表变形值不 超过 下述规定 倾斜变 形值 i ≤ 3 ． 0 m m／ m， 曲率变形值 k ≤0 21 0 _ ’ ／ m， 水平变形 值 e ≤2 ． 0 m m ／ m 。因此， 在进行抗变形设计时主 要从两个方 面进行考虑 ， 一是井下 开采方案 的选 择 ， 二是对地面建 构 筑物采取 防护措施。 井下煤层 开采设计方案的基本要求通常应包 括以下几点 1 留设煤柱的宽高比要大于 5 ； 2 煤层 开采条带 的宽度小于 开采深度 的十 分之一到四分之一 ； 3 煤 柱可承受 的极 限载荷大于煤柱 实际承 受的载荷 ； 4 井下留设的煤柱应较为完整， 避免零碎分 散 ； 5 保护煤柱宽度大 于保护煤柱条带宽 度极 限值 6 充分考 虑复杂地质构造对 地表 的不 利影 响； 7 进行地表移动预计及房屋保护程度估计 。 在开采煤 层的上覆岩层 中， 如果冲积层所 占 的厚度较大 ， 基岩的厚度较小 ， 那 么， 煤层的直接 顶板垮落后 ， 基岩所起的岩梁控制作用则较低 ， 而 冲积层将随着基岩发生移动和变形 ， 这样就会对 地表产生较大的破坏影响。同理 ， 煤层埋 藏愈浅 ， 开采影响愈易传播到地表， 且影响愈严重。开采 急倾斜煤层 时， 严禁超限放煤而产生 出较大 的采 空区。对于厚煤层应 当采用分层 开采 法， 间隙时 维普资讯 第 2 5 卷第 1 期 蒙子武建筑物下 采矿 的抗变形设计方法 问最好太 于每分层 的采动时阈。另外 ， 应 注意断 层对地面建 构 筑物表现出来的开采影响异常现 象， 特别 是 在断层露 头处 ， 地面将 出现集 中变形 区， 表现特征为地面产生大裂缝和台阶状塌陷坑， 显然 ， 位于此处 的建筑设施将要遭受更为严重的 破坏。若要 考虑在断层处留设 保护煤柱 ， 则其煤 柱宽度 a ， 其中 H为煤层埋藏深度， 8 为移动 角。这样计算出来的 a 值一般很大。因此， 通常 在断层附近采用部分开采法或充填法， 不能让顶 板出现大范 围垮落 ， 避免岩层移动过程 由断层面 传递到地面而引起非连续变形。 3 地面建 构 筑物 防护措施 在我国大部分矿区， 地面建 构 筑物分布密 集 ， 主要有居民点 、 工矿企业、 街道、 学校等， 建筑 结构特征和类型复杂多样， 主要有以下几种 1 无基础， 砖坯墙或与卵石混合墙体， 木粱 檐 ， 人字木屋架 ； 2 片石基础 ， 砖或毛石墙体 ， ， J 、 瓦或灰渣顶 ； 3 毛石条型基础， 砖墙， 钢筋混凝土预制板 顶 ； 4 钢筋水泥基础及框架结构， 砖体墙身， 钢 筋混凝土预制板顶。 建筑物的形状、 底面积以及层数也是千差万 别。要在地面上对这些建筑设施采取行之有效的 防护措施 ， 应当根据具体情况进行分析， 主要考虑 以下几方面 1 对于一些待建的工程项目， 实行先采煤后 建设的方针 ； 2 将建筑设施搬迁到不受采动影响的地区； 3 为了防治塌陷积水， 修建排洪渠道； 4 在建筑物周围挖变形掏， 中和、 吸收地表 移动变形值 ； 5 将长条型建筑物分割成独立的小单元体； 6 加设千斤顶槽和支座； 7 设置钢筋混凝土基础圈粱、 檐 口圈梁和锚 固拉杆 ； 8 在大型建筑物中间设置变形缝； 9 撤除建筑物附加结构， 使其平面图形简 单。 此外， 应重点注意对一些高大、 干打垒旧式、 静不动结构 特别是拱形结构 及位于下沉盆地拐 点附近建 构 筑物的防护。 4 保护煤柱强度和稳定性计算 采用部分开采法留设的保护煤柱要确保其强 度指标和稳定性 ， 不能 出现破碎垮塌现象。通 常 需要进行以下几项验算 1 在单向受力状态 下， 保护煤柱条带宽度极 限值 A 9． 8 b T H ≥ 式中， 为开采煤层上覆岩层 的平均密 度， m 3 ； H为煤层开采 深度， m； R 为煤层 的允许抗压 强度， k P a ； b为煤层采出部分宽度 ， 1 T I 。 2 三向受力状态下， 保护煤柱能承受的极限 荷载值 P 4 ． 0 T H[ a L一4 ． 9 2 aL MH1 0 3 2 ． 2 8 H 1 0 一 ] 式 中， M 为煤层厚度 ， m； L为保护煤 柱长 度 ， m ； a 为保护煤柱宽度， m。 3 三向受力状态下， 保护煤柱实际承受荷载 值 P P礼[ H a b H一 0 ． 8 3 3 b ] 4 煤层开采宽度与开采深度之比 K l K1 b ／H 5 煤柱 留设宽度与开采煤层厚度之 比 K K 2 a ／ M 6 安全系数 Ka P ／P 5 地表移动预计选点 在进行地表移 动预计 时 ， 如果本矿 没有 预计 参数， 则利用类 比法选择预计参数 ， 并且尽量选用 附近相似地质采矿条件下煤矿 的岩移预计参数 。 对于待预计的地表点选择有以下几点须注意 必须选择重要地物特征点 ； 要在受护范围内全面选点 ； 在地表移动与变形最大值处选点； 所选待预计点的计算方向应该是房屋长 轴方向或出现地表移动变形最大值的方向。 然后 ， 把预计 出的地物特征点移动 变形 最大 值与“ 建筑物、 水体、 铁路及主要井巷煤柱留设与 压煤开采规程” 进行比较 分析其值是否小于相应 结构建筑物的破坏等级 中规定 的 I级保护等级 。 如果满足这个条件 ， 则在正常开采情 况下建 构 筑物可以安全使用 ， 否则应重新进行采区设计 。 6 一个实例 某矿新采区位于某镇下， 需要进行 “ 建筑物 下” 采煤抗变形设计， 以确保地面建筑设施的正 常 、 安全使用。该采区地面人 口稠密 ， 房屋建筑材 下转第4 7页 维普资讯 第 2 5卷第 1 期 关注职业资格证书制度促进劳动者素质全面提高 心； 5 向鉴定指导中心提供鉴定报告， 对考评小组的工作提出评价意见； 6 协助鉴定指导中心办理证书 手续， 并负责向鉴定合格者发放职业资格证书； 7 负责鉴定的咨询服务和信息统计等工作。 测绘行业特有工种职业技 能鉴定 四川站 测绘行业特有工种职业技能鉴定四川站 ， 是 2 0 0 0年 3月经国家测绘局申报 ， 劳动和社会保障部劳社 培就司[ Z 0 0 1 5 号文件批准成立的测绘行业特有工种职业技能鉴定站， 负责四川省行政区域内测绘行业 特有工种从业人员的职业技能鉴定工作 现有从测绘行业单位选拔的考评员 3 O 多名， 并经国家测绘局职 业技能鉴定指导中心培训考核， 取得了劳动和社会保障部颁发的“ 职业技能鉴定考评员” 资格证书。 测绘职业分类 ， 按照 中华人 民共和国职业分类大典 ， 测绘职业所含工种如下 I ． 大地测量工 包括天文测量工 、 重力测量工 、 三角测量工、 水准测量工 、 G P S测量工等 ； 2 摄影测量工 包括航测外业测量工、 航测外业调绘工、 航测内业测量工、 航测内业加密工 、 航测内业 照相工等 ； 3 地图制图工 包括地图编绘工、 地图刻图工、 地图清绘工、 数字化测图工、 航道绘图工等； 4 ． 工程测量工 包括测量放线工、 疏浚测量工、 航道测量工、 工程测量工、 控制测量工 、 地形测量工 、 矿 山测量工 、 公路工程测量工 、 管线勘测工等 ； 5 地籍测绘工 包括地籍测绘工、 房产授 绘工等 ； 6 ． 其他测量工作 如测绘仪器修理工等。 四J l 1 塔测绘局人事处供稿 上接第 3 9页 料和结构复杂。该采区煤层开采厚度为 4水， 属 缓倾斜煤层， 开采煤层埋藏深度为 1 6 0～ 2 4 0米。 采区内有两条横贯镇区的正断层， 其露头处房屋 分布密集。开采煤层上覆岩层中有两层控制岩 层， 其中一层距地表6 0 米 ， 厚度为 l 4 米， 另一层距 地表 1 2 0 米 ， 厚度为 2 7 米。开采煤层上部没有发 现老窑采空区、 含水溶洞、 废巷及古井等。根据实 地具体情况的分析和国内外部分采煤法的经验， 并顾及当地 矿区地表 移动一般规 律， 采 区设计 方 案见图 I ， 保护煤柱强度和稳定性计算结果见表 I ， 地表移动预计最大值见表 2 。 下 Ⅱ 回 回 回 回 煤 煤 煤 采 采 采 采 柱 柱 柱 区 区 区 区 图 1 采区设计方案示意图 袁 1 保护煤柱强度和稳定性计算结果 a mP ’ t e t K l 3 7 6 4 O O O 2 l 9 7 9 0 0 ． ／ 1 6 6 1 ．7 表 2 地表移动 与变形最大值的预计结果 由表 I 的计算结果可知， 留设的保护煤柱强 度能够达到设计要求 ， 不论顶板垮落与否， 都能够 保证煤柱具有足够的稳定性 ， 起到支撑住开采煤 层上覆岩层的作用。并且． 从表 2可以看出． 地表 移动与变形预计 的最大值小于建筑物临界变形 值 ， 满足规程要求。因此， 该项条带法开采设计是 可行的。 7 结束语 矿产资源开发应当做到安全、 合理． 郎 保障 地面和井下人员 、 设备及人 民财产的安全性 ． 同时 要合理地回采干净采区的矿产资源． 不能在采区 边角处浪费资源。国营大矿一般布置综采或机采 工作面． 则在井 田边缘、 煤层构造复杂地 区及建 构 筑物下留有大批呆滞煤量， 而乡镇小矿可以 非常灵活地布置采区， 安全 、 合理地回采出这些矿 产资源 ， 起到很好的延伸和补充作用。 [ 参考文献] [ 1 ] 中国统配煤矿总公司生产局． 煤矿测量手册 下册 [ M]北京 煤炭工业出版社、 I 9 9 0 [ 2 ] 建筑物、 水体、 铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采 规程[ S ] 维普资讯