煤礦采空區砌體結構的抗變形設計

李進

摘 要：文章通過對煤礦采空區地表變形的描述與分析，詳細地探討了破壞煤礦采空區砌體結構的影響因素，提出了對于采空區砌體結構設計應該采取的一些措施，保證了采空區砌體結構抗變形設計的能力。

關鍵詞：砌體結構；采空區；抗變形設計；構造措施

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.24.058

1 引言

煤炭在我國屬于不可替代能源，近年來，隨著經濟的發展，煤炭需求量逐年增加，造成了煤炭資源的過度開采，同時形成了大量的煤礦采空區。采空區極易發生地面沉陷、地表移動沉陷等礦山地質災害，可對已有的地面建筑物造成變形、開裂，倒塌等嚴重后果。為保證礦區的正常生產，及國家推行的綠色、可持續發展礦山建設戰略，研究和探討煤礦采空區砌體結構的抗變形設計是十分必要的。

2 煤礦采空區地表沉陷、移動特征

隨著煤礦的開采，采空區逐漸形成、擴大和發展，在特定的條件下會導致采空區上覆巖層與其底板巖層的空間應力平衡狀態遭到破壞，使其地表產生較大裂縫、移動和沉陷等破壞形式?？偨Y其特征如下：受煤層開采的影響，采空區上覆巖層發生斷裂及破碎，從而引起了原有地表標高、水平位置及坡度的變化。地表標高下沉，可在采空區上方地表形成一個比采空區面積更大的沉降區域盆地，其外邊緣區，由于地表沉降的不均勻性，產生了水平拉伸變形，當變形超過地表的承受能力時，地表產生裂縫、臺階或塌陷坑。

3 采空區砌體結構的破壞特征

采空區砌體結構的變形及破壞，是因為地表的沉陷及移動破壞了砌體結構從基礎到上部結構原有的受力體系平衡狀態，使得砌體結構與地基土之間產生了新的受力體系。在新受力體系平衡狀態產生的過程中，砌體結構將產生附加應力，這會導致砌體結構的各組成部分發生不同程度的損壞，從而危及整個砌體結構的安全，嚴重時會引起砌體結構的倒塌。根據地表沉陷及變形的不同特征，對砌體結構產生的破壞也不一樣，具體主要有以下幾種破壞特征：

（1）采空區地表的不均勻沉降，會導致部分地表發生傾斜、扭轉，這樣會使其上的砌體結構同時發生傾斜變形或扭轉變形，導致結構的重心發生變化，產生了附加傾覆彎矩及結構內部的附加應力。由此，砌體結構可發生傾斜倒塌或出現縱橫向裂縫及變形，砌體結構將被破壞。

（2）采空區地表發生水平位移時，會使砌體結構內部產生相應的拉、壓應力。從而導致砌體結構墻壁、基礎和門洞口應力集中部位產生裂縫及變形，遭到破壞。

（3）采空區地表的沉陷可分為：均勻下沉和不均勻沉降。其中地表均勻下沉時，砌體結構隨地表的下沉，整體沉降，不會產生附加應力，因而不會對砌體結構造成破壞。當地表發生不均勻沉降時，砌體結構會隨地表發生的傾斜、扭轉和移動而產生附加應力，隨之產生倒塌、傾斜和裂縫等變形特征，遭到破壞。

4 采空區砌體結構的抗變形設計

砌體結構有其自身的特點，取材方便，造價低廉、具有良好的耐火性及耐久性、具有良好的保溫、隔熱、隔音性能，節能效果好、施工簡單，技術容易掌握并普及，也不需要特殊的設備。因此，采空區大面積的砌體結構建筑在民居結構中占主要組成部分。而工程實踐證明，采空區的地基基礎條件、地表變形規律、建筑結構布置和結構體系的選定，對工程建筑物的抗變形性能力有著重要的影響。根據采空區砌體結構的變形及破壞特征，對采空區砌體結構的抗變形及破壞提出幾點可行的設計措施。

4.1 采空區砌體結構的建筑設計

合理的建筑形體及布置在煤礦采空區的砌體結構設計中是頭等重要的。采空區砌體結構的建筑平、立面設計應盡量簡單對稱。因為采空區砌體結構破壞表明，簡單對稱的砌體結構在采空區地表沉陷和移動時較不容易破壞。而且道理也比較簡單、清楚，沿砌體結構縱橫軸對稱布置縱橫墻的結構可有效減輕應力重疊、不容易產生較大附加應力，從而造成結構開裂破壞。簡單對稱的第二層含義是，要求砌體結構的質量中心和剛度中心盡量重合，這樣可避免在采空區地表移動時，使砌體結構產生較大扭矩。最后，簡單對稱的砌體結構比較容易計算其受力、估計其在地表沉陷和移動時的反應，這樣可科學的采取抗變形構造措施、細部處理及加固改造。

4.2 采空區砌體結構的結構設計

采空區砌體結構要通過綜合分析，采用合理、經濟、受力明確、傳力途徑明晰的靜定或超靜定結構體系，且該體系的結構抗變形能力要較符合結構在地表沉陷和移動時的結構實際表現。無筋砌體本身是脆性材料，粘結力較差，抵抗拉伸的能力也較差。因而，采空區的砌體結構，在較小的地表沉陷及移動作用下， 就會產生裂縫，只能利用圈梁、構造柱、鋼筋混凝土加強帶等構造措施和合適的基礎去保證砌體結構的整體性和可靠性，使砌體在發生裂縫時，不致崩塌和散落，從而喪失結構承載力。

4.2.1 加強墻體的構造措施

（1）圈梁設計。在煤礦采空沉陷和地表移動區，為增強砌體房屋的空間剛度和整體性，為減少和限制砌體裂縫的發展，增強墻體的抗拉、抗剪能力，必須在砌體結構設置圈梁。多層砌體結構現澆鋼筋混凝土圈梁除應按《建筑抗震設計規范》（GB 50011-2010）的要求設置外，在實際設計時，還應按以下要求設置：內橫墻上的圈梁間距宜比抗規要求的距離適當加密；同一標高處的圈梁應閉合，且應在內外墻處均設置；基礎圈梁應在內外墻設置，且布置成閉合的矩形狀；當圈梁被門、窗洞口截斷時，為不減弱洞口處圈梁的抗拉和抗剪能力，需對洞口上方過梁的配筋進行加強，其配筋面積為圈梁主筋與過梁所需鋼筋之和。

（2）構造柱設計。采空區砌體結構，受地表沉陷及移動的影響，其破壞主要發生在墻體水平灰縫，構造柱的設置雖然不能阻止裂縫的產生，但是可以有效減少墻體的水平剪力，從而防止墻體水平裂縫向橫向和另一方向發展。為增強房屋的剛度和整體性，加強墻壁的水平抗剪切能力，必須在房屋墻壁的合適部位設置構造柱，構造柱必須與圈梁整體澆筑，其上下端應分別錨固在鋼筋混凝土樓、屋蓋處圈梁和基礎圈梁內。對于采空區砌體結構構造柱的設置除應按《建筑抗震設計規范》（GB 50011-2010）的要求設置外，在實際施工圖設計時，構造柱均應按比實際設防烈度高一度設防要求進行設置，并在外墻與橫墻相交處均設置構造柱。

（3）洞口底部鋼筋混凝土加強帶的設置。設置了圈梁和構造柱的采空區砌體結構，在地表沉陷時，其破壞主要集中在洞口，其原因是開洞引起的應力集中，因而在洞口下部設置鋼筋混凝土加強帶（加強帶鋼筋錨入構造柱）課有效減輕墻體的開裂。

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4.2.2 基礎設計

采空區砌體結構的基礎應具有一定的剛度、強度、整體性和適應變形的能力，以抵抗地表沉陷和移動時產生的反應，使其盡量減少向上部結構傳遞。采空區砌體結構的基礎可設計成剛性基礎、柔性基礎及剛柔結合的基礎。

（1）剛性基礎。采空區砌體結構的剛性基礎做法一般有鋼筋混凝土條形基礎+剛度較大的基礎圈梁（需對稱配筋）、梁、板式筏形基礎、十字形條形基礎等，考慮到經濟性，一般選用第一種形式。

（2）柔性基礎。采空區砌體結構的柔性基礎是在剛性基礎的做法上衍生而來的一種做法。其一是在砌體上部結構和剛性基礎中間設置一層水平滑動層（石墨、聚氯乙烯板、油氈等制作），另外還有建立雙板式基礎和千斤頂設置升降點式基礎等。柔性基礎的作用是有效減少地表沉陷和移動產生的反應向主體結構傳遞?？紤]到經濟性和施工的難易程度基礎，柔性基礎很少采用。

5 結束語

煤礦采空區地面沉陷、移動造成的地面建筑物破壞、環境污染等問題日益嚴重，作為相關的煤礦結構設計人員，在今后的實際工作中，不能僅停留于定量的結構設計分析上，而應該綜合考慮多方面的影響因素，例如，通過對礦區采空區建筑物變形和開裂的長期觀測，總結其規律及特征，為礦區新建和加固已有建筑物提供必要的科學依據。這樣將會更有效的保證采空區砌體結構的設計質量，最終促進我國礦區建設的綠色、可持續性發展。

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