條帶開采地表巖移規律與建筑物保護模式研究

孫玉強 袁興明

(1.中交公路規劃設計院有限公司，北京 100088； 2.山東工業職業學院建筑與信息工程學院，山東 淄博 256414)

0 引言

隨著我國一帶一路戰略的實施以及國內經濟建設的發展，對煤炭資源的需求量越來越大，由于受當時的條件限制，前幾年開采的工作面主要是空曠地區。本論文設計的工作面位置，正好垂直穿過村莊規劃的房屋，為了保護工作面上方的建筑物安全，布設了1條走向線和1條傾向線，共觀測了10期數據[1,2]。

內業分析利用軟件計算出各監測點的沉降數據、沉降曲線、平面變形曲線、相鄰點位的距離差值變化、曲率、是否處于充分采動等特征參數[3,4]。本文主要研究分析了該礦區的地表下沉機理，在條帶采區的地質條件下，能大大減小地表移動變形值，未對地表建筑物產生破壞，為該區域的地表土地開采沉陷與塌陷賠償、房屋變形改造以及綜合利用等方面提供了技術支持。

1 地表監測點設置

為了充分反映2206條帶工作面地表移動與變形規律，沿礦體走向布設了一條走向觀測線，由于實際情況限制只能布設半條走向線，自南向北布設S1-S15。傾向觀測線位于主斷面內[5-8]，原則上和走向觀測線垂直，由于房屋等影響因素使得傾向線和走向線之間不垂直，產生一定的角度，布設了1條傾向線，傾向線是自東向西布設的E3-W10。

監測線的長度應保證兩端(半條觀測線時為一端)超出采動影響范圍，以便建立監測線控制點和測定采動影響邊界。設站時移動盆地邊界是根據地質采礦條件類似的其他礦區的沉陷參數類比確定的[5-8]。監測線長度公式如下：

DF=2hctgφ+2(H0-h)×ctg(δ-Δδ)+L

(1)

經計算2206條帶開采工作面半條監測線長度為480 m。

2 監測點變形曲線分析

2206工作面于2016年8月開始回采，至2017年6月27日回采結束，歷時10個月，觀測了9次數據。計算出各監測點的沉降數據、沉降曲線、平面變形曲線、相鄰點位的距離差值變化、曲率、是否處于充分采動等特征參數[1,2]。

各觀測點移動和變形值計算公式如下：

1)某點的下沉W(單位：mm)：

W=Hm-H0

(1)

其中，Hm，H0分別為該點在第m次和第一次觀測時的高程。

2)某點的水平移動U(單位：mm)：

U=Lm-L0

(2)

其中，Lm，L0分別為該點在第m次和第一次觀測時距觀測線控制點的水平距離，用點間距離累加求得。

3)某點水平變形ε(單位：mm/m)：

ε=(Ub-Ua)/Δx=ΔU/Δx

(3)

其中，Δx為a，b兩點間的水平距離。

4)某點傾斜i(單位：mm/m)：

i=(Wb-Wa)/Δx=ΔW/Δx

(4)

其中，Δx為a，b兩點間的水平距離。

5)某點附近的曲率K(單位：mm/m/m)：

K=(i2-i1)/Δx=ΔI/Δx

(5)

其中，Δx為a，b兩點間的水平距離。

6)某點的下沉速度V(單位：mm/d)：

V=(Wm-Wn)/t

(6)

其中，Wm，Wn分別為該點在第m次和第n次觀測時的下沉量，t為兩次觀測的間隔天數。具體的監測點變形曲線見圖1～圖8。

通過分析觀測數據和下沉機制研究，隨著工作面的繼續回采，地表下沉量逐漸增大，形成下沉盆地。最大下沉值113.4 mm，分析整個沉降過程，未有突變現象，地面監測點未產生連續下沉。因工作面回采范圍的限制，地表未出現平底現象，即開采未達到充分采動。2018年4月完成最后一期測量，通過結果分析地表已趨于穩定。

整個條采工作面回采后，最大下沉點應在工作面推進方向的中部出現(S4)。但此次監測到的最大下沉點卻偏向北部，出現在S3，W0點處，主要是因為布設S3和S4兩點時所用材料不一樣，S3用的水泥樁存在一定的自身下沉，S4用的是木樁相對比較穩定。

3 條帶開采下沉機理分析及建筑物保護

1)下沉機理分析。

在某一既定地質采礦條件下，影響地表沉陷的主要因素是煤層開采厚度M、開采深度H及采空區面積，煤層開采厚度越大，地表沉陷越劇烈；開采深度越大，地表沉陷越平緩[5-8]。一般用H/M的比值來表示，2206工作面的H/M=176(M為采厚，取2.3 m)。2206工作面開采后，拐點內移，且位置變化較小，還是非充分采動，開采后雖然地表形成均一盆地，但最大下沉值得到了控制，故下沉值較小，僅為114.4 mm。

2)建筑物保護措施。

保護建筑物免受地下開采影響的建筑結構措施，在于減少在被采動房屋的主要支承構件上產生的附加應力[5-8]。它可使房屋建筑物損害達到最小限度，并保證能夠繼續使用。經過加固的房屋受采動影響之后，可以完全不需要維修，或者維修費用很小。主要的保護措施有，設置變形縫，但是在農村建筑里面應用較少；采用鋼拉桿或圈梁加固房屋或單體；采用其他設施調整房屋的曲率變形；在房屋四周挖補償溝；保證樓頂聯結構件的穩定；采用帶有滑動縫的雙板基礎。開采之前先調查了工作面上方的建筑物裂縫問題，主要建筑物磚混結構、空心磚墻體、土質墻體。

通過監測墻壁或者房屋上設置的裂縫觀測點，未出現裂縫變化現象，說明開采未引起房屋或者墻壁產生裂縫，圖9裂縫為開采前存在的裂縫。

通過計算分析地表最大下沉值114.4 mm，最大傾斜值0.80 mm/m，監測點的傾斜值均小于1 mm/m。曲率變形值均小于0.1 mm/m。監測點水平移動均小于18 mm。地表移動變形最大值遠小于Ⅰ級破壞的限值[5-8]，并且地表沒有呈現明顯的起伏?？梢哉f明，在該條帶采區的地質條件下，能大大減小地表移動變形值，不會對 地表建筑物產生破壞。 2206工作面采深290 m～354 m，條帶面采寬達90 m，采厚達2.3 m，在開采實踐中，村莊房屋無一倒塌，房屋未出現裂縫。

4 結語

1)本文主要利用條帶開采面的地表監測點數據的變化，分析利用各監測點的沉降數據、沉降曲線、平面變形曲線、相鄰點位的距離差值變化、曲率、是否處于充分采動等特征參數。

2)研究分析了該礦區的地表下沉較小的機理和建筑物裂縫分析，在條帶采區的地質條件下，能大大減小地表移動變形值，未對地表建筑物產生破壞，并且分析了原有建筑物和新建建筑物保護的幾種方法。

3)為該區域的地表土地開采沉陷與塌陷賠償、房屋變形改造以及綜合利用等方面提供了技術支持。