沉陷区地表与建筑物变形分析及兴建评价

二 , 由于松散砂 (岩 、土 ) 层在从充水松散到失
水密实的过程中 , 体积变化在 14% ～29%。因此 ,
在矿区地下水位恢复的过程中 , 密实砂 (岩 、土 )
层的遇水膨胀对地表稳定影响不可忽视 。
11312 地质构造因素
(1) 断层 。当开采位于断层下盘时 , 由采动覆
岩所引起断层层面间的脱离形成 V 型离层或 P型
第 34卷第 2期 煤 炭 科 学 技 术 2006年 2月
沉陷区地表与建筑物变形分析及兴建评价
杨 逾 , 刘文生 , 冯国才 , 杨 伦
(辽宁工程技术大学 采矿损害与控制工程研究中心 , 辽宁 阜新 123000)
摘 要 : 通过简要分析开采沉陷地表移动 、采动区地表与建筑物变形协同关系 、地表兴建建筑物的 评价因子和方法 , 指出矿区采煤沉陷稳定区域通过科学合理指标因子评价分析 , 可以在确定范围内 进行适当规模的非特殊建筑物的兴建建设 。 关键词 : 采煤沉陷区 ; 采动区 ; 建筑物变形分析 中图分类号 : TD823183 文献标识码 : A 文章编号 : 0253 - 2336 (2006) 02 - 0078 - 04
1 开采沉陷地表移动分析
111 衰退期结束前的下沉变形 开采下沉过程中 , 地表下沉经过开始 、活跃 、 衰退 3个阶段 , 均属采煤沉陷非稳定阶段 。地表任 意点的下沉开始很慢 , 以后逐渐增大 , 达到最大值 后逐渐减小 , 直至停止 ( 6 个月连续下沉量小于 30 mm ) 。在无断层和老采空区活化 、深厚比大于
房屋破 坏程度
轻度 中度 严重
倾斜 /mm ·m - 1
≤3 3 ～10
> 10
表 1 建筑物破坏与地表变形的对应关系
地表变形
未采取过保护
曲率 /m - 1
水平变形 /mm ·m - 1 倾斜 /mm ·m - 1
≤2 ×10 - 4 ( 2～4) ×10 - 4
> 6 ×10 - 4
≤215 215 ～6
裂隙发育程度 、密实度及其剪切 、滑动特性 。
113 水文及地质构造因素影响
11311 地下水Biblioteka Baidu素
覆岩移动变形在采煤沉陷过程中起决定作用 。
而水文因素也会对地表沉陷产生影响 , 主要作用表
现为地下水位的变化 : 地下水位降低会在采煤沉陷
的基础上进一步扩 大地 表下 沉值 和下 沉面 积 [ 2 ] 。
(2) 冲积层 。采煤沉陷引起的地表移动过程 中始终存在冲积层的影响 , 在多数情况下是和地下 水耦合共同作用的 。冲积层的影响主要由它的地质 属性决定 。影响因素包括冲积层厚度 、砂和粉砂及 砾石含量 、是否贯通含水层及流砂层 、是否具有 (与含水层相连的 ) 含砂松散透镜体 、地表土层厚 度等 。
由于地下水相对于采矿区的广阔性和矿区水文地质
参数变化的估计性 , 利用水位变化或含溶水岩层的
释水量还不能准确预计地表下沉过程 [ 2 ] 。但实际
资料证明 , 地表沉陷值 Vz (mm ) 和水位下降值 S (m ) 的比值则在 117～215 mm /m 之间是符合理论
实际的 [ 3 ] 。
在这里值得指出两点 : 第一 , 降水漏斗影响半
(1) 建筑物的刚度越大 , 地基越软弱 , 建筑 物抗变形能力越强 , 建筑物与地表变形的差异越 大。
(2) 在软弱地基条件下 , 建筑物刚度越强 , 质量越大 , 建筑基础切入地基的量越大 , 建筑物受 采动损害的危害越小 。
(3) 根据有关矿区的资料 , 建筑物的倾斜为 地表倾斜的 0159 ～1107 倍 。建筑物刚度和质量的 增大及其基础切入地基量的增大 , 建筑物与地表倾 斜差也随之增大 , 有利于减少建筑物不均匀沉降 , 减轻建筑物的采动损害 。
>6
< 10 10 ～20
> 20
已采取加固保护
曲率 /m - 1
水平变形 /mm ·m - 1
< 4 ×10 - 4 ( 4～8) ×10 - 4
> 8 ×10 - 4
<3 3～6
>6
212 地基与建筑基础协调作用分析 开采沉陷系统具有两个不同性质的层次 , 即覆 岩体控制系统和井上 、井下工程平衡问题 。整个开 采沉陷非人为力量所能控制 , 在分析研究系统自组 织稳定过程后 , 如何主动适应系统组成的新环境 。
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30时下沉速度的变化在时间和空间上是连续的 、 渐变的 。随着煤层开采 , 覆岩产生垮落带 、导水断 裂带和伴随有地表下沉的整体弯曲下沉带 。在此过 程中 , 下 沉 速 度 的 最 大 值 可 表 示 为 Vmax = kWmax C /H0 [ 1 ] , 其中地表下沉速度系数 k = ( 1013 ～1115) D1 cosα, 初采取小值 , 复采取大值 , D1 为工作面倾斜长度 , α为煤层倾角 ; Wmax为最大下 沉值 ; C 为采面推进速度 ; H0 为采深 。重复 (分 层 ) 开采时的最大下沉速度大于初次采动 。当煤 层倾角大于 45°后 , 开采沉陷的最大下沉多发于间 歇性或突发性的垮落或沟壑 。 112 残余变形分析 采煤沉陷残余变形分为两个部分 。一是地表移 动衰减阶段结束后的变形量 , 直观上表现为地表残 余下沉量的一部分 , 是常规移动变形的延续 ; 另一 部分为受采煤扰动地基土 (冲积层 ) 的自变形 。 根据资料和经验分析 , 采煤沉陷区地表残余变形与 以下因素有关 : 覆岩的硬度和整体性 , 坚硬岩层位 置 ; 开采方法 、顶板控制方法 , 以及重复开采 (分 层开采 )情况 ; 老采空区现状以及是否受复采 、地 下水 、煤柱屈服或崩塌的影响 ; 煤层倾角 、开采的 充分程度 、工作面的宽深比 ; 地基土的采动程度 、
地下煤炭开采必然导致覆岩和地面移动 。把采 矿引起的覆岩和地表产生的连续移动变形和非连续 破坏 (开裂 、垮落 ) 称为开采沉陷 。采煤沉陷区 地层稳定是指开采下沉的开始 、活跃 、衰退 3个阶 段基本结 束后 , 连 续 6 个 月 的 下 沉 量 不 超 过 30 mm。其延续时间的长短取决于采深 、充分采动性 、 工作面推进度 、开采方法 、覆岩性质等 。而要在稳 定区范围内兴建建筑物 (尤其高层建筑 ) , 则必须 要考虑采煤沉陷残余变形及采动区地质构造影响 。 同时应对稳定沉陷区兴建的可行性建立完整的评价 体系 。我国在稳定沉陷区兴建的成功实例很多 , 如 在岱河煤矿 、平顶山二矿 、焦作东矿以及最近的北 票 、本溪 、沈阳矿区等 。但是对采动区地层稳定及 稳定沉陷区内兴建可行性的深入研究却很少 。
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是工程平衡系统的子系统 , 其本身也具有自组织能 力 。随着基础与地基接触面的调整 、基础与地表变 形的协调 , 地表变形能量也发生积累与耗散的变 化 。因此基础与地基的共同作用是保护建筑物的关 键因素 [ 8 ] 。规律如下 :
Ana lysis on surface and bu ild ing deforma tion in subsidence
area and eva lua tion of rebu ild ing
YANG Yu, L IU W en2sheng, FENG Guo2cai, YANG Lun
( R esea rch Cen ter of M ining D am age and Con trol Eng ineering, L iaoning Polytechnic U niversity, Fuxin 123000, Ch ina) Abstract: The paper analyzed on the coordinated relationship between the m ining subsidence surface disp lacement, the m ining area sur2 face and building deformation, and the evaluation factors and methods of rebuilding on the surface1The paper pointed that certain scale non special buildings could be set up in contained area after the scientific evaluation and analysis on rational index factors1 Key words: m ining subsidence area; m ining area; analysis on building deformation
径 R =s+T
[4]
Q /a
(其中 s为降深 ;
T 为取决于
单位时间矿井涌水量和排水量的常数 ; Q 为取决于
常数 T采用的单位时间的采掘空间涌水量 ; a为渗
透到岩层深处的降水量系数 ) 大于采煤沉陷影响
半径 。因此 , 在采煤沉陷移动边界以外一定范围也
会同样出现由于地下开采间接引起的地表沉降 ; 第
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(4) 建筑物位于拉伸变形区的变形偏大于处 于压缩变形区的水平变形 。当建筑物位于拐点附近 时 , 其产生的水平变形大于在其他区域所形成的变 形 [9]。
(5) 传递到建筑物上的曲率在正曲率区的值 大于在负曲率区的值 。建筑物刚度越大 , 传递到建 筑物上的曲率越小 。
(6) 由于建筑物刚度 、地表变形程度 、地基 土性质等因素的不同 , 采动区建筑物卸载区的大小 和位置有所不同 。
开采方法 、地表离层注浆等措施可减缓移动变形 , 但不可能完全消除地表下沉 。要在经过开采沉陷 3 个变形阶段后的地表兴建建筑物 , 地基的残余变形 和采动区地质环境仍然对建筑物的位置和类型提出 特殊要求 [ 7 ] 。建筑物基础和地基相互作用可看作
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2 采动区建筑物变形分析
211 建筑物对地面变形的要求 沉陷区地表建筑物的破坏有 : 下沉 、倾斜 、曲 弯 、水平变形 4个因素 。当房层出现裂缝时 , 4种 变形值并非同时起相等的作用 , 而是某一种或 2种 变形值起主要作用 , 即 4种变形值并非同时达到临 界值 。对不同的地面保护要求 , 其允许变形值是不 同的 。在已稳定的采空区地表兴建建筑物时 , 如果 建筑荷载的影响深度触及到垮落带 、断裂带时 , 就 会破坏应力平衡状态 , 使稳定地表重新沉降 。 对于矿区建筑物保护的 2类建筑物 , 未采取加 固措施首次遭破坏的建筑物以及加固保护过的建筑 物破坏与地表变形的对应关系见表 1[ 6 ] 。
3 采动影响区兴建建筑物可行性评价
311 稳定因素及其影响 影响稳定沉陷区兴建的因素很多 , 虽然各个因 素造成影响的条件和过程都不尽相同 , 但相互之间 却是有联系的 。
离层 。当开采断层上盘时 , 则形成 A 型离层和 D 型离层 [ 5 ] 。无论造成什么性质的离层 , 采动断层
对地面造成沿其走向分布的错动台阶 、拉伸变形 、 槽状沟壑等 。同时 , 开采结束后 , 受复采 、地下 水 、煤柱屈服崩塌等因素扰动 , 断层复活对采煤稳 定区地表移动同样会造成影响 。影响的形式与位置 与断层在初次采动活化时相似 , 而影响的程度和规 律与离层宽度及形态 、断层面倾角 、冲积层厚度 、 断层保护煤柱厚度 、开采煤层数及断层与地下水系 的相互关系有关 。