开采损害学课程讲义.docx

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开采损害学课程讲义

第8章建筑物下开采

重点：

1.建筑物下减损开采方法类型与基本原理

2.稳态地表沉陷盆地位置与建筑物受损关系

3.协调开采中开采工作面推进方向与建筑物的关系

4.全盆地分析开采损害的方法与原理

5.建筑物受损评判标准与方法

6.建筑物下开采研究方法与程序

我国国有煤矿“三下”（建筑物、铁路、水体下）压煤总量超过133亿t，其中建筑物下压煤量达78.2亿t，占“三下”压煤总量的61%。

建筑物下压煤又以村镇下压煤所占数量为最大，其次就是工业场地及公用和民用建筑物下压煤。

因此解决建筑物下压煤的开采问题，对于煤炭工业可持续发展具有重要的意义。

1.建筑物下开采技术和方法

（1）开采方法

a）充填开采方法；

b）部分（条带）开采方法；

c）协调开采方法

（2）建筑物加固方法

（3）岩层离层充填减沉方法

2.我国建筑物下开采现状

（1）村庄下开采

（2）城镇下开采

（3）开采新理论与新技术

8.1采动地表移动变形对建筑物的影响

8.1.1非采矿原因引起的地表移动对建筑物的影响

1.然因素引起的建筑物损坏

（1）与湿度有关的地基土的物理性能变化由于蒸发、腐烂过程或植物吸收水分使得粘性土或有机物中的自然湿度降低，则粘性土的体积将减小，在表土自重或外部加载作用下空隙度将减小。

这种过程称作土的收缩或固结。

在这种情况下，体积将减少15～30%。

由于建筑物地基不同位置的干燥程度不同，使土体产生拱形鼓起，房屋基础弯曲引起房屋结构的变形破坏。

（2）地壳运动在有褶皱的岩层中，在构造应力的作用下，在应力平衡过程中可能产生导致地表出现地震式震动的动力现象。

如果这种震力达到5级，建筑物室内墙表面可能产生裂缝。

在波兰上西里西亚的某地长期观测表明，地表下沉为150mm，水平变形达0.6mm/m，其原因不是地下开采影响而是地壳构造运动影响的结果。

（3）山体滑移在山区地表的建筑物往往会因表土层的蠕动滑移破坏，特别在雨季期间，在山体坡度较大的条件下，山坡表土层会发生蠕动滑移而损坏建筑物[32]。

（4）湿陷性黄土的湿陷作用位于陕西、山西、内蒙、甘肃等黄土台塬地区的新生界第四系黄土层，厚约60～280m，称为厚黄土层覆盖地区。

该黄土层垂直节理发育，抗拉、抗压等力学性质均极差。

其上部属大孔湿陷性黄土，遇水侵湿，极易产生塌陷坑。

湿陷性黄土的抗拉伸变形能力很小，当地表拉伸变形超过1.5mm/m时，就会出现破坏裂缝，采动极易形成垂直地表裂缝破坏。

黄土结构疏松，多空隙，垂直节理发育，富含CaCO3，极易渗水。

黄土渗水后，部分CaCO3被水溶解，部分黄土颗粒被水带走，改变了土层原始结构，使黄土空隙扩大形成空洞，导致地表塌陷[31]。

2.人为因素引起的建筑物破坏

（1）地基或基础质量不好如果建筑物基础未埋入土体内足够的深度，或地基土体的承载能力不够，或基础放在未压实的回填土上，则建筑物上可能出现下沉或剪切裂缝。

一座建筑物基础各部位的深度不同，他们的下沉量也不同，这种下沉量的差异会引起建筑物上的垂直剪切裂缝。

（2）建筑物结构设计有缺陷主要是建筑物未设变形缝，特别是在承重结构或材料变化的地方等均会导致建筑物的破坏。

（3）建筑材料质量差或建造工程质量低表现为墙内墙皮脱落，门窗横梁歪斜和支柱的不均匀下沉。

非采矿引起建筑物破坏因素很多，在实践中应详细观察研究。

8.1.2开采沉陷房屋损害

地下开采对地表房屋的损害主要是由采动地表在垂直方向的移动变形（下沉、倾斜、曲率、扭曲），水平方向的移动变形（水平移动、拉伸与压缩变形）以及地表平面内的剪应变引起。

不同性质的地表移动变形，对房屋的影响是不同的。

1.开采沉陷房屋损害类型

（1）下沉对房屋的损害

（a）均匀沉陷与非均匀沉陷影响

（b）地下水位影响

（c）局部沉陷对建筑物附属设施功能的影响

（d）对建筑物基础承载能力的影响

（2）倾斜对房屋的损害

地表倾斜⇒房屋的歪斜⇒房屋重心偏离⇒产生附加倾覆力矩⇒承载结构内部将产生附加应力⇒基础承载压力重新分布。

（a）改变了房屋结构的承载力的平衡条件，在倾斜下边一侧的墙体由于受到偏心力的作用，产生水平剪切力，一般沿墙体下方靠近基础部位产生水平剪切裂缝（图8.2）。

（b）地面易于积水，楼房底层发生下水道倒流等现象，影响正常生活和使用。

（c）尤其对高层建筑物的损害明显。

（3）地表曲率对房屋的损害

（a）地表曲率变形将原来房屋的平面基础变为曲面形状。

这样，建筑物的荷载与基础土壤反力间的初始平衡状态遭到了破坏。

图8.1采动过程中地表建筑物承受的移动变形过程

Ⅰ—建筑物的初始状态，Ⅱ—建筑物位于最大受拉伸变形位置，Ⅲ—建筑物位于最大倾斜位置，Ⅳ—建筑物位于最大压缩位置，Ⅴ—建筑物位于地表稳态下沉盆底

（b）房屋在受到正、负曲率影响下，将使地基反力重新分布，而使房屋墙壁在竖直面内受到附加的弯矩和剪力的作用（图8.3），

（c）在正曲率变形作用下，房屋产生倒八字形裂缝，裂缝最大宽度在其上端；

（d）在负曲率变形作用下，房屋产生正八字形裂缝，裂缝的最大宽度在其下端（图8.4）。

在采深较小、建筑物整体尺寸较大的条件下，地表曲率变形对建筑物的损害较严重，一般当采深采厚之比H/m<30时，地表将产生极为严重的裂缝，塌陷坑等非连续移动变形破坏，对房屋损害极为严重；当深厚比H/m>300时，地表曲率变形对房屋影响很小。

（4）地表水平变形对房屋的损害

（a）一般拉伸变形易于损坏房屋；

（b）压缩变形较小时，影响不大，较大时，破坏更严重；

（5）剪切变形房屋损害

当房屋处于下沉盆地主断面上，但其方位与回采区段斜交，或者房屋处于下沉盆地非主断面位置时，在地表剪切变形作用下，房屋的纵横基础间将产生相对转动，从而使房屋改变了原有的平面形状（图8.5）

图8.5地表沉陷引起房屋基础的剪切变形

（6）扭曲变形对房屋的损害

由于两个横墙处的地表倾斜值不同，导致了地表沿房屋的纵轴中心线产生了扭曲变形，导致房屋扭转变形的产生，见图8.6中c），d）。

图8.6地表沉陷引起房屋基础应力状态

a）—正曲率变形基础应力分布，b）—基础均匀下沉的应力分布

c）—对称x轴基础扭曲变形的应力状态，d）—对称y轴基础扭曲变形的应力状态

2.移动盆地内不同位置移动变形对建筑物的影响

如图8.7中所示，位于移动盆底位置的建筑物受影响程度最小（建筑物a）；移动盆平底至靠近开采边界部分，建筑物受压缩变形（建筑物b）；移动盆地压缩变形区以外的建筑物受拉伸变形（建筑物c）；在拉伸变形区与压缩变形区过度的位置，建筑物倾斜变形最大（建筑物d）；在靠近开采边界拐角内外位置的建筑物，受到复杂的变形破坏，对建筑物最为不利（建筑物e）。

根据建筑物的长轴方向与开采工作面推进方向的关系分析，建筑物的长轴与工作面推进方向垂直时，对建筑物最有利，这种情况下，建筑物受到较小的动态移动变形影响；与开采工作面或开采边界斜交建筑物受影响较大，这种情况下建筑物不仅受到拉伸、压缩变形破坏，而且受复杂的扭曲与剪切变形破坏。

在布置开采工作面时应遵循以下原则：

（1）尽量使主要保护建筑物位于移动盆地的平底位置；

（2）尽量使主要保护建筑物的长轴与开采工作面或开采边界平行；

（3）避免建筑物与开采工作面或开采边界斜交；

（4）由建筑物的抗拉、抗压变形能力和移动盆地的拉伸、压缩变形区综合分析确定有利的开采方案；

（5）由保护建筑物的重要程度和分布情况分析确定开采方案。

图8.7建筑物位置与变形关系

3.开采房屋损害程度分级

开采沉陷对房屋的损害程度，①一是取决于地表移动变形量，②其次取决于房屋在沉陷盆地的位置，③三是取决于房屋本身的结构条件。

④区分建筑物类型

我国将长度或变形缝区段内长度小于20m的砖混结构房屋破坏分为四个等级[19]，见表8-1。

其它结构类的建（构）筑物可参照表8-1执行。

文献[8]给出了土筑平房破坏等级与地表变形的对应关系（表8-2）。

表8-1砖石结构建筑物的破坏（保护）等级

损坏等级

建筑物损坏程度

地表变形值

损坏分类

结构

处理

水平变形

ε

mm/m

曲率

K

10-3/m

倾斜

i

mm/m

Ⅰ

自然间砖墙上出现宽度1-2mm的裂缝

≤2.0

≤0.2

≤3.0

极轻微损坏

不修

自然间砖墙上出现宽度小于4mm的裂缝；多条裂缝总宽度小于10mm

轻微损坏

简单维修

Ⅱ

自然间砖墙上出现宽度小于15mm的裂缝，多条裂缝总宽度小于30mm；钢筋混凝土梁、柱上裂缝长度小于1/3截面高度；梁端抽出小于20mm；砖柱上出现水平裂缝，缝长大于1/2截面边长；门窗略有歪斜

≤4.0

≤0.4

≤6.0

轻度损坏

小修

Ⅲ

自然间砖墙上出现宽度小于30mm的裂缝，多条裂缝总宽度小于50mm；钢筋混凝土梁、柱上裂缝长度小于1/2截面高度；梁端抽出小于50mm；砖柱上出现小于5mm的水平错动；门窗严重变形

≤6.0

≤0.6

≤10.0

中度损坏

中修

Ⅳ

自然间砖墙上出现宽度大于30mm的裂缝，多条裂缝总宽度大于30mm；梁端抽出小于60mm；砖柱上出现小于25mm的水平错动

>6.0

>0.6

>10.0

严重损坏

大修

自然间砖墙上出现严重交叉裂缝、上下贯通裂缝，以及墙体严重外鼓、歪斜；钢筋混凝土梁、柱裂缝沿截面贯通；梁端抽出大于60mm，砖柱出现大于25mm的水平错动；有倒塌危险

极度严重损坏

拆建

表8-2建筑物（土筑平房）破坏（保护）等级与地表变形的关系

损坏等级

建筑物损坏程度

地表变形值

结构

处理

水平变形

ε

mm/m

曲率

K

10-3/m

倾斜

i

mm/m

一

基础及勒脚出现1mm左右的细微裂缝

<1.0

<0.05

<1.0

不修

二

勒脚处裂缝增大，并扩展到窗台下，梁下支撑处两侧墙壁开始出现裂缝

1.0～2.0

0.05～0.1

1.0～1.5

小修

三

窗台下裂缝扩展到门窗洞上角，梁下墙壁裂缝继续扩展

2.0～7.0

0.1～0.3

1.5～3.0

中修

四

裂缝扩展到檐口下，裂缝20mm以上，房屋呈菱形，墙角裂开

7.0～11

0.3～0.5

3.0～4.0

大修或拆除

4.受损等级评定依据

（1）建（构）筑物损害等级鉴定依据

（a）1999年中华人民共和国建设部《危险房屋鉴定标准》（JGJ125−99）；

（b）《民用建筑可靠性鉴定标准》（GB50292−1999）;

（c）2000年5月国家煤炭工业局颁发的《建筑物、水体、铁路、及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》。

（2）受损等级划分标准

依据上述鉴定标准，建（构）筑物的破坏划分为四个等级：

一级破坏程度（A级）：

结构承载力能满足正常使用要求，未发现危险点（自然间砖墙上出现宽度小于4mm的裂缝，多条裂缝的总宽度小于10mm），房屋结构安全。

二级破坏程度（B级）：

结构承载力基本能满足正常使用要求，个别结构构件处于危险状态，但不影响主体结构（自然间砖墙上出现宽度小于15mm的裂缝，多条裂缝的总宽度小于30mm；钢筋混凝土梁、柱上裂缝长度小于1/3截面高度；梁端抽出小于20mm；砖柱上出现水平裂缝，缝长大于1/2截面边长；门窗略有歪斜），基本满足正常使用。

三级破坏程度（C级）：

部分承重结构承载力已不能满足正常使用要求，房屋局部出现险情（自然间砖墙上出现宽度小于30mm的裂缝，多条裂缝的总宽度小于50mm；钢筋混凝土梁、柱上裂缝长度小于1/2截面高度；梁端抽出小于50mm；砖柱上出现小于5mm的水平错动；门窗严重变形），