建筑物下开采技术理论基础

贾静丽　陈娟浓　肖藏岩　薛晓光　孙亚辉

摘要：为了进一步促进建筑物下采矿学科的发展，采用查阅大量文献资料和综合分析的方法，从地下开采对地表建筑物的影响和如何减少地表移动和变形等方面进行了全面的总结。建筑物下开采已成为许多矿区面临的主要问题，严重制约着矿区的可持续发展，因此，进行建筑物下开采的研究具有十分重要的意义。

关键词：建筑物下开采 建筑物变形 地表变形

0 引言

在矿产资源日益短缺的情况下，“三下”矿山的开采对我国的经济发展有着重要的意义。如位于邯郸市武安境内的云驾岭铁矿，其上部为云驾岭村庄和玉石洼铁矿生活区。该矿地质储量2641万t，矿石平均品位为46.51％，是我国赋存量不多的高品位铁矿石，在国际铁矿石价格大幅增长和我国大量进口的情况下，该矿的开采有利于解决国内铁矿石的紧张局面。建筑物下开采已成为许多矿区面临的主要问题，严重制约着矿区的可持续发展，因此，进行建筑物下采煤研究具有十分重要的意义。

1 地下开采对地表建筑物的影响

地下采矿对地表的影响主要有垂直方向和水平方向的移动和变形，包括下沉、倾斜、曲率。不同性质的地表移动和变形，对建筑物的影响是不同的。地表产生的移动和变形，破坏了建筑物与地基之间的初始平衡状态，同时力学平衡重新建立，使建筑物产生附加应力，从而导致建筑物发生破坏。地表移动和变形对建筑物的影响主要分以下六种：

1.1 地表下沉对建筑物的影响 一般地讲，当建筑物所处的地表出现均匀下沉时，建筑物中不会产生附加应力，因而对其自身就不会带来损害。但当地表下沉量较大，地下水位又很浅时，如果因此而使潜水位上升，造成建筑物周围长期积水或使建筑物过度潮湿，改变了建筑物所处的环境，降低了地基的强度，这就会影响建筑物的使用，在特别不利时，甚至可能造成建筑物的破坏或废弃。

1.2 地表倾斜对建筑物的影响 地表倾斜后，将引起建筑物的歪斜。由于建筑物的倾斜，在建筑物自重形成的偏心荷载作用下，产生附加应力距，承重结构内部将产生附加应力，地基的承压力也将重新分布。特别是底面积小而高度很大的建筑物（如水塔、烟囱、高压输电塔等），地表倾斜的更为明显。

1.3 地表曲率对建筑物的影响 地表曲率变形表示地表倾斜的变化程度。由于出现了曲率变形，地表将由原来的形状变成曲面形状。这样，建筑物的荷载与土壤反力间的初始平衡状态遭到了破坏。在正负曲率作用下，各有两种情况，一种是房屋全部切入地基，另一种是房屋部分切入地基。房屋受正负曲率影响下，将使地基反力重新分布，因而使建筑物在竖直面内附加的弯距和剪力的作用，其值如果超过建筑物基础和上部结构的强度极限时，建筑物就会出现裂缝。在正曲率作用下，房屋在中央所产生的应力大于原有应力，易在建筑物的顶部中间出现裂缝；在负曲率作用下，房屋两端地表应力增大，易形成底部中央裂缝。

1.4 地表水平变形对建筑物的影响 地表水平变形对建筑物的破坏作用很大，尤其是拉伸变形的影响，较小的地表拉伸变形就能使建筑物产生裂缝。由于建筑物抵抗拉伸能力远小于抵抗压缩的能力，所以较小的地表拉伸变形就能使建筑物的产生开裂性裂缝。一般在门窗洞口的薄弱部位最容易产生裂缝，砖砌体的结合缝，建筑结点易拉开。

1.5 剪切变形对地表建筑物的影响 当建筑物处于下沉盆地的主断面上，但其方位与回采区段的走向斜交，或者建筑物处于下沉盆地非主断面地区时，在地表剪切变形作用下，房屋的纵墙基础将产生相对转动，从而使房屋改变了原来的形状。

1.6 扭曲变形对地表建筑物的影响

由于两个横墙处的地表倾斜值不同，导致了地表沿建筑物的纵轴中心线产生了扭曲变形，这使建筑物出现扭转变形。

由以上分析可知，使建筑物产生破坏和变形的原因是较多的，但主要原因是曲率和水平变形的影响。往往在它们的影响作用下，使采动地区地面建筑物砖墙上出现裂缝，而裂缝是建筑物受地表变形影响出现的最普遍的破坏现象。

2 减少地表移动和变形的开采措施

在建（构）筑物下采矿时，当预计的地表变形超过建筑物能承受的变形时，应从开采方面采取合适的技术措施，以减少地表变形值。

2.1 防止地表突然下沉 在一定的开采深度以下，进行建（构）筑物下采矿，需要查明建筑物下方是否有老窑、废巷、岩溶、老井等空硐以及它们填实程度。如果这些空硐未填实而充满积水，应采用灌浆等方法将空硐填满，排除积水，防止开采疏干老空积水疏降岩溶含水层水位而造成地表突然塌陷。

2.2 减少地表下沉 在一般开采深度条件下，减少地表变形的途径是减少地表下沉值，减少地表下沉的开采措施主要有：采用充填采矿法，减少地表下沉，其减少程度取决于充填方法和充填材料。合理确定采宽和保留矿柱宽度是关键问题，留宽过大，采出率低，留宽过小，矿柱易遭破坏；采宽过大，地表可能出现不均匀下沉，对保护建筑物不利，采宽过小，则回采率低。

2.3 消除或减少开采影响的不利影响 当几个矿层或同一个矿层的几个部分同时开采时，根据它们的工作面相互位置关系，每个工作面的开采影响可能是互不联系的，也可能是彼此重叠的。如一个工作面水平拉伸变形和第二个工作面的水平拉伸变形叠加，使地表出现的水平拉伸变形值大大增加。

2.4 消除或减少开采边界的影响 保护矿柱很大时，一般应连续不停顿地进行回采，避免在矿柱范围内形成永久性的开采边界，使本来只承受动态变形的地表发展到承受静态变形，对建（构）筑物造成损害。经验表明，在有断层、采区边界、阶段或水平边界时，容易形成回采工作面的长期停顿和永久性边界。因此，应在断层两侧，事先做好开拓准备工作，尽可能地保证回采工作连续进行。

参考文献：

[1]谭志祥.沛城矿深部走向条采地表移动规律研究[J].矿山测量.2001(增刊):18-20.

[2]郭广礼.煤矿开采沉陷有效控制的新途径[J].中国矿业大学学报.2004(2):150-153.

[3]洪靖文.采动覆岩动态移动破坏规律及开采沉陷预计系统研究[D].北京：中国矿业大学.1999.