条带开采地表岩移规律与建筑物保护模式研究

孙玉强 袁兴明

(1.中交公路规划设计院有限公司，北京 100088； 2.山东工业职业学院建筑与信息工程学院，山东 淄博 256414)

0 引言

随着我国一带一路战略的实施以及国内经济建设的发展，对煤炭资源的需求量越来越大，由于受当时的条件限制，前几年开采的工作面主要是空旷地区。本论文设计的工作面位置，正好垂直穿过村庄规划的房屋，为了保护工作面上方的建筑物安全，布设了1条走向线和1条倾向线，共观测了10期数据[1,2]。

内业分析利用软件计算出各监测点的沉降数据、沉降曲线、平面变形曲线、相邻点位的距离差值变化、曲率、是否处于充分采动等特征参数[3,4]。本文主要研究分析了该矿区的地表下沉机理，在条带采区的地质条件下，能大大减小地表移动变形值，未对地表建筑物产生破坏，为该区域的地表土地开采沉陷与塌陷赔偿、房屋变形改造以及综合利用等方面提供了技术支持。

1 地表监测点设置

为了充分反映2206条带工作面地表移动与变形规律，沿矿体走向布设了一条走向观测线，由于实际情况限制只能布设半条走向线，自南向北布设S1-S15。倾向观测线位于主断面内[5-8]，原则上和走向观测线垂直，由于房屋等影响因素使得倾向线和走向线之间不垂直，产生一定的角度，布设了1条倾向线，倾向线是自东向西布设的E3-W10。

监测线的长度应保证两端(半条观测线时为一端)超出采动影响范围，以便建立监测线控制点和测定采动影响边界。设站时移动盆地边界是根据地质采矿条件类似的其他矿区的沉陷参数类比确定的[5-8]。监测线长度公式如下：

DF=2hctgφ+2(H0-h)×ctg(δ-Δδ)+L

(1)

经计算2206条带开采工作面半条监测线长度为480 m。

2 监测点变形曲线分析

2206工作面于2016年8月开始回采，至2017年6月27日回采结束，历时10个月，观测了9次数据。计算出各监测点的沉降数据、沉降曲线、平面变形曲线、相邻点位的距离差值变化、曲率、是否处于充分采动等特征参数[1,2]。

各观测点移动和变形值计算公式如下：

1)某点的下沉W(单位：mm)：

W=Hm-H0

(1)

其中，Hm，H0分别为该点在第m次和第一次观测时的高程。

2)某点的水平移动U(单位：mm)：

U=Lm-L0

(2)

其中，Lm，L0分别为该点在第m次和第一次观测时距观测线控制点的水平距离，用点间距离累加求得。

3)某点水平变形ε(单位：mm/m)：

ε=(Ub-Ua)/Δx=ΔU/Δx

(3)

其中，Δx为a，b两点间的水平距离。

4)某点倾斜i(单位：mm/m)：

i=(Wb-Wa)/Δx=ΔW/Δx

(4)

其中，Δx为a，b两点间的水平距离。

5)某点附近的曲率K(单位：mm/m/m)：

K=(i2-i1)/Δx=ΔI/Δx

(5)

其中，Δx为a，b两点间的水平距离。

6)某点的下沉速度V(单位：mm/d)：

V=(Wm-Wn)/t

(6)

其中，Wm，Wn分别为该点在第m次和第n次观测时的下沉量，t为两次观测的间隔天数。具体的监测点变形曲线见图1～图8。

通过分析观测数据和下沉机制研究，随着工作面的继续回采，地表下沉量逐渐增大，形成下沉盆地。最大下沉值113.4 mm，分析整个沉降过程，未有突变现象，地面监测点未产生连续下沉。因工作面回采范围的限制，地表未出现平底现象，即开采未达到充分采动。2018年4月完成最后一期测量，通过结果分析地表已趋于稳定。

整个条采工作面回采后，最大下沉点应在工作面推进方向的中部出现(S4)。但此次监测到的最大下沉点却偏向北部，出现在S3，W0点处，主要是因为布设S3和S4两点时所用材料不一样，S3用的水泥桩存在一定的自身下沉，S4用的是木桩相对比较稳定。

3 条带开采下沉机理分析及建筑物保护

1)下沉机理分析。

在某一既定地质采矿条件下，影响地表沉陷的主要因素是煤层开采厚度M、开采深度H及采空区面积，煤层开采厚度越大，地表沉陷越剧烈；开采深度越大，地表沉陷越平缓[5-8]。一般用H/M的比值来表示，2206工作面的H/M=176(M为采厚，取2.3 m)。2206工作面开采后，拐点内移，且位置变化较小，还是非充分采动，开采后虽然地表形成均一盆地，但最大下沉值得到了控制，故下沉值较小，仅为114.4 mm。

2)建筑物保护措施。

保护建筑物免受地下开采影响的建筑结构措施，在于减少在被采动房屋的主要支承构件上产生的附加应力[5-8]。它可使房屋建筑物损害达到最小限度，并保证能够继续使用。经过加固的房屋受采动影响之后，可以完全不需要维修，或者维修费用很小。主要的保护措施有，设置变形缝，但是在农村建筑里面应用较少；采用钢拉杆或圈梁加固房屋或单体；采用其他设施调整房屋的曲率变形；在房屋四周挖补偿沟；保证楼顶联结构件的稳定；采用带有滑动缝的双板基础。开采之前先调查了工作面上方的建筑物裂缝问题，主要建筑物砖混结构、空心砖墙体、土质墙体。

通过监测墙壁或者房屋上设置的裂缝观测点，未出现裂缝变化现象，说明开采未引起房屋或者墙壁产生裂缝，图9裂缝为开采前存在的裂缝。

通过计算分析地表最大下沉值114.4 mm，最大倾斜值0.80 mm/m，监测点的倾斜值均小于1 mm/m。曲率变形值均小于0.1 mm/m。监测点水平移动均小于18 mm。地表移动变形最大值远小于Ⅰ级破坏的限值[5-8]，并且地表没有呈现明显的起伏。可以说明，在该条带采区的地质条件下，能大大减小地表移动变形值，不会对 地表建筑物产生破坏。 2206工作面采深290 m～354 m，条带面采宽达90 m，采厚达2.3 m，在开采实践中，村庄房屋无一倒塌，房屋未出现裂缝。

4 结语

1)本文主要利用条带开采面的地表监测点数据的变化，分析利用各监测点的沉降数据、沉降曲线、平面变形曲线、相邻点位的距离差值变化、曲率、是否处于充分采动等特征参数。

2)研究分析了该矿区的地表下沉较小的机理和建筑物裂缝分析，在条带采区的地质条件下，能大大减小地表移动变形值，未对地表建筑物产生破坏，并且分析了原有建筑物和新建建筑物保护的几种方法。

3)为该区域的地表土地开采沉陷与塌陷赔偿、房屋变形改造以及综合利用等方面提供了技术支持。