徐乃忠，高 超，劉 貴，孫萬明

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京 100013；3.中國煤炭學(xué)會 煤礦開采損害技術(shù)鑒定委員會，北京 100013)

采動影響區(qū)房屋損害地表移動變形臨界值研究

徐乃忠1,2,3，高 超1,2，劉 貴1,2，孫萬明1,2

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京 100013；3.中國煤炭學(xué)會 煤礦開采損害技術(shù)鑒定委員會，北京 100013)

采動影響區(qū)地表移動變形通過房屋基礎(chǔ)與周圍土體的摩擦力傳遞給上部結(jié)構(gòu)，在房屋墻體內(nèi)產(chǎn)生附加應(yīng)力，當(dāng)移動變形超過墻體的擾動影響最大承受值時，導(dǎo)致房屋拉破壞或壓破壞，對采動區(qū)地表房屋造成損害。為解決采煤沉陷區(qū)礦方與百姓就房屋損害技術(shù)鑒定責(zé)任劃分，以及村莊下開采工作面合理布置與尺寸優(yōu)化問題，分析了地表水平變形與房屋墻體水平變形的關(guān)系，應(yīng)用多研究手段推導(dǎo)出采動區(qū)房屋損害地表水平變形臨界值的計算公式；同時引入了房屋損害裂縫角的概念，并提出了該角值的理論計算方法。結(jié)果表明：地表水平拉伸變形達到0.61mm/m，而水平壓縮變形達到-1.33mm/m，采動影響區(qū)房屋墻體將會在薄弱部位出現(xiàn)采動裂縫，從而對房屋造成開采損害；礦區(qū)房屋損害裂縫角臨界值約為58°，房屋裂縫角介于邊界角和移動角之間。

房屋損害；地表移動變形；臨界水平變形；墻體附加應(yīng)力；房屋損害裂縫角

我國煤炭資源儲量大、分布范圍廣，“三下”壓煤量大，特別是華北、東北和華中地區(qū)。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國大中型礦井“三下”壓煤量達到14Gt，其中建筑物下壓煤量為8.76Gt，并且建筑物下壓煤量的60%為村莊下壓煤[1]。

地面建筑設(shè)施是人類生活與生存的必要條件，井下煤礦開采將造成地表出現(xiàn)不同程度的變形，進行建筑物下安全采煤的關(guān)鍵是在建筑物本身抵抗變形能力的基礎(chǔ)上，保證建筑物安全使用。地表變形值大于臨界變形值后，建筑物會出現(xiàn)不同程度的破壞。國外于15世紀就已涉及建筑物下采煤工作，我國建筑物下采煤的研究試驗工作始于20世紀50年代初，經(jīng)過60余年的研究與實踐，形成具有中國特色的建筑物下采煤成果：建筑物下采煤的主要方法有全柱開采、條帶開采、房柱式開采、協(xié)調(diào)開采、限厚開采、充填開采、離層區(qū)注漿開采[2]、留設(shè)不規(guī)則煤柱開采等。

在煤礦沉陷區(qū)內(nèi)，地面建筑物的損害過程是一個動態(tài)、復(fù)雜的過程，人們也越來越重視煤礦開采造成的建筑物損害問題。在采煤實踐過程中，建筑物在薄弱結(jié)構(gòu)部位出現(xiàn)裂縫時的臨界狀態(tài)問題更加受到關(guān)注。煤礦沉陷區(qū)影響范圍內(nèi)的建筑物墻體出現(xiàn)裂縫時的房屋損害角值與地表移動變形臨界值參數(shù)的確定，成為一個非常重要的研究課題。

1 國內(nèi)外建筑物破壞等級與地表移動變形關(guān)系

在建筑物本身具有的一定抵抗變形能力特性基礎(chǔ)之上，保證建筑物的安全使用是進行建筑物下安全采煤的關(guān)鍵，當(dāng)?shù)乇硪苿幼冃螌ㄖ锏挠绊懺诮ㄖ锏牡挚棺冃闻R界值范圍內(nèi)時，建筑物能夠正常使用，且不影響建筑物的外觀價值。地表臨界移動變形值一般認為是建筑物不出現(xiàn)肉眼可見的裂縫所允許的地表最大移動變形值。在開采建筑物下壓覆煤炭資源時，首先對工作面的開采沉陷情況進行地表沉陷預(yù)計，再由預(yù)計結(jié)果參照相關(guān)標準評定建筑物損害程度，在此基礎(chǔ)上提出相應(yīng)的井下開采措施或地面建筑物加固措施，最后確定出經(jīng)濟合理的開采方案。由此可見，研究采動區(qū)建筑物的臨界變形值對于建筑物下安全采煤具有關(guān)鍵性作用。

1.1 我國建筑物破壞等級與地表移動變形關(guān)系

在我國煤礦區(qū)，村民房屋結(jié)構(gòu)大多數(shù)為磚混或磚木結(jié)構(gòu)，少數(shù)房屋為窯洞、彩鋼、木竹排架或土坯結(jié)構(gòu)，且大多為平房、建筑尺寸小于20m。評定標準與地表移動變形值往往采用《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》[3]中的建筑物破壞等級劃分，并按照建筑物損壞程度不同，將建筑物的損壞分為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ與Ⅳ4個等級，但對地表移動變形使得建筑物出現(xiàn)裂縫的最小值沒有明確規(guī)定。

各區(qū)域地質(zhì)采礦條件、建筑形式與結(jié)構(gòu)形式等不同，建筑物破壞的臨界變形值也有所差異。峰峰礦區(qū)[4]在文獻[3]的基礎(chǔ)之上考慮到自身建筑物結(jié)構(gòu)特點、地質(zhì)采礦條件等應(yīng)用地表移動變形值大小與總變形指標Δl將建筑物破壞程度劃分為輕度、中度與嚴重3個級別。

合山柳花嶺礦區(qū)[4]根據(jù)磚木結(jié)構(gòu)和土筑墻住宅下的開采經(jīng)驗，得到建筑物破壞等級，并將地表水平變形值<1.0mm/m確定為Ⅰ級變形，將地表水平變形值1.0～2.0mm/m確定為Ⅱ級變形。

根據(jù)棗莊礦區(qū)和本溪礦區(qū)[4]兩礦區(qū)附近建筑物的結(jié)構(gòu)特征，對毛石條形基礎(chǔ)、磚墻、木屋架平瓦屋面的平房受地表沉陷影響的破壞程度及其對應(yīng)地表點的變形觀測分析，以文獻[3]為模板、結(jié)合本礦區(qū)的建筑特征，將建筑物破壞程度進行了分級。

此外，河南鶴壁與焦作、江蘇徐州、山西陽泉等多個礦區(qū)[5]，也建立了適合本礦區(qū)的建筑物破壞等級與地表移動變形對應(yīng)關(guān)系。

1.2 國外建筑物破壞等級與地表移動變形關(guān)系

不同國家因建筑物本身特性不同，其臨界移動變形值也不盡相同，表1列出了一些國家建筑物的允許變形值。由該表可知，對于地表水平變形對建筑物的損壞等級情況，中國沒有就地表水平壓縮變形對建筑物的破壞限值給出準確數(shù)值。

表1 地表移動變形的限值和建筑物的破壞(保護)等級[4]

波蘭將保護煤柱定義為井田煤炭儲量資源的一部分，這部分煤炭可以進行開采，但必須采取專門的井下技術(shù)開采措施和地面建筑結(jié)構(gòu)加固措施，以確保地面建筑物的完整性。

2 房屋水平變形臨界值的確定

房屋基礎(chǔ)受地表移動變形影響將部分值傳遞給上部房屋墻體，由于房屋具有一定承受地表附加應(yīng)力變形影響的能力，故地表移動變形不能等同于房屋墻體移動變形。井下煤層采出后，地表形成下沉盆地，當(dāng)研究分析房屋的臨界損害變形值時，對于礦區(qū)建筑多是農(nóng)村百姓自建的住宅建筑，因其房屋具有基礎(chǔ)較小、長度較小、高度較小等特點，下沉、傾斜變形、曲率變形對房屋的影響程度較小，且房屋多抗壓不抗拉，因此應(yīng)主要研究地表的水平變形值與房屋保護等級限值的關(guān)系。

地表水平變形是引起房屋破壞的重要因素，水平變形對房屋的影響程度與地表水平變形值、房屋結(jié)構(gòu)、房屋平面尺寸、房屋建筑材料、施工質(zhì)量、基礎(chǔ)深度、基礎(chǔ)類型等多因素有關(guān)。地表水平變形通過周圍土體與房屋基礎(chǔ)的摩擦力而傳遞給墻體結(jié)構(gòu)，使房屋墻體內(nèi)產(chǎn)生附加拉應(yīng)力或壓應(yīng)力，導(dǎo)致房屋產(chǎn)生拉破壞或壓破壞。煤礦開采沉陷引起的地表水平變形有被動土壓力產(chǎn)生水平壓縮變形和由地基土摩擦力引起的水平拉伸變形之分。

2.1 地表水平變形與房屋墻體水平變形關(guān)系分析

應(yīng)用我國各礦區(qū)民房墻體與地面移動變形的實測數(shù)據(jù)，開采沉陷學(xué)科相關(guān)學(xué)者[6-7]通過數(shù)理統(tǒng)計回歸得出煤礦區(qū)村莊房屋墻體水平變形ε墻與地表水平變形ε地之間的關(guān)系。

民房墻體拉伸變形與地表拉伸變形之間的關(guān)系為：

ε墻=0.7465ε地-0.1780

(1)

民房墻體壓縮變形與地表壓縮變形之間的關(guān)系為：

ε墻=0.2876ε地-0.1033

(2)

村莊下采煤對房屋的破壞程度主要取決于地表水平變形值及房屋的抗變形能力，不同的地表水平變形值、房屋結(jié)構(gòu)對房屋的影響程度存在差異。房屋下安全采煤的關(guān)鍵是對采動區(qū)房屋損壞程度進行正確評定。目前，采動區(qū)房屋損壞評定的主要依據(jù)是房屋墻面裂縫大小。

采煤影響區(qū)農(nóng)村房屋多為毛石帶形或圈梁基礎(chǔ)的普通燒磚砌體結(jié)構(gòu)房屋，建筑形式和建筑結(jié)構(gòu)較為簡陋；與鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)房屋相比，農(nóng)村房屋抵抗地表水平變形的能力較差。由于房屋抗拉伸能力遠小于抗壓縮能力，因此較小的地表水平拉伸變形就能使房屋沿磚砌體的結(jié)合縫或房屋的薄弱結(jié)構(gòu)點(如房梁連接處、預(yù)制板間)產(chǎn)生拉張裂縫。

2.2 墻體附加應(yīng)力計算

確定煤礦采動區(qū)房屋破壞地表水平變形臨界值的關(guān)鍵是確定采動區(qū)房屋地基反力大小與形式，從而合理地確定采動區(qū)房屋破壞時地基土對房屋地基的側(cè)壓力與基底壓力大小。

2.2.1 采動區(qū)房屋地基側(cè)向壓力計算

對于中等密實度的砂質(zhì)黏土，由于采動影響至地表地基土?xí)r，當(dāng)土體達到被動極限平衡狀態(tài)時，由摩爾-庫倫準則可得主應(yīng)力表達的極限平衡方程[8]：

(3)

式中，σ1與σ3分別為最大和最小主應(yīng)力；c為土的黏聚力；φ為土的有效內(nèi)摩擦角。

房屋地基土壓力也由兩部分組成：第一部分由土的自重應(yīng)力γz產(chǎn)生，該值與深度z成正比，房屋地基土頂面z=0時，地基土壓力為0；地基土底部z=h時(h為房屋地基的深度)，地基土壓力為γz·tan2(45°+φ/2)，因此這部分地基土壓力呈線性三角形分布，如圖1中的ABC部分。第二部分由地基土的黏聚力產(chǎn)生，大小為2c·tan(45°+φ/2)，為一常數(shù)，與深度z無關(guān)，因此該部分土壓力呈矩形分布，如圖1中的ABDE部分。

圖1 地基土壓力分布示意

取采動影響區(qū)房屋地基單位長度進行梯形面積的計算，得到房屋地基承受土總的側(cè)向壓力F1為：

(4)

2.2.2 采動區(qū)房屋墻體基底壓力計算

煤礦采動影響區(qū)房屋承重墻一般是24墻(墻體磚的厚度24cm)，抹灰及飾面層一般不受力。農(nóng)村房屋多坐北朝南，前墻為南墻均設(shè)計有窗戶，屋頂多以木梁、預(yù)制板或磚石拱將屋頂應(yīng)力傳遞至房屋山墻，并且經(jīng)研究表明該類建筑屋頂荷載傳遞至前后墻的載荷不超過全部載荷的6%[9]。

通過近些年來煤礦開采損害技術(shù)鑒定委員會相關(guān)工作人員現(xiàn)場實測資料可知，由于房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計因素影響，采動影響區(qū)房屋的南面墻窗戶頂部或門過梁頂部墻體裂縫最明顯也最容易出現(xiàn)裂縫。因此以房屋南墻為研究對象，在不考慮其他地質(zhì)條件與缺陷因素的影響下，房屋墻體單位長度基底壓力F2約等于南面立墻的自重應(yīng)力，可表達為

F2=ρ(H+h)

(5)

式中，ρ為房屋墻體的重度，kN/m3，H為房屋的墻體高度，m。

2.3 地表水平變形臨界值的計算公式推導(dǎo)

沉陷區(qū)影響范圍內(nèi)，地表水平變形通過基礎(chǔ)與周圍地基土產(chǎn)生的摩擦力而將部分變形值傳遞給墻體結(jié)構(gòu)，在房屋墻體內(nèi)部產(chǎn)生附加拉應(yīng)力或壓應(yīng)力，房屋墻體將沿著墻體的薄弱結(jié)構(gòu)環(huán)節(jié)產(chǎn)生裂縫，給房屋外表美觀、使用功能及安全穩(wěn)定性造成不同程度的損壞。采動區(qū)房屋地基摩擦力f的計算公式為

f=μ·N

(6)

式中，μ為地基土與房屋地基的摩擦系數(shù)；N為地基土對房屋地基的壓應(yīng)力。

受采動影響房屋墻體內(nèi)部的局部附加應(yīng)力σ可表示為

σ=f/A

(7)

式中，A為研究房屋墻體薄弱部位的面積。

在地表水平變形產(chǎn)生的附加應(yīng)力情況下，沉陷區(qū)房屋墻體出現(xiàn)應(yīng)變，當(dāng)應(yīng)變值集聚到一定程度就會在房屋墻體出現(xiàn)肉眼可見的采動影響裂縫。房屋墻體的應(yīng)變ε墻可記為

ε墻=σ/E

(8)

式中，E為研究房屋砌體墻的彈性模量。

(9)

(10)

(11)

當(dāng)取得煤礦區(qū)建筑房屋地基土的相關(guān)參數(shù)情況下，一方面可以結(jié)合開采沉陷地表預(yù)計方法，確定各個工作面周邊對應(yīng)地表位置的水平變形值，應(yīng)用該計算公式指導(dǎo)工作面的合理設(shè)計與規(guī)劃，從而防止井下工作面回采對礦區(qū)地表房屋的開采沉陷損壞；另一方面可以應(yīng)用該計算公式解決礦區(qū)與地方百姓的開采損害技術(shù)鑒定責(zé)任劃分問題，同時為劃定出受井下工作面采動影響房屋裂縫范圍提供技術(shù)依據(jù)。

2.4 應(yīng)用實例

山西省朔州市某礦區(qū)49206工作面北部建有村莊，大部分房屋建于20世紀80—90年代，房屋結(jié)構(gòu)類型主要有土拱窯結(jié)構(gòu)、磚混預(yù)制板結(jié)構(gòu)與磚木結(jié)構(gòu)3種類型；我國華北地區(qū)河北、河南、山東、山西等省份房屋墻體高度、墻體厚度和窗戶尺寸大體相等，且多為老式建筑，房屋尺寸形似性較高。該區(qū)域房屋的墻體高度H約為3.0m，房屋地基的深度h約為0.7m，主房多坐北朝南，南墻墻體厚度n為0.24m，最大單間跨度l為4.5m，窗戶寬度m約為1.8m。

經(jīng)試驗測定[10-11]與相關(guān)規(guī)范[12]得到地基土的重度γ為18.5kN/m3，有效內(nèi)摩擦角φ為24°，黏聚力c為42kPa，地基土與地基的摩擦系數(shù)μ為0.45，普通燒磚砌體墻的彈性模量E為3200MPa，普通燒磚墻體的重度ρ為24.0kN/m3。

由此可知，在煤礦采動影響作用條件下，地表水平拉伸變形達到0.61mm/m，而水平壓縮變形達到-1.33mm/m，采動影響區(qū)房屋墻體將會在墻體的薄弱部位出現(xiàn)采動影響裂縫，從而對房屋造成開采損害。

3 房屋損害裂縫角臨界值的確定

移動角[12]對應(yīng)沉陷區(qū)地表臨界變形值為水平變形2mm/m，傾斜變形3mm/m與曲率變形0.2×10-3/m中最外側(cè)點，在移動角范圍之外的地表仍存在一定程度的移動與變形，有可能導(dǎo)致房屋產(chǎn)生極輕微或輕微損壞；我國多數(shù)礦區(qū)民房采用的建筑結(jié)構(gòu)抵抗變形能力較差、施工質(zhì)量不滿足要求，也可能產(chǎn)生輕度損壞。因此，在進行煤礦開采損害技術(shù)鑒定與地表沉陷預(yù)計時，應(yīng)根據(jù)不同情況區(qū)別對待。

如果以邊界角[13]為房屋損害判定依據(jù)，則圈定的影響范圍將較大，且不符合國家相關(guān)煤炭合理開采政策。為保證礦區(qū)房屋損害技術(shù)鑒定科學(xué)公正，礦方與百姓雙方均能接受，為此，提出了房屋損害裂縫角的概念：在接近充分采動或充分采動條件下，將地表沉陷盆地主斷面上距離工作面最近且不產(chǎn)生裂縫的房屋，與對應(yīng)的工作面開采邊界相連，和水平面在煤柱一側(cè)的夾角稱為房屋裂縫角。房屋裂縫角介于邊界角和移動角之間，今后進行煤礦開采損害技術(shù)鑒定與井下工作面的開采規(guī)劃時，建議采用房屋損害裂縫角作為房屋是否受采動影響損害的判斷依據(jù)。

對于下沉盆地范圍內(nèi)沿煤層走向方向任意點水平變形公式為

(12)

對于下沉盆地范圍內(nèi)沿煤層傾向方向任意點水平變形公式為：

(13)

式中，b為水平移動系數(shù)；Wcm為地表最大下沉值；θ為開采影響傳播角；iy(x,y)為沿傾向方向的傾斜變形值；r為主要影響半徑;η，ζ分別為開采單元的橫縱坐標值。

應(yīng)用公式(12)與(13)，在取得該礦區(qū)開采沉陷計算參數(shù)(下沉系數(shù)q，水平移動系數(shù)b，主要影響角正切值tanβ與開采影響傳播角θ)的情況下，即可根據(jù)該礦區(qū)的房屋墻體水平拉伸變形臨界值求得該礦區(qū)的房屋損害裂縫角臨界值。

山西省朔州市某礦區(qū)49206工作面參照朔州礦區(qū)多個煤礦的地質(zhì)采礦條件，可以確定該礦區(qū)的綜合邊界角約為52～56°，綜合移動角約為69～72°。應(yīng)用上述公式求得該礦區(qū)房屋損害裂縫角臨界值約為58°。房屋裂縫角介于邊界角和移動角之間。

4 結(jié) 論

(1)闡述分析了國內(nèi)外建筑損害與地表移動變形值的關(guān)系、不同損害級別對應(yīng)不同的地表變形值的劃分標準。

(2)在采動影響區(qū)地表水平變形與房屋墻體水平變形關(guān)系的基礎(chǔ)上，應(yīng)用多研究手段推導(dǎo)出采動區(qū)房屋損害地表水平變形臨界值的計算公式。

(3)取得了普通燒磚結(jié)構(gòu)房屋墻體出現(xiàn)裂縫損害時，所對應(yīng)的地表水平變形臨界值：地表水平拉伸變形臨界值為0.61mm/m，而水平壓縮變形臨界值為-1.33mm/m。

(4)引入了房屋損害裂縫角的概念，并結(jié)合概率積分法計算公式提出了該角值的理論計算方法，得到采動區(qū)房屋損害裂縫角臨界值約為58°，并且房屋裂縫角介于邊界角和移動角之間。

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[責(zé)任編輯：鄒正立]

Study of Surface Movement Deformation Critical Value of House Damage in Mining Influence Area

XU Nai-zhong1,2,3，GAO Chao1,2，LIU Gui1,2，SUN Wan-ming1,2

(1.Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China； 2.Mining Institute，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China； 3.Coal Mining Damage Technology Authentication Board，China Coal Society，Beijing 100013，China)

Surface movement deformation of mining influence area was transferred to upper structure by house base and friction of surround soil，and additional stress appeared inner wall body of house，when movement deformation exceed the largest loading value of wall disturbance，then house would appeared pull or push failure，and surface house of mining area would damage.In order to solve responsibility division of mine and command people to house damage technology authentication in mining subsidence area，and some problems like mining working face layout and size optimization under village，then the relation between surface horizontal deformation and house wall horizontal deformation was analyzed，and the concept house damage fracture angle was put forward，and its theory calculation method was put forward also.The results showed that when surface horizontal tensile deformation was 0.61mm/m，and horizontal compress deformation was -1.33mm/m，then house wall would appeared mining fracture in weak part，then house would damaged，the critical value of mine area damage fracture angle was about 58°，it between boundary angle and moving angle.

house damage；surface movement deformation；critical horizontal deformation；wall additional stress；house damage fracture angle

2016-11-21

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.04.017

國家科技重大專項：煤與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)模式及技術(shù)的優(yōu)化集成應(yīng)用(2016ZX05045-007)

徐乃忠(1961-)，男，江蘇建湖人，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事開采沉陷研究與應(yīng)用方面工作。

徐乃忠，高 超，劉 貴，等.采動影響區(qū)房屋損害地表移動變形臨界值研究[J].煤礦開采，2017，22(4)：65-69.

TD823.83

A

1006-6225(2017)04-0065-05