孫玉強(qiáng) 袁興明

(1.中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100088； 2.山東工業(yè)職業(yè)學(xué)院建筑與信息工程學(xué)院，山東 淄博 256414)

0 引言

隨著我國一帶一路戰(zhàn)略的實(shí)施以及國內(nèi)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，對(duì)煤炭資源的需求量越來越大，由于受當(dāng)時(shí)的條件限制，前幾年開采的工作面主要是空曠地區(qū)。本論文設(shè)計(jì)的工作面位置，正好垂直穿過村莊規(guī)劃的房屋，為了保護(hù)工作面上方的建筑物安全，布設(shè)了1條走向線和1條傾向線，共觀測(cè)了10期數(shù)據(jù)[1,2]。

內(nèi)業(yè)分析利用軟件計(jì)算出各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降數(shù)據(jù)、沉降曲線、平面變形曲線、相鄰點(diǎn)位的距離差值變化、曲率、是否處于充分采動(dòng)等特征參數(shù)[3,4]。本文主要研究分析了該礦區(qū)的地表下沉機(jī)理，在條帶采區(qū)的地質(zhì)條件下，能大大減小地表移動(dòng)變形值，未對(duì)地表建筑物產(chǎn)生破壞，為該區(qū)域的地表土地開采沉陷與塌陷賠償、房屋變形改造以及綜合利用等方面提供了技術(shù)支持。

1 地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置

為了充分反映2206條帶工作面地表移動(dòng)與變形規(guī)律，沿礦體走向布設(shè)了一條走向觀測(cè)線，由于實(shí)際情況限制只能布設(shè)半條走向線，自南向北布設(shè)S1-S15。傾向觀測(cè)線位于主斷面內(nèi)[5-8]，原則上和走向觀測(cè)線垂直，由于房屋等影響因素使得傾向線和走向線之間不垂直，產(chǎn)生一定的角度，布設(shè)了1條傾向線，傾向線是自東向西布設(shè)的E3-W10。

監(jiān)測(cè)線的長度應(yīng)保證兩端(半條觀測(cè)線時(shí)為一端)超出采動(dòng)影響范圍，以便建立監(jiān)測(cè)線控制點(diǎn)和測(cè)定采動(dòng)影響邊界。設(shè)站時(shí)移動(dòng)盆地邊界是根據(jù)地質(zhì)采礦條件類似的其他礦區(qū)的沉陷參數(shù)類比確定的[5-8]。監(jiān)測(cè)線長度公式如下：

DF=2hctgφ+2(H0-h)×ctg(δ-Δδ)+L

(1)

經(jīng)計(jì)算2206條帶開采工作面半條監(jiān)測(cè)線長度為480 m。

2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形曲線分析

2206工作面于2016年8月開始回采，至2017年6月27日回采結(jié)束，歷時(shí)10個(gè)月，觀測(cè)了9次數(shù)據(jù)。計(jì)算出各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降數(shù)據(jù)、沉降曲線、平面變形曲線、相鄰點(diǎn)位的距離差值變化、曲率、是否處于充分采動(dòng)等特征參數(shù)[1,2]。

各觀測(cè)點(diǎn)移動(dòng)和變形值計(jì)算公式如下：

1)某點(diǎn)的下沉W(單位：mm)：

W=Hm-H0

(1)

其中，Hm，H0分別為該點(diǎn)在第m次和第一次觀測(cè)時(shí)的高程。

2)某點(diǎn)的水平移動(dòng)U(單位：mm)：

U=Lm-L0

(2)

其中，Lm，L0分別為該點(diǎn)在第m次和第一次觀測(cè)時(shí)距觀測(cè)線控制點(diǎn)的水平距離，用點(diǎn)間距離累加求得。

3)某點(diǎn)水平變形ε(單位：mm/m)：

ε=(Ub-Ua)/Δx=ΔU/Δx

(3)

其中，Δx為a，b兩點(diǎn)間的水平距離。

4)某點(diǎn)傾斜i(單位：mm/m)：

i=(Wb-Wa)/Δx=ΔW/Δx

(4)

其中，Δx為a，b兩點(diǎn)間的水平距離。

5)某點(diǎn)附近的曲率K(單位：mm/m/m)：

K=(i2-i1)/Δx=ΔI/Δx

(5)

其中，Δx為a，b兩點(diǎn)間的水平距離。

6)某點(diǎn)的下沉速度V(單位：mm/d)：

V=(Wm-Wn)/t

(6)

其中，Wm，Wn分別為該點(diǎn)在第m次和第n次觀測(cè)時(shí)的下沉量，t為兩次觀測(cè)的間隔天數(shù)。具體的監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形曲線見圖1～圖8。

通過分析觀測(cè)數(shù)據(jù)和下沉機(jī)制研究，隨著工作面的繼續(xù)回采，地表下沉量逐漸增大，形成下沉盆地。最大下沉值113.4 mm，分析整個(gè)沉降過程，未有突變現(xiàn)象，地面監(jiān)測(cè)點(diǎn)未產(chǎn)生連續(xù)下沉。因工作面回采范圍的限制，地表未出現(xiàn)平底現(xiàn)象，即開采未達(dá)到充分采動(dòng)。2018年4月完成最后一期測(cè)量，通過結(jié)果分析地表已趨于穩(wěn)定。

整個(gè)條采工作面回采后，最大下沉點(diǎn)應(yīng)在工作面推進(jìn)方向的中部出現(xiàn)(S4)。但此次監(jiān)測(cè)到的最大下沉點(diǎn)卻偏向北部，出現(xiàn)在S3，W0點(diǎn)處，主要是因?yàn)椴荚O(shè)S3和S4兩點(diǎn)時(shí)所用材料不一樣，S3用的水泥樁存在一定的自身下沉，S4用的是木樁相對(duì)比較穩(wěn)定。

3 條帶開采下沉機(jī)理分析及建筑物保護(hù)

1)下沉機(jī)理分析。

在某一既定地質(zhì)采礦條件下，影響地表沉陷的主要因素是煤層開采厚度M、開采深度H及采空區(qū)面積，煤層開采厚度越大，地表沉陷越劇烈；開采深度越大，地表沉陷越平緩[5-8]。一般用H/M的比值來表示，2206工作面的H/M=176(M為采厚，取2.3 m)。2206工作面開采后，拐點(diǎn)內(nèi)移，且位置變化較小，還是非充分采動(dòng)，開采后雖然地表形成均一盆地，但最大下沉值得到了控制，故下沉值較小，僅為114.4 mm。

2)建筑物保護(hù)措施。

保護(hù)建筑物免受地下開采影響的建筑結(jié)構(gòu)措施，在于減少在被采動(dòng)房屋的主要支承構(gòu)件上產(chǎn)生的附加應(yīng)力[5-8]。它可使房屋建筑物損害達(dá)到最小限度，并保證能夠繼續(xù)使用。經(jīng)過加固的房屋受采動(dòng)影響之后，可以完全不需要維修，或者維修費(fèi)用很小。主要的保護(hù)措施有，設(shè)置變形縫，但是在農(nóng)村建筑里面應(yīng)用較少；采用鋼拉桿或圈梁加固房屋或單體；采用其他設(shè)施調(diào)整房屋的曲率變形；在房屋四周挖補(bǔ)償溝；保證樓頂聯(lián)結(jié)構(gòu)件的穩(wěn)定；采用帶有滑動(dòng)縫的雙板基礎(chǔ)。開采之前先調(diào)查了工作面上方的建筑物裂縫問題，主要建筑物磚混結(jié)構(gòu)、空心磚墻體、土質(zhì)墻體。

通過監(jiān)測(cè)墻壁或者房屋上設(shè)置的裂縫觀測(cè)點(diǎn)，未出現(xiàn)裂縫變化現(xiàn)象，說明開采未引起房屋或者墻壁產(chǎn)生裂縫，圖9裂縫為開采前存在的裂縫。

通過計(jì)算分析地表最大下沉值114.4 mm，最大傾斜值0.80 mm/m，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的傾斜值均小于1 mm/m。曲率變形值均小于0.1 mm/m。監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平移動(dòng)均小于18 mm。地表移動(dòng)變形最大值遠(yuǎn)小于Ⅰ級(jí)破壞的限值[5-8]，并且地表沒有呈現(xiàn)明顯的起伏?？梢哉f明，在該條帶采區(qū)的地質(zhì)條件下，能大大減小地表移動(dòng)變形值，不會(huì)對(duì) 地表建筑物產(chǎn)生破壞。 2206工作面采深290 m～354 m，條帶面采寬達(dá)90 m，采厚達(dá)2.3 m，在開采實(shí)踐中，村莊房屋無一倒塌，房屋未出現(xiàn)裂縫。

4 結(jié)語

1)本文主要利用條帶開采面的地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的變化，分析利用各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降數(shù)據(jù)、沉降曲線、平面變形曲線、相鄰點(diǎn)位的距離差值變化、曲率、是否處于充分采動(dòng)等特征參數(shù)。

2)研究分析了該礦區(qū)的地表下沉較小的機(jī)理和建筑物裂縫分析，在條帶采區(qū)的地質(zhì)條件下，能大大減小地表移動(dòng)變形值，未對(duì)地表建筑物產(chǎn)生破壞，并且分析了原有建筑物和新建建筑物保護(hù)的幾種方法。

3)為該區(qū)域的地表土地開采沉陷與塌陷賠償、房屋變形改造以及綜合利用等方面提供了技術(shù)支持。