孫明亮

（銅源國(guó)際工程設(shè)計(jì)研究有限公司，河北 秦皇島 066000）

近些年來(lái)，地下礦場(chǎng)開采所引起的巖體移動(dòng)變形問(wèn)題已經(jīng)有了新的進(jìn)展，目前專家學(xué)者針對(duì)開采礦所引起的地表變形和線路等特征問(wèn)題展開了模型試驗(yàn)研究做了三維有限元綜合分析，依據(jù)采礦地表變形規(guī)律產(chǎn)生的位移情況做了價(jià)值結(jié)果導(dǎo)向分析，以此來(lái)確定巖層對(duì)應(yīng)的移動(dòng)變形問(wèn)題。在此期間，可采用有限單元法和有限差分法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算深入，以便探討巖體移動(dòng)變形對(duì)礦區(qū)建筑物的安全性影響[1]。因此本文主要依據(jù)彈性力學(xué)理論探討礦山安全生產(chǎn)以及礦山建筑安全，并得出對(duì)應(yīng)的建議。

1 地下開采巖體移動(dòng)國(guó)內(nèi)外研究情況

巖體移動(dòng)所產(chǎn)生的影響是巖石力學(xué)領(lǐng)域中的主要研究課題，主要是因?yàn)槠渑c國(guó)民經(jīng)濟(jì)、基礎(chǔ)建設(shè)、資源開發(fā)、環(huán)境保護(hù)以及減災(zāi)防災(zāi)等具有重要具有十分重要的聯(lián)系。國(guó)內(nèi)對(duì)巖體移動(dòng)所產(chǎn)生的預(yù)計(jì)分析展開了多樣化的研究工作，并取得了較多價(jià)值性成果。但是在工程開挖時(shí)，若是其引起了地表移動(dòng)，那么比較常采用預(yù)計(jì)分析方法作為地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)方法。目前人們可通過(guò)論證覆巖巖性與地表最大下沉值之間的聯(lián)系，預(yù)計(jì)地表最大下沉值位置，優(yōu)化設(shè)計(jì)地表客體安全生產(chǎn)情況，逐步減少基礎(chǔ)理論的局限，使預(yù)期結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果之間相符[2]。通過(guò)相關(guān)研究，人們知道了覆巖的巖性與地表移動(dòng)變形值之間存在較大聯(lián)系，一般來(lái)說(shuō)，影響傳播方向與其也有影響情況，礦城傾斜角度越大，移動(dòng)變形值越大，二者之間的長(zhǎng)度方向接近于垂直向上，在開采時(shí)要采取合理的措施減小地面移動(dòng)取值，提升地面建筑物的安全應(yīng)用。即使地表移動(dòng)研究已經(jīng)取得了較可觀的結(jié)果，但還存在著一些問(wèn)題不太確定，研制出新穎的科技以及其他工藝作為工程施工的主要載體。

2 地下開采巖體地表移動(dòng)變形研究方法

（1）可變形連續(xù)固體力學(xué)法。在研究過(guò)程中，大部分的工作者都致力于將地表下沉以及水平移動(dòng)規(guī)律的數(shù)學(xué)模式進(jìn)行模型測(cè)驗(yàn)和計(jì)算。其中阿維爾森給出了對(duì)應(yīng)的地表下沉盆地剖面圖形公式，這一公式是學(xué)者計(jì)算地表移動(dòng)的主要公式。但該種公式是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)所總結(jié)出來(lái)的，概念上局限性強(qiáng)，很難說(shuō)明巖體移動(dòng)的本質(zhì)以及內(nèi)在聯(lián)系，沒有形成系統(tǒng)性的研究理論，只能用于計(jì)算一些實(shí)際、簡(jiǎn)單問(wèn)題，存在用途局限情況。用可變形連續(xù)固體力學(xué)或者彈性組合模型所研制出來(lái)的巖體移動(dòng)力學(xué)公式，一直受到相關(guān)學(xué)者的重視，已經(jīng)取得了部分客觀研究。

（2）隨機(jī)介質(zhì)力學(xué)模型。隨機(jī)介質(zhì)力學(xué)理論是由波蘭學(xué)者所提出，在20世紀(jì)60年代引入國(guó)內(nèi)的一種力學(xué)研究方法，已經(jīng)在各礦區(qū)進(jìn)行地表移動(dòng)預(yù)計(jì)時(shí)被廣泛應(yīng)用。該種方法所產(chǎn)生的隨機(jī)介質(zhì)理論模型十分可靠，推導(dǎo)過(guò)程嚴(yán)密，可用于理論分析以及編程結(jié)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)下層盆地的精確描述。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期性的修改以及補(bǔ)充，該項(xiàng)模型理論已經(jīng)能適應(yīng)大多數(shù)的地質(zhì)變形情況，屬于成熟性的地表移動(dòng)以及變形預(yù)計(jì)方法。

（3）計(jì)算參數(shù)確定方法。隨著地表參數(shù)確定方法的不斷改進(jìn)，目前有三種方法比較常用，即為工程類比法、反分析法及模型模擬分析法，第二種方法受到更多人群的關(guān)注和重視。反分析法中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究方法是一種非線性的研究方法，其可利用非線性系統(tǒng)特征，使單個(gè)神經(jīng)元功能全面調(diào)整，形成神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。目前已有的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可分為三類，且該項(xiàng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，可將共性有問(wèn)題自主探索，了解相關(guān)領(lǐng)域的概念特征，使巖石力學(xué)采礦工程在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)地下采礦所引起的地面移動(dòng)情況，采用多層線性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將大量實(shí)測(cè)資料以及數(shù)據(jù)訓(xùn)練和測(cè)試，把巖石參數(shù)作為主要輸入變量，地表移動(dòng)參數(shù)作為輸出變量，實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)參數(shù)的分析。

3 礦區(qū)開采時(shí)對(duì)地表穩(wěn)定性的影響

（1）對(duì)上覆巖層以及開采深度的影響。通過(guò)對(duì)有限元軟件的使用，設(shè)置了相應(yīng)的模型，綜合的考慮礦區(qū)地下開采過(guò)程中對(duì)地面建筑物造成的影響。一，對(duì)開采深度會(huì)造成影響。在開采的過(guò)程中，深度一直在增加，這樣地表沉陷就會(huì)逐漸的減小，最大水平變形也會(huì)逐漸的變小，但是下沉盆地的具體范圍也在持續(xù)的擴(kuò)大，與此同時(shí)，變得非常的平緩。第二，對(duì)上覆巖石的性質(zhì)造成影響。在巖石硬度增加的條件之下，表面的最大垂直位移以及最大水平位移都會(huì)出現(xiàn)減小的情況。在復(fù)合巖層當(dāng)中，下硬上軟的沉降位移將會(huì)小于水平運(yùn)動(dòng)的具體位移，下沉盆地的地形趨勢(shì)處于平緩的狀態(tài)。

（2）地面建筑物存在一定的沉降情況。在實(shí)施礦區(qū)開采的過(guò)程當(dāng)中，或多或少會(huì)對(duì)地面建筑物的穩(wěn)定性造成一定的影響，甚至?xí)沟媒ㄖ锍霈F(xiàn)倒塌的情況。因此，在礦區(qū)實(shí)施一定的地下采礦時(shí)，一定要對(duì)地形進(jìn)行嚴(yán)格的測(cè)量，并謹(jǐn)慎的對(duì)礦區(qū)采礦情況實(shí)施處理，保持好深度以及建筑物之間的穩(wěn)定關(guān)系。除此之外，在采礦當(dāng)中，出現(xiàn)的地面沉降曲線動(dòng)態(tài)可以顯示出具體沉降過(guò)程以及范圍的變化。采礦業(yè)一直在持續(xù)的發(fā)展，下沉位移逐漸的增加，影響范圍也會(huì)變得非常大，最大下沉位移在發(fā)展中向采礦方向進(jìn)行發(fā)展，數(shù)值計(jì)算結(jié)果以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐處于基本吻合狀態(tài)。

（3）表面運(yùn)動(dòng)。在礦區(qū)實(shí)施水平開采的過(guò)程中，活動(dòng)面盆地存在這些特征：活動(dòng)面的盆地處于采空區(qū)的正上方，處于盆地的中心位置與該區(qū)域的中心處在同一條直線上。除此之外，地面移動(dòng)盆地的形狀以及采空區(qū)處于對(duì)稱的情況。如果采空區(qū)屬于矩形，那么活動(dòng)池的平面形狀屬于橢圓形。移動(dòng)盆地的內(nèi)邊緣以及外邊緣之間的邊界大致處于采空區(qū)邊界的正上方，或者略有一定的偏離。

4 礦山開采巖體移動(dòng)的損害

礦體被開采出之后，采礦區(qū)周圍的巖體自然應(yīng)力以及覆巖層內(nèi)部的原始應(yīng)力的平衡狀態(tài)會(huì)受到嚴(yán)重破壞，巖層內(nèi)部應(yīng)力在經(jīng)過(guò)重新分布之后可達(dá)到新的應(yīng)力平衡。在此期間，會(huì)使得巖層以及地表產(chǎn)生連續(xù)性的移動(dòng)變形和非連續(xù)性的破壞，該種行為在地質(zhì)學(xué)上被稱之為是開采沉陷。由于國(guó)內(nèi)的煤炭資源豐富，煤田分布區(qū)域廣，國(guó)內(nèi)的礦區(qū)環(huán)境問(wèn)題日益突出，故要正確認(rèn)識(shí)和處理開采沉降與環(huán)境保護(hù)之間產(chǎn)生的矛盾。礦石開采所產(chǎn)生的巖石移動(dòng)會(huì)影響著周邊區(qū)域的生態(tài)環(huán)境，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境中出現(xiàn)嚴(yán)重地質(zhì)災(zāi)害以及耕地破壞，甚至還會(huì)引起地面建筑物損壞等情況，因此，該種問(wèn)題已成為了環(huán)境工程與地質(zhì)研究中的主要問(wèn)題。采礦工程在地面中所產(chǎn)生的影響會(huì)影響建筑工程跟水系，例如建筑物房屋地基傾斜、交通排水管道變形、水流設(shè)備損害等情況。隨著地下開采工作面的移動(dòng)，建筑物的巖層原始應(yīng)力平衡受到損害，采礦頂板的變形過(guò)程呈現(xiàn)出兩種完全相反的變形情況，采礦過(guò)程中產(chǎn)生較為出現(xiàn)明顯的彎曲下沉帶，使礦場(chǎng)在啟動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)大范圍的下沉，降低開采礦物的厚度，使后續(xù)采礦的不安全施工直接會(huì)影響建筑物安全、水體耕地、鐵路橋梁等。

5 提升礦區(qū)建筑物安全舉措

（1）應(yīng)用減沉技術(shù)。在提升礦區(qū)建筑物安全過(guò)程中，首先要選擇合理的礦區(qū)開采方式，應(yīng)用減沉技術(shù)以及開采技藝。目前比較普及以及認(rèn)可的開采工藝主要分為三種，即為條帶開采、填充開采以及覆巖離層注漿技術(shù)等。條帶開采是指開采一條礦道留存一條礦道，應(yīng)用支撐頂板來(lái)減小地表的沉降和變形。隨著開采深度的不斷擴(kuò)大，需要采用大條帶來(lái)滿足開采中地表建筑物的基本需求，克服狹窄開采區(qū)域的生產(chǎn)效率，滿足現(xiàn)場(chǎng)條帶的開采效率。填充開采則是利用推進(jìn)的工作面用材料填充采礦空礦區(qū)，減少地表出現(xiàn)降沉情況。一般來(lái)說(shuō)，填充材料大多數(shù)為水泥和砂漿，應(yīng)用該種材料進(jìn)行填充，所獲取的效果最好，地面沉降減少率可達(dá)到70%～80%，但由于材料的填充成本高，一般只會(huì)用于重要建筑物下方的區(qū)域進(jìn)行填充。第三種方式則是近些年來(lái)新產(chǎn)生的方式，主要是指通過(guò)下離層內(nèi)一定量的漿液達(dá)到地表降沉目的，但前提要具備對(duì)應(yīng)的巖層條件。

（2）應(yīng)用減變形技術(shù)。在提升礦區(qū)建筑物安全過(guò)程中，需要重視設(shè)計(jì)工作面之間的距離位置以及開采順序，使不同工作面地表變形做好相互抵消，減少由于采礦所引起的地表移動(dòng)變形或者靜態(tài)變形情況。在設(shè)計(jì)工作面長(zhǎng)度、邊界以及推進(jìn)方向確定時(shí)，需要定期或者不定期開展工作面設(shè)計(jì)延展工作。在間歇性開采工作時(shí)，需要開采完煤層之后，等待地表移動(dòng)穩(wěn)定之后再開采另外一個(gè)煤層進(jìn)行動(dòng)態(tài)處理，減小地表中存在的動(dòng)態(tài)變形值，以此達(dá)到保護(hù)建筑物的目的。在連續(xù)開采時(shí)，還需要確保工作面的連續(xù)均勻推進(jìn)，使得工作面不會(huì)殘留煤柱，減小地表中的不均勻下沉情況，實(shí)現(xiàn)建筑物的安全與保護(hù)。

（3）做好建筑物的維護(hù)。在提升礦區(qū)建筑物安全過(guò)程中，需要根據(jù)實(shí)際情況定期或者不定期對(duì)建筑物進(jìn)行維護(hù)與保養(yǎng)，采取簡(jiǎn)單且實(shí)用的方法在地表變形值不大時(shí)進(jìn)行優(yōu)先處理，在雙方關(guān)系較好時(shí)優(yōu)先采用新方法，在等級(jí)適應(yīng)的區(qū)域綜合處理，確定賠償標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)質(zhì)量好且十分重要的建筑物，除了需要定期維修之外，還要做好傾斜加固，降低建筑物的結(jié)構(gòu)與地基糾傾工作，應(yīng)優(yōu)先迫降糾傾。對(duì)于結(jié)構(gòu)好的建筑物，要在地表水平變形為4～6每秒?yún)^(qū)域應(yīng)用加固措施進(jìn)行保護(hù)，增設(shè)筋混凝土圈梁、柱設(shè)置變形縫隙，做好緩沖工作。由于建筑物常常受到水平拉伸變形等影響，故需要增強(qiáng)建筑物的維修與加固，降低建筑物的使用壽命以及價(jià)值，降低受力抵消情況，減少建筑物水平壓縮變形值以及裂縫等情況，以免出現(xiàn)區(qū)域瓷磚等的松弛。在對(duì)建筑物進(jìn)行保護(hù)時(shí)，還需要確定建筑物之間的采用使用情況，選擇高質(zhì)量的材料進(jìn)行綜合工程施工，并對(duì)礦區(qū)做好支撐性的保護(hù)處理。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，現(xiàn)階段國(guó)家越來(lái)越重視地下開采巖體移動(dòng)對(duì)礦區(qū)建筑物的安全影響。為了進(jìn)一步的降低地下開采巖體移動(dòng)對(duì)礦區(qū)的影響，需要根據(jù)實(shí)際情況完善礦區(qū)應(yīng)用措施，選用剛性混凝土結(jié)構(gòu)做好地基處理工作，降低地基的下沉差，尋找出影響礦區(qū)建筑物安全的因素，依據(jù)原因制定針對(duì)性的管控措施，避免巖體移動(dòng)導(dǎo)致的裂縫產(chǎn)生等情況，助推保護(hù)礦區(qū)建筑物工作。