２０１０年第８期 煤炭工程 开采沉陷对高耸建筑物的影响研究 胡青峰，崔希民，李春意，丁建闯，黄晓曦，刘海炜 （中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院，北京１０００８３） 摘 要：通过分析开采沉陷各种地表移动和变形对建筑物的影响机理以及高耸建筑物的特点， 得出地表倾斜是造成高耸建筑物破坏的主要因素。依据高耸建筑物的地表允许和极限变形值，将 高耸建筑物的破坏程度划分为轻度、中度和严重破坏三个级别。根据开采沉陷对高耸建筑物的最 终影响结果，提出将开采沉陷对高耸建筑物的影响分为第一类影响和第二类影响。讨论了高耸建 筑物的保护措施，提出可以借助数值模拟的方法分析高耸建筑物的破坏程度的思想。以概率积分 法为预计模型，对ｌ１２１０３工作面附近的一个烟囱进行了开采沉陷影响分析。 关键字：开采沉陷；高耸建筑物；地表倾斜 中图分类号：ＴＤ３２７ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１～０９５９（２０１０）０８－００８９－０４ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｍｉｎｉｎｇ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｔｏ ｈｉｇｈ ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ ＨＵ ｑｉｎｇ—ｆｅｎｇ，ＣＵＩ Ｘｉ—ｒａｉｎ，ＬＩ Ｃｈｕｎ—ｙｉ，ＤＩＮＧ ｊｉａｎ—ｃｈｕａｎｇ，ＨＵＡＮＧ Ｘｉａｏ—ｙｉ，ＬＩＵ Ｈａｉ—ｗｅｉ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｇｅｏｓｃｉｅｎｃｅｓ ａｎｄ Ｓｕｒｖｅｙｉｎｇ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ｂｅｉｊｉｎｇ），Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｆａｃｔｏｒ ｏｆ ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｈｉｇｈ ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ ｗａｓ ｄｒａｗｎ ｂｙ ａｎａｌｙｚｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｏｆ ｖａｒｉｏｕｓ ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｖｅｍｅｎｔｓ ａｎｄ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｓ ｄｕｅ ｔｏ ｍｉｎｉｎｇ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ ｏｎ ｔｈｅ ａｆｆｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｈｉｇｈ ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ，ｉｔ ｉｓ ｔｈｅ ｓｌｏｐｅ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｓｕｒｆａｃｅ ａｌｌｏｗａｂｌｅ ａｎｄ ｕｌｔｉｍａｔｅ ｖａｌｕｅ，ｈｉｇｈ ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｗａｓ ｄｉｖｉｄｅｄ ｉｎｔｏ ｔｈｒｅｅ ｒａｎｋｓ，ｉ． ｅ．，ｍｉｌｄ，ｍｏｄｅｒａｔｅ，ｓｅｒｉｏｕｓ．Ｔｈｅ ｍｉｎｉｎｇ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｔｏ ｈｉｇｈ ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ ｗａｓ ｄｉｖｉｄｅｄ ｉｎｔｏ ｃａｔｅｇｏｒｙ １ ａｎｄ ｃａｔｅｇｏｒｙ ２ ｆｆｅｃｔｉａｏｎ，ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｆｉｎａｌ ｍｉｎｉｎｇ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｔｏ ｈｉｇｈ ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ．Ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｔｏ ｐｒｏｔｅｃｔ ｈｉｇｈ ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ ａｇａｉｎｓｔ ｍｉｎｉｎｇ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ ｗｅｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ，ａｎｄ ａ ｔｈｏｕｇｈｔ ｗａｓ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄｅｄ ｔｈａｔ ｈｉｇｈ ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ ｄｅｓｔｒｏｙ ｃａｎ ｂｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｕｓｉｎｇ ｓｉｍｕｌａｔｅ．Ａｎ ａｆｆｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｍｉｎｉｎｇ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｆｏｒ ａ ｃｈｉｍｎｅｙ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｎｅａｒ １ １２１０３ ｗｏｒｋｉｎｇ ｆａｃｅ ｗｉｔｈ ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ ｉｎｔｅｇｒａｌ ｍｅｔｈｏｄ ａｓ ｔｈｅ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｍｏｄｅ１． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｉｎｉｎｇ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ；ｈｉｇｈ ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ；ｓｌｏｐｅ 矿区高耸建筑物如烟囱、水塔、高压电塔、井架、电 ｌ开采沉陷高耸建筑物破坏程度影响因素分析 １．１ 影响因素分析 高耸建筑物破坏的影响因素众多，本文主要对地下采 煤引起的地表移动与变形对其破坏程度影响因素进行深入 研究。地下采煤对地表的影响主要有垂直方向的移动和变 形（下沉、倾斜、扭曲、曲率）与水平方向的移动和变形 （水平移动、拉伸与压缩变形）以及地表平面内的剪应变三 类。不同性质的地表移动和变形，对建筑物的影响是不同 的 ］ 视塔等不同于一般的建筑物，它们的突出特点是其高度较 大、基础底面积小、重心高等，而且它们一般都具有一些 特殊的功能，一旦其遭到破害，将严重影响矿区人们的生 活和生产。与其他非矿区相比，采动损害是影响矿区高耸 建筑物安全稳定性的主要因素之一。有时候虽然开采沉陷 本身对高耸建筑物的破坏影响可能不大，但在雨水冲刷和 风力的作用下，这种影响却起到了加速破坏高耸建筑物的 作用。因此，对由于开采沉陷对矿区高耸建筑物的影响进 行深入研究是十分必要的。 ２００９—１０—１７ 收稿日期： 基金项目： 国家重点基础研究发展规划（９７３）项目（２００７ＣＢ２０９４００）；教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目（ＮＥＣＴ 一０７—０７０９８）；矿山空间信息技术国家测绘局重点实验室（河南理工大学、河南省测绘局）开放基金资助项 目（ＫＬＭ２００８１６） 作者简介： 胡青峰（１９８０一），男，河南驻马店人，博士研究生，主要研究方向：形变、环境监测与防治，３Ｓ集成及其 工程应用。 ８９ 煤一炭工程 ２０１０年第８期 般情况下，在地表均匀下沉区域内，南于建筑物 表１高耸建筑物地表（地基）允许和极限变形值 随地表均匀整体下沉，构建上不产生附加应力，因而对 其自身也就不会带来什么损害…。地表倾斜后，建筑物 必然随之歪斜。地表倾斜，能使建筑物的重心发生偏 斜，引起应力重新分布。根据前面所述和高耸建筑物的 特点可知，地表倾斜对底面积小、高度大的高耸建筑物 影响较大 ］。地表曲率有正、负之分，它们对建筑物都 有较大的影响。负曲率使建筑物基础犹如一根两端受支 撑的梁，中央部分悬空，致使建筑物墙体产生正八字形 的裂缝；正曲率将使建筑物两端悬空，致使建筑物墙体 产生倒八字形的裂缝。由此可见，建筑物越长，面积越 大，它遭受曲率的破坏越严重，因此曲率对底面积较小 的高耸建筑物影响不大。由参考文献［３］可知地表曲率 变形和水平变形主要对长度较大的房屋危害比较大，对 塔型建筑物没有严重影响。综上所述，地表倾斜是影响 高耸建筑破坏的主要影响因素。 １．２地表倾斜对高耸建筑物破坏机理分析 地表倾斜后，建筑物必然随之歪斜。因此，在建筑物 自重的作用下引起了垂直荷载的水平分力和弯矩（即倾覆力 矩）如图１所示。在倾覆力矩的作用下，建筑物支撑构件 上和地基中的应力状态发生了变化。如果新产生的附加应 力与构件上原有的应力加在一起超过了构件强度的极限值， 构件将被破坏。倾覆力矩的计算如下 ： Ｍ ＝Ｐ ｘ ｉ Ｘ Ｈ 其中，Ｐ为建筑物的重量，ｋｇ；ｉ为高耸建筑物的倾角，弧 度；Ｈ为建筑物重心到基础底面的高度，ｅｍ；Ｍ 为倾覆力 矩。ｋｇ・ｅｍ。 ｌ一采前状态：２一采后状态； ３一地表；４一移动盆地；５一应力分布 图１地表倾斜对塔形建筑物的影响 １．３ 地表倾斜对高耸建筑物损坏级别与类型的划分 不同结构的高耸建筑物的允许变形值和极限变形值如 表１［５１。 ９０ 从表ｌ和前述分析中可知，地表倾斜是影响高耸建筑 物的主要因素，只有水塔对地表水平变形敏感，但在采动 区水塔并不多见。因此，可以根据高耸建筑物地表允许变 形值和极限变形值将其破坏级别划分成轻度、中度和严重 破坏三级。另外，由于高耸建筑物底面积小、高度大的特 点，不存在底面积和走向或倾向平行的特点，即开采沉陷 对其影响的最终结果只可能是使其位于下沉盆地底部或下 沉盆地边缘两种。在此，依据开采沉陷对高耸建筑物的最 终影响结果将其划分为第一类影响和第二类影响，第一类 影响即开采沉陷最终使高耸建筑物位于下沉盆地底部，高 耸建筑物最终只发生了垂直向下位移；开采沉陷使高耸建 筑物最终位于下沉盆地的边缘为第二类影响，它最终使高 耸建筑物发生了倾斜，如表２所示。 １．４ 高耸建筑物的保护 结合１．３中高耸建筑物破坏级别的划分，如果高耸建筑 物属于轻度破坏，则采动影响不会破坏高耸建筑物，采动后 高耸建筑物仍可正常使用。如果属于中度破坏，在开采过程 中应该分别对高耸建筑物的上部结构进行加固，加固上部结 构时要视高耸建筑物的不同结构采取不同的措施，当其为钢 结构时，一般可采用在杆件的一侧或两侧增设型钢连接杆件 ２０１０年第８期 煤炭 工程 的方法进行加固；当其上部结构为钢筋混凝土时，一般可采 用加大原结构构件截面的方法进行加固，如对于钢筋混凝土 会造成巨大的经济损失。因此，可以采用加固高耸建筑物和 留设保护煤柱相结合的方法，具体做法是先用数值模拟的方 法模拟出加固后的高耸建筑物所能承受的最大倾斜，然后据 此进行保护煤柱设计。另外，为进一步加固高耸建筑物还可 以对其基础进行加固，由于高耸建筑物的基础材料一般是混 简体可采用钢筋混凝土筒箍进行加固；对于砖结构高耸建筑 物的柱子或筒身，一般应采用设置钢丝网抹灰筒箍、钢筋混 凝土筒箍或钢筒箍的方法进行加固。如果属于严重破坏，且 高耸建筑物对矿区的生产和生活非常重要，拆除重建又不可 凝土和钢筋混凝土，基础的加固一般采用扩大基础底面积的 方法，这样既可以使地基所承受的压应力不超过允许极限， 又可提高基础底部抗倾覆的能力。 行或经济上不合理的情况下，传统上都是采用留设保护煤柱 的办法，留设保护煤柱时为安全起见往往都比较保守，这样 表２高耸建筑物影响类型与破坏程度 地表下沉稳定以后，如果高耸建筑物遭受的影响属于 第一类影响，应注意塌陷坑积水对高耸建筑根基的破坏， 一断面上地表任意点的倾斜值；ｉ（ ）为倾向达到充分采动、走 向半无限开采时走向主断面的地表倾斜计算公式；ｆ， 分别为 走向计算长度和倾向计算长度；Ｄ ，Ｄ 分别为工作面倾向和 走向长度；Ｓ ，Ｓｚ，Ｓ ，ｓ４分别为下山拐点偏移距，上山拐点偏 般可采用加大加粗根基的办法来保护高耸建筑物。如果 属于第二类影响，且超过了允许倾斜值，可采用千斤顶、 倒链或其他起重机具矫正其上部结构的水平，使构筑物的 移距，走向左端拐点偏移距和走向右端拐点偏移距； （ ，Ｙ， ）为地表任意点Ａ（ ，Ｙ）点处沿 方向的倾斜值； ，Ｙ分别 倾斜始终保持在允许倾斜变形值范围内，已达到保证构筑 物安全的目的 ｊ。 为工作面坐标系中的横坐标和纵坐标；１，为走向影响半径；００ 为开采影响传播角；ｍ，ｑ，ａ分别为煤层厚度，下沉系数和煤 ２地表倾斜变形预计 开采沉陷预计方法有许多种，主要有概率积分法、典型 曲线法、剖面函数法以及对急倾斜煤层预计的皮尔逊ＩＩＩ公 式等 ］。其中概率积分法预计参数物理意义明确，在参 数选取合适的情况下预计精度较高，便于编程实现，在我国 应用最为广泛 ，而且被编入指导我国“三下”采煤技术 层倾角。ｔ，，ｔ 分别应用下山和上山边界的相应参数。 ３实例分析 以某矿１１２１０３工作面开采对其附近砖厂烟囱的影响为 例来分析开采沉陷对高耸建筑物的影响。该烟囱高６０ｍ， 位于１ １２１０３工作面的东南角方向，１ １２１０３工作面井上下对 照图如图２所示。 机井２ ｊ￣３５０ｍ 的《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规 程》中。因此，本文以概率积分法为例来说明开采沉陷的预 计，这里仅列出对高耸建筑物有实际影响的地表倾斜预计模 型。其它地表移动和变形预计可参考文献［１１］。 倾向方向达到充分采动、走向方向有限开采时沿倾向 主断面的地表倾斜计算公式为： ，２２ ０ ／／ ／ Ｎ。 ｝ 苦｜ｔ ｉ （ ）＝ｉ（ ）一ｉ（ —１） ＝ （一订 ） （１） 存 一 ２ｌ８００ ．Ｉ １＝Ｄ 一Ｓ 一Ｓ４ 走向方向达到充分采动、倾向方向有限开采时沿倾向 ／２０ ｏｏ／ ／ 要 ／ ｆ∥ ／ ５． 阚囱 ．０ ０ 寸 主断面的地表倾斜计算公式为： （Ｙ）＝ （ｙ；￡ ）～ｉ（Ｙ—Ｌ；ｔ２） ｉ￡：（。。一ｓ 一ｓ：） 其中， ２ ０ ０ ∞ 地表任意点Ａ（ ，Ｙ）点处沿 方向的倾斜计算公式为： ｉ（ｘ，Ｙ， ）： ［ （ ） （ｙ）ｅｏｓ ＋ （ ） （ｙ）ｓｉｎ￣］（３） ＝ｍｑｃｏｓａ； （ ）， （，，）分别为走向和倾向主 ２１６００ 竺 ｎ 一 ｎ 一 图２ １１２１０３工作面井上下对照图 １１２１０３工作面煤层平均采厚４．２ｍ；采深５４０—６１０ｍ； ９１ 煤炭工 程 ２０１０年第８期 煤层倾角为２３．５。；松散层厚度为１００～１５０ｍ。为了分析 １１２１０３工作面的开采对小漳村砖厂烟囱的影响，应在该工 作面开采前，预计出开采该工作面将会对其上方地表倾斜 的影响程度，以便对该烟囱做出相应的保护措施。本文采 用的预计方法为概率积分法，根据《建筑物、水体、铁路 及主要巷道煤柱留设与压煤开采规程》和该矿区的地质条 由图３可知，地表沿南北方向倾斜最大值为２．５ｍｍ／＇ｍ， 烟囱处地表倾斜值约为２．５ｍｍ／ｍ；南图４可知，地表沿东 西方向倾斜最大值为５ｍｍ／ｍ，烟囱处地表倾斜值约为 ０．７ｍｍ／ｍ；又南表１可知６０ｍ高的砖和混凝土烟囱的允许 倾斜变形值为５ｍｍ／ｍ，极限倾斜变形值为１４ｍｍ／ｍ，可知 该烟囱受采动损害程度为轻度破坏，且烟囱所受开采影响 为第二类影响，但烟囱倾斜在允许范围之内，不需要纠偏， 件，预计参数选取如表３。预计的ｌ１２１０３工作面开采地表 沿东西方向、南北方向倾斜等值线图分别如图３、４所示。 表３概率积分法预计参数 －Ｚ．４ｓ｝２２量｜＼ Ｊ／ — ；￣ｏｏ ］ ～量 ／ 一／—＿、＼ ＼ ７ ｌ３－３ ／ ／ ７２２ｏｏｏ＇ ／ ．＼ 一Ｊ 、 ／广＾、 ２ 圳。。 ｍ 、 、 ／ ～篇 』５／羹 ” ｍ ２１６００ ＼ 一 Ｐ＿ 图３地表沿南北方向倾斜等值线图 机井２ｉ，￣３５０ｍ ｈ ， ， ｛ 、～２ ０２ ． ［ 『＿ Ｊ ／ ＿／，『 』／ Ｉ７｜ ｆ‘ 。 … 《 ＼＼１ ｎ ｜ ｆ 、 ＼。 ＼ ／烟ｆ钳 宝 ／ 一／是 ２１６Ｏ０ ＼ ＼ ／ 墨 ｌ … 桃＊ 粕 图４地表沿东西方向倾斜等值线圈 所以该工作面开采不会影响高耸建筑物的正常使用。 ４结论 １）讨论了开采沉陷各种地表移动和变形对建筑物的影 响机理以及高耸建筑物的特点，得出地表倾斜是影响高耸 建筑物破坏的主要因素。分析了地表倾斜对高耸建筑物的 破坏机理。 ２）给出了高耸建筑物的地表允许和极限变形值，据此 将高耸建筑物的破坏程度划分为轻度、中度和严重破坏三 个级别。根据开采沉陷最终对高耸建筑物的影响结果，提 出将开采沉陷对高耸建筑物的影响分为第一类影响和第二 类影响。讨论了高耸建筑物的保护措施，提出了可以借助 数值模拟的方法去分析高耸建筑物的破坏程度的思想，以 便做出合理的决策，为煤矿的安全生产提供了技术支持。 ３）以概率积分法为预计模型，对１１２１０３工作面附近 的一个烟囱进行了开采沉陷影响分析，得出煤层开采对烟 囱的影响为轻度，不会影响烟囱的使用。 参考文献： ［１］ 煤炭科学研究院北京开采所．煤矿地表移动与覆岩破坏规律 及其应用［Ｍ］．北京：煤炭工业出版社，１９８１． ［２］ 何圉清．矿山开采沉陷的防治［Ｍ］．徐州：中国矿业大学出 版社，１９９１． ［３］ 栾元重，刘佩成，袁久丁，等．采动损坏观测技术［Ｍ］．北 京：地震出版社，２０００． ［４］ 中国矿业学院，阜新矿业学院，焦作矿业学院［Ｍ］．北京： 煤炭工业出版社，１９８１． ［５］ 国家煤炭工业局．建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设 与压煤开采规程［Ｍ］．北京：煤炭工业出版社，２０００． ［６］ 周国铨，崔继宪，刘广容，等．建筑物下采煤［Ｍ］．北京： 煤炭工业出版社，１９８３． ［７］ 邹友峰，邓喀中，马伟民．矿山开采沉陷工程［Ｍ］．徐州： 中国矿业大学出版社，２００３． ［８］ 余学义，张恩强．开采损害学［Ｍ］．北京：煤炭工业出版社， ２０ｏ４． ［９］ 戴华阳，王金庄．急倾斜煤层开采沉陷［Ｍ］．北京：中国科 学技术出版社，２００５． ［１Ｏ］ 李春意，崔希民，郭增长，等．基于Ｏｒｉｇｉｎ矿山开采沉陷数据 拟合求参研究［Ｊ］．煤炭科学技术，２００９，３７（１）：９９—１０２． ［１１］ 何国清，杨伦，凌赓娣，等．开采沉陷学［Ｍ］．徐州：中国 矿业大学出版社，１９９１． （责任编辑章新敏）