变形测量第六章开采沉陷及其观测

1、 矿山有用矿物被采出后，开采区域周围的岩体的原始应力平衡状态受到破坏，应力会重新分布，关达到新的平衡。在此过程中，使岩层和地表产生连续的移动、变形和非连续的破坏(开裂、冒落等)，这种现象称为开采沉陷(Mining subsidence)。 开采损害：由于采矿工作使地上、地下建筑物、构筑物和自然对象受到损害。 开采损害的表现形式：地面沉陷损害、地面倾斜损害、地表弯曲损害、在面水平变形损害、山区地表滑移与崩塌、矿区地表水位下降。 地表移动参数的确定：(1)根据矿山地表移动实测资料获取；(2)类比法。 通常，按所采用方法的基础，地表移动预计方法可分为： （1）基于实测资料的经验方法：即通过对大量开采

2、沉陷实测资料的数据处理，确定预计各种移动变形值的函数形式和预计参数的经验公式，这种方法是当前最为可靠的一种预计方法。 （2）理论模拟方法：把岩体抽象为某个理论模型，按照这个模型计算受开采影响岩体产生的移动、变形和应力的分布情况。 （3）影响函数法：根据理论研究或其他方法确定微小单元开采对岩层或地表的影响（以影响函数表示），把整个开采对岩层或地表的影响看着是采区内所有微小单元开采的总和，据此计算整个开采引起的岩层和地表的移动和变形。此法所用参数常常根据实测资料求得。 在我国，煤矿地表移动规律的研究取得了长足进展，建立了以概率积分法、负指数函数法、典型曲线法为基础的地表变形预计方法体系，以及适合我

3、国实际情况的积分格网法、威布尔分布法、样条函数法、双曲函数法、皮尔森函数法、山区地表移动变形预计法、三维层状介质理论预计法和基于托板理论的条带开采预计法等等。其中以概率积分法的应用尤为广泛，极大地推动了“三下开采”事业的发展，使我国在该领域进入国际先进之列。1.2 允许变形值的确定 若地面各项变形的预计结果均大于或部分大于该建构筑物保护等级所允许的最大变形值，又不拟采取适当的保护措施，则建构筑物将遭到较大的损害而不能正常使用，甚至遭到破坏。若采取一些措施减小地面变形，或者采用圈梁、拉杆、打桩等加固或预加固措施保护建构筑物，则有可能保持建构筑物的完整和正常使用。 目前我国对地铁施工引起的地面沉降

4、允许值往往由专家们根据经验而定。例如，北京地铁施工规定地面任意点的下沉量均不得超过30mm；深圳地铁施工规定地面任意点的下沉量均不得超过3040mm，地面附加倾斜不得超过1/300；上海地铁总公司按上海软土层深基坑工程经验资料，根据周围环境要求，提出深基坑工程的变形控制标准分为四个保护等级。一般在建筑密集市区基坑工程施工选择一级、二级保护标准，在紧靠地铁的特殊地段选择特级保护标准，具体选择何种标准进行设计要遵循安全、经济的原则，并根据对环境的具体分析，可考虑对建筑物、构筑物、设施、地下管线采取直接保护措施，而适当降低基坑的保护要求。 然而，由于一般建构筑物对地面均匀沉降并不敏感，应该根据被保护

5、对象的保护等级要求，规定各种变形（垂直沉降、水平位移、地面倾斜、地表曲率及水平应变等）的最大允许值。文献认为，只用沉降量作为保护地面的唯一指标，往往会要求过严，从而造成施工困难，造价提高，或者达不到保护地表的要求。1作为建筑物的保护等级 级：最重要的建筑物，其损害可能带来严重的后果； 级：一般性的工厂、水塔、火车站、大型学校、大型蓄水池、较大的河床、主要的铁路及隧道等； 级：不大的住宅、二等铁路、较小的河床、不大的水池或蓄水池； 级：锚固的砖结构房屋、不太重要的金属结构物，无客运的次级铁路、公路等。2作为建筑物的损害程度的分级 级：损害很小，如不碍事的砖墙裂纹； 级：容易修复的损害； 级：严重

6、的开采损害，但不致使建筑物有毁坏或中断使用的危险； 级：建筑物需要适当加固，或采取预防措施。3作为规划矿区地表的分类 级：可靠的地表，不需对建筑物设防； 级：在此地表上，并不需要对所有的建筑物都进行局部保护，可能会出现易于修复的损害； 级：要对建筑物进行局部保护； 级：需要对采动对象进行大量加固的地表。 目前，我国尚无完整的建构筑物保护等级划分的统一规范。原煤炭工业部率先于60年代制定了我国最早的地下采矿地表建构筑物及其他地表保护对象保护等级划分规范。1985年煤炭部颁布的建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程，按建筑物和构筑物的重要性、用途及受开采影响引起的不同后果，将保护等级分

7、为四级。 我国还对长度或变形区段小于20m的砖石结构建筑物破坏等级的标准作了统一的规定。对各类工业构筑物、技术装置及暖器工程等管网地表（地基）的允许和极限变形值，也参照前苏联等的规程作了相应规定。 通常，若地面各项变形的预计结果均小于该建构筑物保护等级所允许的最大变形值，则建构筑物将不发生明显的损害，或可以经简单处理而并不影响其正常使用。 (1)抚顺西露天北帮地面变形严重地影响到相毗邻工厂及市政设施的安全； (2)云南小龙潭露天矿开采严重地影响到矿务局价值几亿元的办公楼、家属楼和矿区辅助性生产设施，且影响范围达到2km左右； (3)河南义马露天开采严重影响相毗邻的陇海铁路安全； 据有关资料统计

8、：在人类活动集中区，95%以上的地质灾害都与人为活动因素有关，而南方省份人为诱发滑坡和崩塌的主要因素有边坡坡角开挖、矿产开发及修筑交通道路和水利水电工程等。 南方省份是我国工程灾害比较严重的省份之一。其大规模的南方省份是我国工程灾害比较严重的省份之一。其大规模的经济建设和工程经济建设和工程经济活动，对地质环境破坏剧烈，引发了大经济活动，对地质环境破坏剧烈，引发了大量的工程灾害，已日益成为多种地质灾害的诱发因素。量的工程灾害，已日益成为多种地质灾害的诱发因素。 （1）上海、北京、天津、苏州等许多城市，由于大量抽取地下水，造成地面严重下沉，使其相邻房屋倾斜、开裂或倒塌； （2）墨西哥市前后60年，

9、严重的年下沉达60cm，总下沉达9m，造成数以百计的教堂、大厦和地铁隧道塌陷，地下管道断裂； （3）波士顿，由于开挖高速公路，并大量抽取地下水，致使与其相邻的一栋46层金融大厦下沉、倾斜。 (1)诊断的需要，包括验证设计参数改进未来的设计；对新的施工技术优越性进行评估和改进；对不安全迹象和险情的诊断并采取措施进行加固；验证建筑物运行处于持续良好的正常状态。 (2)预测的需要，运用长期积累的观测资料掌握变化规律，对建筑物的未来性态作出及时有效的预报。 (3)法律的需要，对由于工程事故而引起的责任和赔偿问题，观测资料有助于确定其原因和责任，以便法庭作出公正判决。 (4)研究的需要，观测资料是建筑物

10、工作性态的真实反映，为未来设计提供定量信息，可改进施工技术，利于设计概念的更新和对破坏机理的了解。1.岩土工程开挖引起地表移动与变形；2.构（建）筑物都允许一定的沉降和变形；3.地表移动和变形量可以预计；4 .安全监测是保障。地铁目前我国对地铁施工引起的地面沉降允许值往往由专家们根据经验而定。 例如：北京地铁施工规定地面任意点的下沉量均不得超过30mm；深圳地铁施工规定地面任意点的下沉量均不得超过3040mm，地面附加倾斜不得超过1/300； 上海地铁总公司按上海软土层深基坑工程经验资料，根据周围环境要求，提出深基坑工程的变形控制标准分为四个保护等级，如表。 一般在建筑密集市区基坑工程施工选择

11、一级、二级保护标准，在紧靠地铁的特殊地段选择特级保护标准，具体选择何种标准进行设计要遵循安全、经济的原则，并根据对环境的具体分析，可考虑对建筑物、构筑物、设施、地下管线采取直接保护措施，而适当降低基坑的保护要求。有的有规程，有的有经验，更多的靠积累。 工程开挖不可避免地引起地表移动和变形。然而，地表构（建）筑物都允许有微小的沉降和变形而不影响其正常使用和造成损害，根据国内外的经验，最为敏感的构（建）筑物所能承受的最大地表倾斜为2.5mm/m，最大水平拉伸应变为1.5mm/m。若地表变形小于上述极限值，则构（建）筑物可安全使用而不会发行可见的损害。而对于少量建筑物所在地表的沉降可能不均匀而地面变

12、形超过该建筑物的允许最大变形值，则可根据地面变形大小、性质，以及其结构特点，来设计建筑加固措施。 因此，要求能较准确地预计各种不同的开挖所引起的岩土体及地表面的沉降和变形的数值及其分布规律。如图所示，在直角坐标系中，代表不同水平面上的岩层。当开采在水平进行时，水平的下沉曲线为，这一下沉可导致其上部水平分别以一定的概率发生的下沉量故可认为是某个特定数学运算作用于函数的结果，其表达式为：Z=Z3Z=Z2Z=Z1W=W(Z3,)W=W(Z2,)W=W(Z1，x)xW=W(Z2,)图1 开采影响传播示意图 通常，建（构）筑物建造在地质构造复杂、岩土特性不均匀的地基上，在各种力的作用和自然因素的影响下，其工作性态和安全状况随时都在变化，如果出现异常而不被及时掌握，任其险情发展，则其后果不堪设想。 通过对正在开挖或待开挖工程地表的移动与变形预计，可达到对保护对象采取预加固或其他预处理措施，以保证被保护对象的安全运营； 通过对已开挖地表的移动与变形的预计，可以获取地表已发生的和尚余的移动与变形量发生的时空规律，从而确定资源环境的可持续利用形式； 而通过对地表及其近邻建(构)筑物的安全监测，可以验证地表的移动与变形的时空规律、判断预计结果的可靠性，并掌握其近邻建(构)筑物的变