开采损害学课程讲义-2

2.稳态地表沉陷盆地位置与建筑物受损关系3.和谐开采中开采工作面推动方向与建筑物的关系我国国有煤矿“三下”(建筑物、铁路、水体下)压煤总量超过133亿t，其中建筑t量为最大，第二确实是工业场地及公用和民用建筑物下压煤。因此解决建筑物下压煤的开采问题，关于煤炭工业可持续进展具有重要的意义。(1)开采方式b)部份(条带)开采方式；c)和谐开采方式(2)建筑物加固方式(3)岩层离层充填减沉方式(1)村落下开采(2)城镇下开采(3)开采新理论与新技术动变形对建筑物的阻碍发的地表移动对建筑物的阻碍1.然因素引发的建筑物损坏(1)与湿度有关的地基土的物理性能转变由于蒸发、腐臭进程或植物吸收水分15~30%。由于建筑物地基不同位置的干燥程度不同，使土体产生拱形鼓起，衡宇基础弯曲引发衡宇结构的变形破坏。(2)地壳运动在有褶皱的岩层中，在构造应力的作用下，在应力平稳进程中可面可能产生裂痕。在波兰上西里西亚的某地长期观测说明，地表下沉为150mm，水平变形达m，其缘故不是地下开采阻碍而是地壳构造运动阻碍的结果。(3)山体滑移在山区地表的建筑物往往会因表土层的蠕动滑移破坏，专门在雨季期间，在山体坡度较大的条件下，山坡表土层会发生蠕动滑移而损坏建筑物[32]。(4)湿陷性黄土的湿陷作用位于陕西、山西、内蒙、甘肃等黄土台塬地域的新mmm时，就会显现破坏裂变了土层原始结构，使黄土间隙扩大形成空洞，致使地表塌陷[31]。2.人为因素引发的建筑物破坏(1)地基或基础质量不行若是建筑物基础未埋入土体内足够的深度，或地基土体的承载能力不够，或基础放在未压实的回填土上，那么建筑物上可能显现下沉或剪切引发建筑物上的垂直剪切裂痕。(2)建筑物结构设计有缺点主若是建筑物未设变形缝，专门是在繁重结构或材料转变的地址等均会致使建筑物的破坏。(3)建筑材料质量差或建造工程质量低表现为墙内墙皮脱落，门窗横梁歪斜和支柱的不均匀下沉。非采矿引发建筑物破坏因素很多，在实践中应详细观看研究。损害垂直方向的移动变形(下沉、倾斜、曲率、扭曲)，水平方向的移动变形(水平移动、拉伸与紧缩变形)和地表平面内的剪应变引发。不同性质的地表移动变形，对衡宇的阻碍是不同的。1.开采沉陷衡宇损害类型(1)下沉对衡宇的损害(a)均匀沉陷与非均匀沉陷阻碍(b)地下水位阻碍(c)局部沉陷对建筑物附属设施功能的阻碍(d)对建筑物基础承载能力的阻碍(2)倾斜对衡宇的损害地表倾斜衡宇的歪斜衡宇重心偏离产生附加倾覆力矩承载结构内部将产生附加应力基础承载压力从头散布。(a)改变了衡宇结构的承载力的平稳条件，在倾斜下边一侧的墙体由于受到偏心力的作用，产生水平剪切力，一样沿墙体下方靠近基础部位产生水平剪切裂痕(图)。(b)地面易于积水，楼房底层发生下水道倒流等现象，阻碍正常生活和利用。(c)尤其对高层建筑物的损害明显。(3)地表曲率对衡宇的损害(a)地表曲率变形将原先衡宇的平面基础变成曲面形状。如此，建筑物的荷载与基础土壤反力间的初始平稳状态受到了破坏。(6)扭曲变形对衡宇的损害(b)衡宇在受到正、负曲率阻碍下，将使地基反力从头散布，而使衡宇墙壁在竖直面内受到附加的弯矩和剪力的作用(图)，(c)在正曲率变形作用下，衡宇产生倒八字形裂痕，裂痕最大宽度在其上端；d形作用下，衡宇产生正八字形裂痕，裂痕的最大宽度在其下端(图)。厚之比H/m<30时，地表将产生极为严峻的裂痕，塌陷坑等非持续移动变(4)地表水平变形对衡宇的损害(a)一样拉伸变形易于损坏衡宇；(b)紧缩变形较小时，阻碍不大，较大时，破坏更严峻；(5)剪切变形衡宇损害宇改变了原有的平面形状(图)yx2(x)21-1y3344y个横墙处的地表倾斜值不同，致使了地表沿衡宇的纵轴中心线产生了扭曲变形，致使衡个横墙处的地表倾斜值不同，致使了地表沿衡宇的纵轴中心线产生了扭曲变形，致使衡2.移动盆地内不同位置移动变形对建筑物的阻碍如图中所示，位于移动盆底位置的建筑物受阻碍程度最小(建筑物a)；移动盆平底至靠近开采边界部份，建筑物受紧缩变形(建筑物b)；移动盆地紧缩变形区之外的建筑物受拉伸变形(建筑物c)；在拉伸变形区与紧缩变形区过度的位置，建筑物倾斜变形最大(建筑物d)；在靠近开采边界拐角内外位置的建筑物，受到复杂的变形破坏，对建筑物最为不利(建筑物e)。依照建筑物的长轴方向与开采工作面推动方向的关系分析，建筑物的长轴与工作面推动方向垂直时，对建筑物最有利，这种情形下，建筑物情形下建筑物不仅受到拉伸、紧缩变形破坏，而且受复杂的扭曲与剪切变形破坏。在布置开采工作面时应遵循以下原那么：(1)尽可能使要紧爱惜建筑物位于移动盆地的平底位置；(2)尽可能使要紧爱惜建筑物的长轴与开采工作面或开采边界平行；(3)幸免建筑物与开采工作面或开采边界斜交；信有利的开采方案；(5)由爱惜建筑物的重要程度和散布情形分析确信开采方案。bbdaececb3.开采衡宇损害程度分级沉陷盆地的位置，③三是取决于衡宇本身的结构条件。④区分建筑物类型我国将长度或变形缝区段内长度小于20m的砖混结构衡宇破坏分为四个品级[19]，见表8-1。其它结构类的建(构)筑物可参照表8-1执行。文献[8]给出了土筑平房破坏品级与地表变形的对应关系(表8-2)。表8-1砖石结构建筑物的破坏(保护)等级地地表变形值损坏坏等级ⅠⅡⅢⅣ建筑物损坏程度端抽出小于60mm；砖柱上出现小于端抽出大于60mm，砖柱出现大于e>K>i>坏表8-2建筑物(土筑平房)破坏(保护)等级与地表变形的关系筑物损坏程度裂缝地表变形值K~~~i~~e~一二三拆除~11~~(1)建(构)筑物损害品级鉴定依据 (c)2000年5月国家煤炭工业局颁发的《建筑物、水体、铁路、及要紧(2)受损品级划分标准依据上述鉴定标准，建(构)筑物的破坏划分为四个品级：一级破坏程度(A级)：结构承载力能知足正常利用要求，未发觉危险点 二级破坏程度(B级)：结构承载力大体能知足正常利用要求，个别结构构件处于危险状态，但不阻碍主体结构(自然间砖墙上显现宽度小于15mm的裂痕，多条裂痕的总宽度小于30mm；钢筋混凝土梁、柱上裂痕长度小于三级破坏程度(C级)：部份繁重结构承载力已不能知足正常利用要求，衡宇局部显现险情(自然间砖墙上显现宽度小于30mm的裂痕，多条裂痕的四级破坏程度(D级)：繁重结构承载力已不能知足正常利用要求，衡宇整体显现险情(自然间砖墙上显现宽度大于30mm的裂痕，多条裂痕的总宽然间砖墙上显现严峻交叉裂痕、上下贯通裂痕，和墙体严峻外鼓、歪斜；钢筋混凝土梁、柱裂痕沿截面贯通；有倒塌危险)，组成整栋危房，已严峻阻碍方法通过适合的开采方式或方法，能够有效地减小或操纵采动引发的地表移动变形，达到爱惜建筑物的目的。在生产实践中比较有效和经常使用的有以下几方面方法。减沉开采方式既是通过采场顶板治理方式的改变，操纵顶板的下沉量而达到减缓地表沉陷量。经常使用的方式为充填开采方式和部份开采方式(1)充填开采方式。采纳全数跨落法治理顶板时，地表最大下沉值可达采厚的60%~(2)部份开采方式。减小地表移动和变形值的另一项有效方法是采纳部份开采法。其实质是将被开采的矿层划分成假设干条带，开采一条(即采出条带)，保留一条(即保是采出率低(一样采出率为50%-60%)，掘进率高，开采工艺复杂，效率较低。部份开采的优缺点及其选用原那么部份开采的采留宽度与采深关系表采宽，m部份开采类型：冒落部份开采和充填部份开采两种形式，经常使用的是冒落部份开采。这种方式的不足的地方是工艺复杂，本钱高。部份开采的特点①下沉系数(n)很小，为；tgβ较小，一样为；②水平移动系数较小，为。④移动期较短a)地面建筑物十分密集、结构复杂的建筑物、有纪念性建筑物、铁路隧道等，它们由于技术和经济上的缘故不适于采取建筑物加固或充填方法；d)矿层层数少，厚度比较稳固，断层少；e)临近采区的开采不致破坏煤柱的完整性。(3)覆岩离层充填方式是利用矿层开采后覆岩层裂进程中形成的离层空间，借助高压注浆泵，从地面通过钻孔下图(a)离层发生的条件和扩展规律开采引发上覆岩层的离层发育的全进程可分为四个时期(图)，在整个变形进程中遵循三个力学准那么[36][39]：tt>[t]开采引起连续弯曲层间剪切滑动非协调挠曲产生张应力t产生离层①离层第一时期：持续弯曲带产生。地下开采引发上覆岩层自下而上地产生着变形形成了冒落带、裂隙带和持续弯曲带。持续弯曲带中的组合岩梁(板)由于弯曲在层面上产生了剪应力，层面剪应力的产生沿着持续弯曲带也已形成，同时又标志着第二时期的开始。②注浆的支承作用②离层第二时期：剪切滑移。层面剪应力τ一经产生，就遵循着离层第一准那么—的相对大小。当τ≤[τ]时，沿层面具有剪切滑移的趋势；当τ>[τ]时，沿层面产生剪切滑移。剪切滑移的产生，为第三时期制造了前提条件。③离层第三时期：非和谐挠曲。沿层面产生剪切滑移是层面之上的上位岩梁(板)和其下的下位岩梁(板)沿层面为界分层。分层后可否发生离层，关键取决于上位岩梁 (板)的挠度ωu和下位岩梁(板)的挠度ω入之间是不是和谐，即遵循离层第二准那么——挠度准那么。当ωu=ω入时，上位岩梁(板)和下位岩梁(板)产生和谐挠曲；当ωu是进入第四时期(离层)的必要预备。生离层现象，要遵循离层第三准那么——张应力准那么，即视层面上张应力σt和层面抗拉强度[σt]的相对大小而定。当σt≤[σt]时，层面上不产生离层，而只发生拉伸变形；离层三个准那么是离层产生的充分必要条件，缺一不可，即知足第一准那么(8-1)层面只能产生滑移；知足第一、第二准那么(>[](8-2)上、下岩梁产生非和谐挠曲；只有第一、第二、第三准那么全数知足，即(>[]〈〈w<w(8-3)(b)覆岩注浆减沉机理姜岩(1996)、张玉卓(1996)对注浆减沉机理作了探讨。覆岩注浆能够减缓矿山开采引发的地表沉陷，其减沉功能要紧表此刻以下五个方面：①注浆的充填作用覆岩注浆确实是选择最正确的注浆机会充填离层间隙(V)，借以减少地下开采空间在地表的传播量，从而减小地表沉陷量。赋存在封锁离层空间中的注浆材料能够对其上覆岩层起到支承作用，阻挠和减缓了上覆岩层继续下沉的进展，因此能够减缓地表沉陷。③注浆的胶结作用当注浆材料能够自行固结时，能够使分离的岩层胶结起来，使岩层的整体结构取得增强，提高了岩层的力学强度和抗剪切变形能力，减少了岩层继续下沉的进展。④注浆的膨胀作用煤系地层往往含有蒙脱石、伊蒙混层矿物等膨胀性粘土矿物，当注浆层位含有遇水膨胀岩石时，注浆能够使其膨胀而占据离层空间。⑤挤压密实作用地面高压注浆能够对离层的下部岩层及周围岩层施加压力，使其间隙压密，增强了(c)覆岩离层注浆的关键工艺技术①注浆材料为了达到良好的注浆成效，要求注浆材料要有良好的脱水性和流动性，一样选择粉煤灰并配以倍量的水作充填料，粉煤灰粒径在~范围。②离层注浆的空间位置倾斜矿层开采时，注浆孔位于沿开采工作面方向中央偏上位置；沿倾斜方向滞后于注浆孔深度一样以孔底到裂隙带的中上部位置，幸免充填浆液通过导水裂隙带漏入采空区，同时要以这一范围形成大的离层条件的坚硬岩梁(关键层)确信一个或多个注浆孔位置。③注浆孔密度与注浆压力一样初始注浆压力达6~8Mpa，随着离层裂隙的沟通，注浆压力下降到正常注浆压力(2Mpa左右)，当离层空间浆液注满时，注浆压力将慢慢升高。2.和谐开采方式规律，通过合理的开采布局，开采顺序、方向、时刻等方式减缓开采地表变形值。下面介绍几种常见的和谐开采方式。(1)减小开采边界阻碍的叠加。2)多工作面和谐开采。在有些条件下，需要布置多个工作面同时开采，使得爱惜建筑物位于开采形成的静态下沉盆底部份，同时考虑开采进程中地表移动变形的动态阻碍，故将开采工作面按必然方式布置，减小开采动态变形阻碍。2建建筑群(3)对称开采方式。3.操纵开采方式(1)限高开采方式。穷制地放矿。当矿层顶底板坚硬不易冒落时，应采纳人工强制放顶。在急倾斜矿层露头处应留足够的爱惜矿柱，避免开采引发抽冒塌陷灾害发生，露头煤柱的留设高度可参考表8-4急斜煤层露头煤柱留设高度参考值煤煤层厚度(m)煤柱高度(m)724356建(构)筑物的抗变形防护方法防护方法1.设置变形缓冲沟设置变形缓冲沟，确实是在建筑物周围的地表挖掘必然深度的沟槽。变形缓冲沟能有效地吸收地表的水平紧缩变形，大大减小地表土体对基础埋入部份的压力，也能够减小水平变形对基础底面的阻碍。如鹤壁矿区在市内要紧公路干线的英雄桥下采煤，在桥缓冲沟应设在靠近墙的突出部位。当建筑物受到一个轴向方向的地表水平紧缩变形阻碍时，可只沿着垂直于变形方向的建筑物所有墙的外侧设置缓冲沟；而当建筑物受到两个轴向方向或斜向地表水平紧缩变形阻碍时，那么应沿建筑物周围设置闭合的变形缓2.设置变形缝设置变形缝，确实是将建筑物从屋顶到基础分成假设干个长度较小、刚度较大、自成变形体系的独立单元。因为地表曲率变形在建筑物上引发的附加弯矩与建筑物长度的平方成正比，因此设置变形缝能够减小建筑物地基压力散布的不均匀性，减小地表变形在建筑物上产生的附加内力，提高其适应地表变形的能力。(1)用变形缝将长度过大的建筑物分割为15~20m的独立单元；(2)在平面形状复杂的建筑物的转折部位设置变形缝；(3)在高度不同或荷载不同位置设置变形缝；(4)建筑物(包括基础)类型不同的位置设置变形缝；(5)地基强度有明显不同的位置设置变形缝；(6)局部地下室的边缘设置变形缝；(7)分期建造的衡宇交壤处设置变形缝。当建筑物位于地表拉伸变形或正曲率变形区时，变形缝的宽度应按建筑物的结构设当建筑物位于地表紧缩变形或负曲率变形区时，其墙壁变形缝和基础变形缝的宽度可按下式计算：A基=c-卜(8-4)关于先位于拉伸变形或正曲率变形区，然后又位于紧缩变形或负曲率变形区的建筑物，其墙壁和基础变形缝的宽度可别离按下式计算：(8-5)式中c-，K+为估量地表拉伸变形值和正曲率变形值，其余的符号含义同上。在式(8-4)和(8-5)中，假设c-<c+或K-<K+，那么变形缝的宽度可与地表拉伸变形或正曲率变形取相同值，即可按建筑物的结构要求来确信。一样情形下，不管建筑物位留设变形缝时，必需将基础、地面、墙壁、楼板、层面全数切开，形成一条通缝。变形缝宜设在已有的横墙周围，并在变形缝的一侧砌筑一道厚度不小于24cm的横墙，以保证建筑物的空间刚度和整体性，并用以支承被切断的楼板和屋面。应当注意，在决定建筑物变形缝的留设宽度时，应考虑其下方各矿层开采所引发的变形叠加问题，同时，在变形缝的施工中，要避免砖石、瓦片、木块等杂物掉入缝内，以避免发生挤死现象。钢拉杆可经受地表正曲率变形所产生的拉应力。设置钢拉杆是减小地表正曲率变形对建筑物墙体阻碍的有效方法之一。收等优势。但由于钢拉杆不能经受横向力和扭转力，它只能限制横向力所引发的破坏不至于继续扩大。设钢拉杆断面应遵循以下原那么：(1)钢拉杆应保证衡宇的砌体在受拉时变形散布比较均匀；(2)钢拉杆的抗拉强度必需大于被箍砌体的抗拉强度。钢拉杆的断面可按以下步骤选取：(1)钢拉杆内力计算。钢拉杆轴心受拉构件，其受的内力可依照等强度条件下按下(8-6)(8-6)dl式中kd—特殊组合系数，取;ll(2)钢拉杆截面计算NAj=n[](8-7)式中Aj——钢拉杆的截面积，m2； L为了保证衡宇砌体在受拉时变形和应力比较均匀，应在钢拉杆与螺栓的连接处加垫本地表正曲率变形较大时，还应在建筑物内墙双侧同时设置。当在双侧同时设置时，其直径应相同。钢拉杆可采纳2号钢或3号钢，其直径按上述方式确信，一样采纳直径为10~30mm。钢拉杆的设置如下图。4.设置钢筋混凝土圈梁设置钢筋混凝土圈梁，其作用在于提高建筑物的整体性和刚度，增强砖面砌体的抗和抗拉强度，并在必然程度上避免或减少裂痕等破坏现象的显现。础联系梁当砖墙繁重的建筑物无横墙或内横墙间距较大时，为减少纵墙基础圈梁所经受的横向弯矩、提高建筑物的刚度，应每隔9m左右设置一根钢筋混凝土基础联系梁。本地表水平变形的方向与建筑物的轴向方向斜交时，还应设置斜向钢筋混凝土基础联系梁，以提高建筑物抗击剪切变形的能力。6.设置钢筋混凝土锚固板当建筑物受水平变形阻碍，尤其受双向变形阻碍、变形方向与建筑物轴线斜交和受专门大的紧缩变形阻碍时，应采纳钢筋混凝土锚固板。可是，对现有建筑物增设锚固板，施工往往很困难，造价也高。因此，此法多用于爱惜有纪念意义或有特殊价值的建筑，而且一样在地表水平变形值达12~15mm/m时才采纳。7.堵砌门窗洞当建筑物受到地表水平紧缩变形和负曲率变形阻碍时，可采纳堵砌门窗洞的方法来提高墙体抗击变形的能力。该方法简便易行，一样用于加固仓库等建筑物。补强技术建筑物维修补强除可采纳建筑物预加固外，还可采纳以下维修补强技术。1.梁、柱补强技术(1)外包混凝土补强法外包混凝土补强法是增大构件截面积和配筋量的一种加固方式，用以提高构件的抗弯强度、抗剪强度和刚度，也可用于修补混凝土上的裂痕。外包材料一样以一般混凝土为主，当外包层较薄、钢筋较密时，可采纳细石混凝土。配筋除采纳钢筋外，也可采纳新浇混凝土强度品级宜比原构件混凝土强度品级提高一级，在加固基础时不得低于(2)外包钢加固补强法外包钢加固补强法是在构件周围包以型钢的一种加固补强方式(图)。它可在构件截外包于构件的钢构架。外包钢构架能够完全替代或部份替代原构件工作，达到加固补强的目2.基础调整与托换技术用千斤顶调整衡宇基础，能够完全排除曲率变形的阻碍，也能够避免和排除倾斜的阻碍。当利用千斤顶调整衡宇基础时，为了安置千斤顶，必需在衡宇内、外基础的底部预先设置钢板或钢盘水泥板，使衡宇在千斤顶作用下整体起落。另外为了完全排除地下开采对建筑物的阻碍，能够对建筑物的基础进行托换。3.墙体补强技术(1)化学灌浆补强技术当建筑物墙体上显现裂痕时，可采纳化学灌浆补强技术。它能够有效地恢复墙体的整体性，补强后墙体外观好。经常使用的化学灌浆材料有环氧树脂和甲基丙烯酸酯类等 (粘合强度)(粘合强度)(2)水泥压浆补强技术这种方式确实是将水泥浆液压注到墙体裂痕、孔洞中，充填并固结这些缺点，以达到补强加固的目的。水泥灌浆具有结合体强度高、材料来源普遍、价钱低和灌浆工艺简便等优势。(3)喷射混凝土补强技术)。固键。当繁重墙显现较多裂痕且有错位、破坏严峻时，可采纳墙体双面配06~8mm的钢m位，可采纳单面配钢筋网喷射混凝土加固。动建筑物设计技术随着煤炭生产的进展，矿区地面建筑物愈来愈多，而且部份建筑物需兴修在采动阻碍区之内。在采动区内兴修建筑物可分为两种情形：一是建筑物在矿层已经采出且地表移动稳固以后兴修，简称为采后兴修；二是建筑物在矿层开采之前兴修，简称为采前兴修。假设为采后兴修，且岩层和地表移动可不能因建筑荷载的作用而产生活动，可按常规方式进行设计、施工；反之，必需适当采取某些抗采动设计技术。当为采前兴修时，依照估量的地表变形值采纳合理的抗采动建筑物设计技术，使建筑物具有