采动区建筑物移动变形与地表移动变形关系研究

采动区建筑物移动变形与地表移动变形关系研究

刘治国

山西华润煤业有限公司山西省太原市030012

摘要：矿山开采导致地表移动变形，从而使位于采动区的建筑物损害，建筑物移动变形与地表移动变形关系是采动区建筑物损害评定及抗变形设计的基础，对此进行研究具有重要的理论与实际意义。本文通过现场实测及对实测资料的分析，研究了不同类型建筑物位于工作面不同位置时，建筑物下沉、倾斜、曲率、水平变形与相应的地表移动变形的关系，获得了其变化规律，分析了不同区域建筑物应采取不同的抗变形措施，这一研究为采动区建筑物保护和设计提供了基础。

关键词：拉伸变形区，压缩变形区，井下开采

1建筑物观测站概况

研究区的建筑物为位于国内某矿的超长工作面上方，选择一幢村学校和一幢民房，村学校两层楼房，建筑尺寸为58m×8m×6m，建筑质量一般；民房为平房，建筑尺寸为16m×8m×3.5m，建筑质量一般。学校、民房均为砖石结构建筑物。

为研究建筑物移动变形破坏与地表移动变形的关系，分别在建筑物和对应地表设置观测点，根据这些观测点观测不同时间建筑物移动变形与地表移动变形，从而研究建筑物移动变形与地表移动变形的关系，下面的分析基于该方法进行的。

2建筑物变形与地表变形关系

在地下开采的影响下，地表的移动和变形取决于地表各点在时间-空间上与回采工作面相对位置关系。建筑物的变形是由于采空区上方及其周围地表产生的移动与变形作用于建筑物的基础，导致建筑物受到附加应力而产生的。在采动过程中地表产生各种变形（下沉、倾斜、曲率、水平移动和水平变形），建筑物亦将受到这些变形的影响。地表移动盆地是随着开采工作面的推进逐渐形成的，随着地表产生的移动与变形，破坏了建筑物与地基之间的初始平衡状态，伴随着力系平衡的重新建立，使建筑物产生附加应力，从而导致建筑物发生变形，严重时将遭到破坏。

由于建筑物位于工作面不同位置时，所受到的移动变形不一样，当建筑物位于煤柱上方时受拉伸变形和正曲率作用，而当工作面推过建筑物后，建筑物位于采空区上方，受压缩变形和负曲率作用，由于两者对建筑物的影响不同，从而使建筑物移动与地表移动变形的关系不同，因此，必须分开进行研究。

2.1建筑物下沉与地表下沉关系

根据观测资料，分别研究了学校和民房位于正曲率和拉伸变形区及位于负曲率和压缩变形区时，建筑物下沉与地表下沉的关系可以得出以下规律：

（1）学校下沉比对应的地表下沉大，民房下沉比地表下沉小，这是由于学校高度大，建筑物载荷相对大，在采动影响下，由于地基应力重分布的影响，更容易切入地基，从而导致学校下沉比地表下沉大；而民房相对单位载荷小，从而使建筑物下沉小于地表下沉；

（2）位于正曲率和拉伸变形区建筑物下沉系数（建筑物下沉与地表下沉之比）比位于负曲率和压缩变形区的建筑物下沉系数大。其原因为，建筑物位于正曲率区时，建筑物与地基为点接触，在同样建筑物作用下，产生的地基附加应力更大，基础切入地基[13]的量更大。而位于负曲率区时，建筑物与地基为两点接触，在同样建筑物作用下，产生的地基附加应力相对更小，基础切入地基的量也更小，从而使位于负曲率区的建筑物下沉系数比位于正曲率区的建筑物下沉系数小。

2.2建筑物倾斜与地表倾斜关系

根据观测数据，经分析计算，获得了建筑物倾斜与地表倾斜，将两者进行统计分析，建筑物倾斜与地表倾斜具有以下规律：

（1）位于负曲率和压缩变形区时，建筑物倾斜系数（建筑物倾斜与地表倾斜之比）大于位于正曲率和拉伸变形区的建筑物倾斜系数，其原因与建筑物下沉与地表下沉关系一样，说明位于负曲率和压缩变形区建筑物基础切入地基的量小，建筑物随地表倾斜而倾斜，位于正曲率和拉伸变形区的建筑物基础切入地基的量大，吸收了部分地表倾斜，从而使建筑物倾斜小于地表倾斜。

（2）对同一建筑物来说，位于正曲率和拉伸变形区时，墙体的倾斜小于基础的倾斜，而位于负曲率和压缩变形区，则是墙体的倾斜大于基础的倾斜。

2.3建筑物曲率与地表曲率关系

建筑物曲率表示建筑物受采动影响时，随地表的弯曲程度，由于建筑物自身具有一定的刚度，在地表变形过程中，建筑物基础与地基存在协同变形，部分建筑物基础切入地基，减小了建筑物弯曲，建筑物曲率比地表曲率要小很多，这一见效量与建筑物的高度、长度等有关，通过分析观测资料获得如下规律：

（1）总体来说，建筑物曲率小于地表曲率，这是由于建筑物有一定的刚度，可以抵抗一定的曲率变形，不完全随地表弯曲而弯曲；

（2）位于正曲率区的建筑物传递的地表曲率比位于负曲率区的大；

（3）建筑物高长比（建筑物高度与长度相比）越小（学校高长比为0.10,民房为0.22），在正曲率区随地表的弯曲程度越大，这是长高比大的建筑物容易损害的原因，由此可见，在同样长度的条件下，高层建筑物比低层建筑物抗曲率变形更强，越不容易损害。

2.4建筑物水平变形与地表水平变形关系

在采动影响下，地表水平变形通过地基与基础接触面传递给建筑物，导致建筑物产生拉伸和压缩变形，从而使建筑物拉坏或压坏。传递到建筑物上的水平变形大小与建筑物基础与地基接触面及摩擦力有关，接触面和摩擦力越大，传递到建筑物上的水平变形越大，通过对现场数据的分析，得到如下规律：

（1）对同一建筑物而言，传递到基础的水平变形大于传递到墙体的水平，因此，为防止水平变形对建筑物的损害，应加强基础的强度；

（2）位于不同变形区的建筑物，地表水平变形传递到建筑物的量不同，压缩变形区的建筑物传递的水平变形比拉伸变形区的传递的少，对于学校而言，拉伸区水平变形系数（建筑物水平变形与地表水平变形比值）大约是压缩区水平变形系数的4倍，民房为2倍多，分析原因是，学校建筑物高度和长度均较大，学校长高比为民房长高比的2倍，导致两者的水平变形系数也接近2倍。

（3）位于拉伸区的建筑物传递到建筑物上的水平变形与建筑物的长度、高度无关，两者的水平变形系数近于相同。

3结论

通过对位于采动区不同位置的不同建筑物移动变形与地表移动变形数据的分析，得到以下结论：

（1）当建筑物位于正曲率和拉伸变形区时，建筑物传递的地表下沉、曲率、拉伸变形比位于负曲率和压缩变形区的建筑物大，建筑物更容易损害，因此在设计采动区建筑物时，对于不同变形区的建筑物应采取不同的保护措施；

（2）建筑物长高比对建筑物移动变形有影响，建筑物长高比越大，传递的地表曲率和水平变形越大，建筑物越容易损害，反之成立，因此，对于采动区建筑物，增大建筑物高度和减小建筑物单体长度，可以提高建筑物抗变形能力；

（3）位于负曲率和压缩变形区时，建筑物倾斜系数（建筑物倾斜与地表倾斜之比）大于位于正曲率和拉伸变形区的建筑物倾斜系数。

（4）对同一建筑物而言，传递到基础的水平变形大于传递到墙体的水平变形，为防止水平变形对建筑物的损害，应加强基础的强度；

（5）位于压缩变形区的建筑物传递的水平变形比位于拉伸变形区的传递的少，位于拉伸变形区的建筑物传递到建筑物上的水平变形与建筑物的长度、高度无关，两者的水平变形系数近于相同。

参考文献:

[1]周国铨等编著：《建筑物下采煤》，煤炭工业出版社，1983

[2]煤炭科学研究院北京开采所编著：《煤炭地表移动与覆岩破坏规律及其应用》，1981

[3]金学林主编：《误差理论与测量平差》，煤炭工业出版社，1990