采动区建筑物损害评价研究

1 绪论地下煤层开采出来之后，采空区上方的地表产生移动和变形，波及到建筑物时，建筑物便产生附加作用力，致使建筑物变形和破坏，对建筑物的影响主要有垂直方向的移动变形（下沉、倾斜、曲率）和水平方向的移动变形（水平移动和水平变形） ，以及由此两种移动变形引起的建筑物的扭曲变形、剪切变形。均对人民财产造成了严重损失，必须由煤炭企业对财产所有者进行赔偿。但是同一建筑物按不同鉴定标准对其破环程度进行评定和赔偿，其结果是不相同的，这样就造成了房屋所有者与破坏者各执一词，使工作和生产受到影响。为了使双方都得到一个满意的结果就需要采用一个合理的、科学的建筑物损害评价方法。因此，本文主要探讨采动区建筑物损害的评价方法。1.1 研究背景 我国建筑物下、水体下、铁路下（称为“三下” ）压煤量大，其中以村庄建筑物下压煤量最大。据国有重点煤矿的不完全统计资料，目前我国的“三下”压煤约 137.9 亿 t，其中建筑物下压煤 87.6 亿 t，而建筑物下压煤的 60%为村庄下压煤。部分矿区建筑物下压煤量十分巨大，已经严重制约着矿区发展。据2003 年年底统计，龙口矿区生产矿井总可开采储量 2.34 亿 t，直接影响工农关系的村庄下压煤更为严重，村庄压煤的可采贮量 1.54 亿 t，占总可采储量的65.8%。兖州矿业集团 2003 年底统计，生产矿井总可开采储量 15.90 亿 t，其中村庄下压煤的可采储量 7.89 亿 t，占总可采储量的 49.6%。徐州矿业集团1999 年统计的建筑物下压煤约 4.9 亿 t，占总可采储量的 50%以上。随着社会的发展和生产技术的进步，人们对能源的需求越来越大，作为主要能源的煤炭正大量的从地下开采出来。煤炭从地下采出后，其上方覆盖岩层失去支撑，若岩体内部的原有应力平衡状态受到破坏，引起岩体内应力的重新分布，使采空区周围的岩体产生位移、变形直至破坏。当采空区面积达到一定的范围后，引起采空区上方地表 产生移动和变形。地表的移动与变形影响建筑物的基础，导致建筑物出现移动和变形，甚至出现破坏现象。许多非采矿原因也会造成建筑物损害。而煤炭企业往往只愿意承担由于其地下开采所造成的损害责任，这样就使煤炭企业与建筑物业主之间产生矛盾，尤其在建筑物周围有多个矿井开采的情况下这种矛盾会更加激烈。所以准确地进行开采损害技术鉴定，便成为目前矿区社会经济发展中亟待解决的问题。1.2 国内外研究现状1.2.1 国外研究进展波兰对受采动影响的 11 个矿井的地面现有建筑物进行了详细的调查，他们将不同的影响因素所造成的不同破坏情况，进行了归纳分类，并给出了不同影响因素的权，即“点数” 。影响因素共分为 29 组，计算时必须将每一种影响因素的“点数”相加求总和（缺少其中任何一组，都可能对结果产生重大的影响） ，然后得到总“点数” ，再与现有建筑物保护措施预计表进行对比，就可以得到保护建筑物的措施。前苏联根据多年的研究，提出了用总变形指标 L 反映刚性结构系统房屋损坏程度的方法，即 22()RmHL（ ）式中 L房屋长度，m；地表水平变形预计值，mm/m；， -工作条件系数，见表 1-1；RH房屋高度，m；R曲率半径，m；表 1-1 和 系数值mR建筑物长度（或宽度）/m系数小于 15 15-30 31-45 46-60 大于 601 0.85 0.70 0.60 0.50mR1 0.70 0.55 0.55 0.50根据预计的地表移动变形和房屋长度渴求得总变形值标 ，根据 和房L屋类型通过与表 1-2 比较，就可得到房屋损坏的等级。柔性结构系统房屋损坏程度的允许变形值 的计算式为:L允-3210=4+H6L允当 时，应采取留设煤柱的方法保护房屋。L允表 1-2 总变形指标 与房屋类型对照表L总变形指标 /mmL房屋名称 损坏等级裂缝平均宽度/mm 1-2层 3层 4-5层 1 70 90 130 2 90 130 180 7 150 220 290A.特殊用途的公用建筑：剧院、文化宫、体育馆、办公楼、手术室 8 210 300 400 2 90 130 180 5 130 200 280 10 170 260 340 40 250 360 480B.学校、旅馆、住院部、幼儿园、商店、饭店、厨房、冷藏车、咖啡店、面包房、牛奶房 100 310 400 580 2 90 130 180 7 150 220 290 18 210 300 400 45 260 370 500C.除 A 和 B 规定之外的民房、公房 100 310 420 580 3 120 160 230 5 200 290 380 30 230 340 460 50 270 400 520D.附属性之的房屋：生产的组装车间、生活服务部服务行业的车间、仓库 100 310 450 580英国煤炭的历史悠久，产量曾经位居世界第一位，为英国工业革命提供强有力的能源基础。经过了长期的煤炭开采，具有了相当的煤炭开采和采动区建筑物损害评定的经验。英国的国家煤炭局（NCB）认为，造成建筑物损害的主要因素是地表变形，因此将地表变形、建筑物长度及房屋的损害程度联系到一起。并根据实地观测资料以及多年经验总结出破坏等级分类表 1-3。表 1-3 破坏等级分类表建筑物长度变化/m破坏等级 典型破坏的描述小于0.03很轻微或可忽视建筑物抹灰有细裂纹，或者有孤立的小裂缝，在外部看不见0.03-0.06 轻微的 建筑物里面有一些细裂缝，门窗稍有卡住，可能室内装饰要进行修缮0.06-0.12 明显的 可在建筑物外面见到小裂缝（或一条大裂缝） ，门窗卡紧，管道可能破裂0.12-0.18 严重的管道破坏；结构物开裂后透风，需要修补；门窗框架变形；地板明显倾斜；梁失去若干支撑。受压缩破坏时，屋顶结合处交错；砖砌体凸起并出现水平裂缝大于0.18 很严重 比上面的更厉害，需要部分或者全部翻修；屋顶和地板梁失去支撑，需要加撑；窗户变形后折断；地板严重倾斜；受压缩破坏时1.2.2 国内研究进展1.2.2.1 20 世纪 50 年代我国的开采沉陷研究工作从建国后才开始,1953年北京矿院矿山测量教研室聘请苏联专家哥尔地克,首次为青年教师和研究生讲授“岩层与地表移动”课程。1955年“岩层与地表移动”作为一门专业课程正式成为我国第一届矿山测量专业大学生而设。1954年在开滦矿务局林西矿设立了我国第一个地表移动观测站。1956 年成立的开滦煤炭研究所(现煤炭科学研究院唐山分院)矿山测量研究室积极开展岩层与地表移动的实地观测研究工作。1959年煤炭科学研究院北京开采所矿压室(现特采室)开始专门从事开采沉陷及防护的研究实验工作。1960年开始研究岩层与地表移动规律及建筑物下采煤的实验工作。此后,我国的开采沉陷研究工作得到了较快的发展,取得了许多研究成果,为煤炭工业的发展和国民经济建设作出了贡献。1.2.2.2 20世纪60年代1963年唐山煤炭研究所根据实测资料分析,建立了地表下沉盆地的负指数形式剖面函数。1965年,中国学者刘宝深、廖国华编著了煤矿地表移动的基本规律将概率积分法全面引入我国,至今已成为预计开采沉陷的主要方法。钱鸣高等在70年代末提出了砌体梁假说,后来又提出了关键层理论和复合关键层理论。宋振骐于80年代初提出了传递岩梁假说。1978年,刘天泉提出了保全煤柱开采方法, 1981年又与仲惟林等学者合作,研究提出覆岩破坏的基本规律,并针对水体下采煤提出一些经验性的成果和方法。1983年,马伟民、王金庄等组织编著了煤矿岩层与地表移动,详细地总结了前一段的研究成果。1.2.2.3 20世纪8090年代至今80、90年代至今,我国开采沉陷理论和实践研究出现了日新月异的发展。何国清、马伟民、王金庄建立了碎块体理论地表沉陷的威布尔分布。周国铨、虞万波、崔继宪等提出了负指数函数法计算地表移动。邹友峰对地表下沉预计方法进行了研究。王金庄等建立了用于预计主断面地表下沉的典型曲线法。谢和平应用有限元分析岩层移动规律。刘天泉提出和发展了矿山岩体采动影响与控制工程学。杨伦提出了岩层二次压缩理论,将地表下沉直接与岩体的物理力学性质联系起来。李增琪建立了岩层移动的三维层状模型。张玉卓提出了岩层移动的位错理论。杨硕建立采动损害空间的力学模式。邓喀中提出了岩体开采沉陷的结构效。吴立新、王金庄提出了条带开采覆岩破坏的托板理论。于广明从非线性科学角度认识开采沉陷的复杂性。徐乃忠、郭惟菇研究了采动覆岩离层形成的基本规律和离层注浆控制地表下沉的理论与实践等等。在岩体和地表开采沉陷的数值模拟上,许多学者利用不同的模型模拟,得到了一些非常有价值的成果。张玉卓的模糊内时有限元法;谢和平的损伤非线性大变形有限元法;何满朝的非线性光滑有限元法;邓喀中的损伤有限元法;王泳嘉、张玉卓和麻凤海的离散单元法等等。另外,也有许多适合岩土工程数值计算的数值软件,如北京大学的NOLM系列程序、清华大学的TFINE系列程序、西安矿业学院的NCAP系列程序、中国矿大的AD INAM程序和中科院武汉岩土所的JRNA系列程序等等。这些都为开采沉陷的计算拟合和定量预测莫定了基础。我国开展采动区建筑物损害评价工作虽然比国外晚，但是通过广大科学工作者在理论和实践上的不断努力，取得了很多可喜的成就，大大缩短了与国外同类研究的距离。经过多年的研究和经验积累，中华人民共和国煤炭工业局2000年5月颁布的建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程中，给出了长度或变形缝区段内长度小于20m的砖混结构建筑物按不同地表变形值划分破坏等级的标准。1.3 研究目的在大量开采损害技术鉴定工作的基础上，对开采损害技术鉴定方法进行系统研究，提出采动区建筑物损害的评价方法和鉴定程序，准确的进行采动区建筑物损害的技术鉴定，使赔偿更加合理，企业和建筑物所有者都满意。促进矿区乃至社会的稳定和可持续发展。1.4 存在的问题采动区建筑物损坏评定指标涉及的因素较多，是一项复杂的系统工作。在建筑物下采煤时，只有正确选择和认识建筑物的损坏评定指标，才能够对建筑物采取有效的保护加同措施。目前还没有一个全面考虑地表变形值、地基性质、建筑物长度和高度等因素的适合采动区建筑物损坏的标准评价指标。现有建筑物损坏程度评定指标主要存在以下缺点：在地表移动变形通过地基传递给上部结构的过程中，采动引起的地表移动变形、建筑物地基、基础和上部结构的共同作用才造成了建筑物的损坏。目前对作用过程的研究较少。我国规程中制定的建筑物损坏程度评定指标，并不是对所有的矿区都适用。我国矿区建筑物的类型不再是单一的平房，建筑物的结构也不相同，并且建筑物的k度、宽度、刚度、强度也存在着著异，这些因素与采动区的建筑物损坏程度密切相关。因此，相同的地表移动变形值对不同类型的建筑物变形的影响不同。为此，对于同一种结构不同类型的建筑物，采取统一的评定指标是不合适的。房屋一旦损坏就会涉及房主利益，产生矛盾。房屋损坏不但影响美观，还会使煤矿的工作难度增大和经费支出偏高。确切的建筑物开裂的地表移动变形临界值无法确定。1.5 本文的研究内容煤炭的开采和利用，给人类带来巨大的经济效益和社会效益的同时，不可避免的会造成地面沉陷，从而导致地面建筑物的损坏。房屋一旦开裂就会涉及经济赔偿问题，如果解决不好就会带来严重的负面影响。为此，本文将研究采动区建筑物损害的影响因素、现有建筑物损害的评定标准和进行采动区建筑物损害的实例分析。1.6 研究的方法和技术路线1.6.1 研究方法本文主要采用经验总结法和检索、查阅相关文献来进行采动区建筑物损害的评价。1.6.2 技术路线查阅大量相关文献，了解国内外研咨询老师获得相关方面权威信息2 采动区建筑物损害的依据和定级2.1 地表移动变形对建筑物的影响地下矿体被采出后，在岩体内部形成一个空洞，导致覆岩原有应力平衡遭到破坏，直至到达新的平衡。在这一个过程中，岩层移动发展到地表，就会使地表产生移动和变形。不同结构的建筑物，其承受的地表移动和变形值的大小确定研究课题：采动区建筑物损坏评定检索、查阅相关文献访谈、反馈制定研究计划进行资料整理经验总结法研究究事例论证利用文献资料法、访谈法和经验总结法，对掌握的数据资料进行梳理，得出结论。是不一样的。例如，砌体结构的强度低，抗变形能力差，较小的地表移动变形值就可能引起建筑物的破坏：相比而言，土坯房屋，更容易破切。但是，在建筑物正常使用寿命周期里，各类建筑物都有承受最大允许变形值的极限。当开采引起的建筑物变形小丁最大允许变形值时，建筑物不会受到多大的影响：若变形大于最大允许变形值时，建筑会受到结构性的破坏，严重时可能导致倒塌。地表移动变形对建筑物的影响因素主要有：下沉、倾斜、曲率、水平变形。但是，对建筑物的破坏，往往是几种地表移动变形共同作用的结果。2.2 地表移动变形与建筑物变形的关系地表移动变形具有空间和时间性，随着移动变形的发展，建筑物与地基之间的初始应力遭到破坏，从而建筑物中产生了附加应力，导致建筑物发生变形，甚至造成严重的破坏。建筑物的基础与地基直接接触，因而，地表移动变形首先传递给基础。对建筑物进行受力分析，可以知道，基础把地表移动变形向上又传递给上部结构，从而引起了建筑物的变形。在现实中，地表移动变形与建筑物变形并不是一致的。建筑物基础的材料、长度、宽度、荷载以及地基性质等因素，对建筑物变形与地表移动变形的关系有影响。此外，建筑物所处采动区的位置不同，地表移动变形对建筑物的影响也会不同。掌握采动区地表移动变形与建筑物的关系，对建筑物采取保护措施起着关键性的作用。我国根据现场观测资料对砖墙承重建筑物变形与地表移动变形之问的关系进行了分析。下面列出峰峰矿区采用总变形指标方法衡量建筑物破坏程度，即： 22()HLR式中 总变形指标，mm；LL建筑物长度，m；H建筑物高度，m；地表水平变形mmm。2.3 采动区建筑物损坏等级的评定标准2.3.1 采动区建筑物损坏等级评定的意义进行建筑物下安全采煤的关键是保证建筑物安全，但建筑物本身亦有一定的抵抗变形的能力。建筑物不需要维修仍能保证正常使用所允许的地表最大变形值称为临界变形值。下表给出部分国家的建筑物允许变形值。从表2-1可见，不同国家乃至统一国家的不同地区建筑物的临界变形值是不同的。表 2-1 一些国家的建筑物允许变形值国家 压缩（mm/m） 拉伸（mm/m） 倾斜（mm/m） 曲率半径 （Km） 备注英国 1（30m 长建筑物）法国 12 0.5 管线12德国 0.6 0.60.5 机械基础波兰 1.5 1.5 2.5 200.5 0.5 混凝土基础1 1 木板房日本5 5 废弃公房2 2 4 20苏联2 4 6 3美国 0.8 0.4 3.3地表变形值大于临界变形值后，建筑物会出现明显的不同程度的破坏。在进行建筑物下采煤时，一般首先是根据地址采矿条件预计地表移动变形，然后由预计的地表移动变形值大小依据有关建筑物损坏等级评定标准评定建筑物损害程度，在此基础上提出相应的建筑物加固措施或井下开采措施，最后确定经济合理的开采方案。由此可见，研究采动区建筑物的临界变形值和损害等级评定标准非常重要。2.3.2 我国建筑物损坏评定标准在我国矿区中，大多数为砖混结构和砖木结构建筑物，少量为木（竹）排架结构房屋和土筑平房。这些房屋大多数为平房，且长度小于 20m，针对这一情表 2-2 砖石结构建筑物的破坏（保护）等级地表变形值损坏等级建筑物损坏程度 水平变形/