地下开采岩体移动对矿区建筑物安全影响研究

孙明亮

（铜源国际工程设计研究有限公司，河北 秦皇岛 066000）

近些年来，地下矿场开采所引起的岩体移动变形问题已经有了新的进展，目前专家学者针对开采矿所引起的地表变形和线路等特征问题展开了模型试验研究做了三维有限元综合分析，依据采矿地表变形规律产生的位移情况做了价值结果导向分析，以此来确定岩层对应的移动变形问题。在此期间，可采用有限单元法和有限差分法进行数值计算深入，以便探讨岩体移动变形对矿区建筑物的安全性影响[1]。因此本文主要依据弹性力学理论探讨矿山安全生产以及矿山建筑安全，并得出对应的建议。

1 地下开采岩体移动国内外研究情况

岩体移动所产生的影响是岩石力学领域中的主要研究课题，主要是因为其与国民经济、基础建设、资源开发、环境保护以及减灾防灾等具有重要具有十分重要的联系。国内对岩体移动所产生的预计分析展开了多样化的研究工作，并取得了较多价值性成果。但是在工程开挖时，若是其引起了地表移动，那么比较常采用预计分析方法作为地表移动变形预计方法。目前人们可通过论证覆岩岩性与地表最大下沉值之间的联系，预计地表最大下沉值位置，优化设计地表客体安全生产情况，逐步减少基础理论的局限，使预期结果与实测结果之间相符[2]。通过相关研究，人们知道了覆岩的岩性与地表移动变形值之间存在较大联系，一般来说，影响传播方向与其也有影响情况，矿城倾斜角度越大，移动变形值越大，二者之间的长度方向接近于垂直向上，在开采时要采取合理的措施减小地面移动取值，提升地面建筑物的安全应用。即使地表移动研究已经取得了较可观的结果，但还存在着一些问题不太确定，研制出新颖的科技以及其他工艺作为工程施工的主要载体。

2 地下开采岩体地表移动变形研究方法

（1）可变形连续固体力学法。在研究过程中，大部分的工作者都致力于将地表下沉以及水平移动规律的数学模式进行模型测验和计算。其中阿维尔森给出了对应的地表下沉盆地剖面图形公式，这一公式是学者计算地表移动的主要公式。但该种公式是依据经验所总结出来的，概念上局限性强，很难说明岩体移动的本质以及内在联系，没有形成系统性的研究理论，只能用于计算一些实际、简单问题，存在用途局限情况。用可变形连续固体力学或者弹性组合模型所研制出来的岩体移动力学公式，一直受到相关学者的重视，已经取得了部分客观研究。

（2）随机介质力学模型。随机介质力学理论是由波兰学者所提出，在20世纪60年代引入国内的一种力学研究方法，已经在各矿区进行地表移动预计时被广泛应用。该种方法所产生的随机介质理论模型十分可靠，推导过程严密，可用于理论分析以及编程结算，实现对下层盆地的精确描述。经过长期性的修改以及补充，该项模型理论已经能适应大多数的地质变形情况，属于成熟性的地表移动以及变形预计方法。

（3）计算参数确定方法。随着地表参数确定方法的不断改进，目前有三种方法比较常用，即为工程类比法、反分析法及模型模拟分析法，第二种方法受到更多人群的关注和重视。反分析法中的神经网络研究方法是一种非线性的研究方法，其可利用非线性系统特征，使单个神经元功能全面调整，形成神经元网络系统。目前已有的神经网络系统可分为三类，且该项神经网络系统的应用领域十分广泛，可将共性有问题自主探索，了解相关领域的概念特征，使岩石力学采矿工程在各个领域得到广泛应用，以神经网络预测地下采矿所引起的地面移动情况，采用多层线性神经网络将大量实测资料以及数据训练和测试，把岩石参数作为主要输入变量，地表移动参数作为输出变量，实现神经网络中移动参数的分析。

3 矿区开采时对地表稳定性的影响

（1）对上覆岩层以及开采深度的影响。通过对有限元软件的使用，设置了相应的模型，综合的考虑矿区地下开采过程中对地面建筑物造成的影响。一，对开采深度会造成影响。在开采的过程中，深度一直在增加，这样地表沉陷就会逐渐的减小，最大水平变形也会逐渐的变小，但是下沉盆地的具体范围也在持续的扩大，与此同时，变得非常的平缓。第二，对上覆岩石的性质造成影响。在岩石硬度增加的条件之下，表面的最大垂直位移以及最大水平位移都会出现减小的情况。在复合岩层当中，下硬上软的沉降位移将会小于水平运动的具体位移，下沉盆地的地形趋势处于平缓的状态。

（2）地面建筑物存在一定的沉降情况。在实施矿区开采的过程当中，或多或少会对地面建筑物的稳定性造成一定的影响，甚至会使得建筑物出现倒塌的情况。因此，在矿区实施一定的地下采矿时，一定要对地形进行严格的测量，并谨慎的对矿区采矿情况实施处理，保持好深度以及建筑物之间的稳定关系。除此之外，在采矿当中，出现的地面沉降曲线动态可以显示出具体沉降过程以及范围的变化。采矿业一直在持续的发展，下沉位移逐渐的增加，影响范围也会变得非常大，最大下沉位移在发展中向采矿方向进行发展，数值计算结果以及现场实践处于基本吻合状态。

（3）表面运动。在矿区实施水平开采的过程中，活动面盆地存在这些特征：活动面的盆地处于采空区的正上方，处于盆地的中心位置与该区域的中心处在同一条直线上。除此之外，地面移动盆地的形状以及采空区处于对称的情况。如果采空区属于矩形，那么活动池的平面形状属于椭圆形。移动盆地的内边缘以及外边缘之间的边界大致处于采空区边界的正上方，或者略有一定的偏离。

4 矿山开采岩体移动的损害

矿体被开采出之后，采矿区周围的岩体自然应力以及覆岩层内部的原始应力的平衡状态会受到严重破坏，岩层内部应力在经过重新分布之后可达到新的应力平衡。在此期间，会使得岩层以及地表产生连续性的移动变形和非连续性的破坏，该种行为在地质学上被称之为是开采沉陷。由于国内的煤炭资源丰富，煤田分布区域广，国内的矿区环境问题日益突出，故要正确认识和处理开采沉降与环境保护之间产生的矛盾。矿石开采所产生的岩石移动会影响着周边区域的生态环境，导致生态环境中出现严重地质灾害以及耕地破坏，甚至还会引起地面建筑物损坏等情况，因此，该种问题已成为了环境工程与地质研究中的主要问题。采矿工程在地面中所产生的影响会影响建筑工程跟水系，例如建筑物房屋地基倾斜、交通排水管道变形、水流设备损害等情况。随着地下开采工作面的移动，建筑物的岩层原始应力平衡受到损害，采矿顶板的变形过程呈现出两种完全相反的变形情况，采矿过程中产生较为出现明显的弯曲下沉带，使矿场在启动过程中出现大范围的下沉，降低开采矿物的厚度，使后续采矿的不安全施工直接会影响建筑物安全、水体耕地、铁路桥梁等。

5 提升矿区建筑物安全举措

（1）应用减沉技术。在提升矿区建筑物安全过程中，首先要选择合理的矿区开采方式，应用减沉技术以及开采技艺。目前比较普及以及认可的开采工艺主要分为三种，即为条带开采、填充开采以及覆岩离层注浆技术等。条带开采是指开采一条矿道留存一条矿道，应用支撑顶板来减小地表的沉降和变形。随着开采深度的不断扩大，需要采用大条带来满足开采中地表建筑物的基本需求，克服狭窄开采区域的生产效率，满足现场条带的开采效率。填充开采则是利用推进的工作面用材料填充采矿空矿区，减少地表出现降沉情况。一般来说，填充材料大多数为水泥和砂浆，应用该种材料进行填充，所获取的效果最好，地面沉降减少率可达到70%～80%，但由于材料的填充成本高，一般只会用于重要建筑物下方的区域进行填充。第三种方式则是近些年来新产生的方式，主要是指通过下离层内一定量的浆液达到地表降沉目的，但前提要具备对应的岩层条件。

（2）应用减变形技术。在提升矿区建筑物安全过程中，需要重视设计工作面之间的距离位置以及开采顺序，使不同工作面地表变形做好相互抵消，减少由于采矿所引起的地表移动变形或者静态变形情况。在设计工作面长度、边界以及推进方向确定时，需要定期或者不定期开展工作面设计延展工作。在间歇性开采工作时，需要开采完煤层之后，等待地表移动稳定之后再开采另外一个煤层进行动态处理，减小地表中存在的动态变形值，以此达到保护建筑物的目的。在连续开采时，还需要确保工作面的连续均匀推进，使得工作面不会残留煤柱，减小地表中的不均匀下沉情况，实现建筑物的安全与保护。

（3）做好建筑物的维护。在提升矿区建筑物安全过程中，需要根据实际情况定期或者不定期对建筑物进行维护与保养，采取简单且实用的方法在地表变形值不大时进行优先处理，在双方关系较好时优先采用新方法，在等级适应的区域综合处理，确定赔偿标准。对质量好且十分重要的建筑物，除了需要定期维修之外，还要做好倾斜加固，降低建筑物的结构与地基纠倾工作，应优先迫降纠倾。对于结构好的建筑物，要在地表水平变形为4～6每秒区域应用加固措施进行保护，增设筋混凝土圈梁、柱设置变形缝隙，做好缓冲工作。由于建筑物常常受到水平拉伸变形等影响，故需要增强建筑物的维修与加固，降低建筑物的使用寿命以及价值，降低受力抵消情况，减少建筑物水平压缩变形值以及裂缝等情况，以免出现区域瓷砖等的松弛。在对建筑物进行保护时，还需要确定建筑物之间的采用使用情况，选择高质量的材料进行综合工程施工，并对矿区做好支撑性的保护处理。

6 结语

综上所述，现阶段国家越来越重视地下开采岩体移动对矿区建筑物的安全影响。为了进一步的降低地下开采岩体移动对矿区的影响，需要根据实际情况完善矿区应用措施，选用刚性混凝土结构做好地基处理工作，降低地基的下沉差，寻找出影响矿区建筑物安全的因素，依据原因制定针对性的管控措施，避免岩体移动导致的裂缝产生等情况，助推保护矿区建筑物工作。