专题-浅析煤层开采对地面桥梁的影响.doc

1、专题部分浅析煤层开采对地面桥梁的影响摘要：文章从采空区地表沉陷的规律出发，介绍了影响地表沉陷的主要因素和预测方法，阐述了地表变形和对桥梁结构的影响，进而从煤层开采方面提出了一些解决措施。关键词：采空区；沉陷规律；地表变形；桥梁；不均匀沉降1前言地下固体矿床开采后的空间及其围岩失稳而产生位移、开裂、破碎垮落，直到上覆岩层稳定下沉、弯曲引起的地表变形和破坏的地区或范围，统称为采空区。近年来，随着我国公路建设的迅猛发展，公路网越来越密集，公路遍及各个县城小镇，而我国又是能源消耗大国，对矿产需求极大，因此，如何保证在开采过程中，采空区道路、桥梁仍可以安全运营，是当今急需解决的问题。地下采空区具有隐伏性

2、强、空间分布特征规律性差、采空区顶板冒落塌陷情况难以预测等特点，因此，公路桥梁下伏采空区的潜在危害性评价和处治技术是目前具有挑战性的难题1。这就是近年来越来越多的人研究采空区地表变形规律，从而解决工程中遇到的实际问题的原因所在。但大部分都是对“建筑物、水体、铁路下”采煤技术的研究1-8，而对采空区道路桥梁的建设和加固尚处于摸索阶段，没有形成系统的治理理论和技术，也无规范可循。采空区覆岩的不均匀沉降和变形，很容易造成公路桥梁结构的变形、开裂，桥梁墩台产生大变形等破坏现象，对公路桥梁的正常运营以及养护和维修，构成严重的安全隐患和潜在危害。本文主要介绍了煤层开采引起地表变形，从而使得地面桥梁结构发生

3、破坏的过程，就此提出了煤层开采过程中要注意的一些问题或采取的一些措施。2开采深陷规律2.1开采沉陷的基本规律2.1.1开采沉陷的基本形式对于层状或似层状矿体，缓倾条件且开采深度较大时，在上覆岩层内形成了垮落带、裂隙带、弯曲带。开采结束一定时间后，破裂岩层达到新的相对平衡，地表移动趋于停止。采空区破裂覆岩结构如图2-1 所示。图2-1 采空区破裂覆岩结构对于倾斜和急倾斜矿层的开采，除上述基本移动模式外，还包括以下几种形式10：岩石沿层理面方向滑动；垮落岩石下滑（或移动）；地板岩石隆起；矿体的挤出（片帮）。 当地下开采达到一定距离（约为采深的1/41/3）后，地下开采便波及到地表，使得受采动影响的

4、地表从原有标高下沉，从而在采空区上方地表形成一个比采空区大得多的沉陷盆地，或称为下沉盆地。地表移动状态的定量描述指标有：下沉、水平移动、倾斜、曲率、水平变形、扭曲和剪应力。地表移动盆地的一般示意图如图2-2。图2-2 地表移动盆地一般示意图2.1.2地表变形分类地表沉陷规律是指地下开采引起的地表位移和变形的大小、空间分布形态及其他地质采矿条件的关系。不同的地质采矿条件对地表沉陷破坏程度差异很大，反映到地表的形态可归结为连续位移变形和非连续位移变形两类。地表连续位移变形开采的方法：a、条带开采；b、充填开采。采空区连续位移变形以连续下沉盆地为特征。当地下的开采范围达到一定程度时，地表开始位移，出

5、现下沉盆地。随着开采范围的增大，下沉盆地也不断的增大，对应地表每一点都要经历拉伸倾斜压缩及扭曲等复杂的动态位移破坏过程。地表沉陷一般要持续2.55.0年，剧烈沉陷期（下沉速度1.8mm/d）一般要持续0.51.0年。地表非连续位移变形开采方法：不科学的乱挖滥采或急倾斜煤层采深较浅。采空区非连续位移变形破坏形式为：地表出现大的裂隙，台阶式沉降、漏斗状塌陷坑及伴随沉陷，地表出现滑动或出现滑坡等破坏形式。非连续破坏以突发性、隐藏性为特点，没有一点规律，有时开采后几十年还会发生较大的沉陷破坏，这种情况对地面构筑物危害极大。一般认为，在采深较大（h100m），深厚比大于30的条件下，地表移动变形在空间和

6、时间上都具有明显的连续性和一定的分布规律，目前研究的也较为充分；而地表非连续性变形破坏规律极差，目前研究的还很不够。因此，本文总结的地表变形规律为连续位移变形规律。2.1.3地表移动变形规律151、水平矿层非充分采动时地表移动盆地主断面内地表移动和变形分布规律（1）地表下沉曲线在水平或近水平煤层开采条件下，采空区中央上方地表下沉值最大，采空区中央上方地表下沉值最大，从盆地中心向采空区边缘下沉量逐渐减小，在盆地边界下沉点处下沉值为零，下沉曲线与采空区基本对称。（2）地表倾斜曲线采空区地表移动盆地的倾斜变化规律为：盆地边界至拐点间倾斜渐增，拐点至最大下沉点间倾斜逐渐减小，在最大下沉点处倾斜为零，在

7、拐点处倾斜最大，有两个倾向相反的最大倾斜值，倾斜曲线与采空区中央反对称。（3）地表水平移动曲线地表水平移动分布规律曲线与倾斜曲线相似，即：盆地边界至拐点间水平移动逐渐增大，拐点至最大下沉点间水平移动逐渐减小，在最大下沉点处水平移动为零，在拐点处水平移动最大，有两个倾向相反的最大水平移动值，水平移动曲线与采空区中央反对称。（4）曲率曲线曲率曲线的分布规律是：曲率曲线有三个极值，两个相等的最大正曲率和一个最大的负曲率，两个最大的正曲率位于边界点和拐点之间，最大负曲率位于最大下沉点处；边界点和拐点处曲率为零；盆地边缘处为正曲率区，盆地中部为负曲率区。（5）水平变形曲线水平变形曲线与曲率变形曲线的分布

8、规律相似：水平变形曲线有三个极值，两个相等的最大拉伸变形和一个最大的压缩变形，两个最大的拉伸变形位于边界点和拐点之间，最大压缩变形位于最大下沉点处；边界点和拐点处水平变形为零；盆地边缘处为拉伸变形区，盆地中部为压缩变形区。2、水平矿层充分采动时地表移动盆地主断面内地表移动和变形分布规律与水平矿层非充分采动时地表移动盆地主断面内地表移动和变形分布规律相比，它具有以下特点：（1）地表移动盆地的最大下沉点已达到该地质采矿条件下的最大值，即充分采动条件下的地表下沉最大值；（2）在最大下沉点处，水平变形值和曲率变形值均为零，在盆地中心区出现两个最大负曲率和两个最大压缩变形值，位于拐点和最大下沉点之间；（

9、3）拐点处下沉为最大下沉值的一半；（4）水平变形曲线、曲率曲线以拐点反对称。3、水平矿层充分超采动时地表移动盆地主断面内地表移动和变形分布规律与水平矿层充分采动时地表移动盆地主断面内地表移动和变形分布规律相比，它具有以下特点：（1）下沉盆地出现坪平底区，该区域内各点的下沉值相等，并都等于最大下沉值；（2）下沉盆地出现坪平底区，水平变形、倾斜、曲率均为零或接近零，各种变形主要分布在采空区边界上方附近；（3）盆地平底区内实际存在残余水平移动而不为零。4、倾斜矿层开采非充分采动时地表移动盆地主断面内地表移动和变形分布规律与水平矿层非充分采动时地表移动盆地主断面内地表移动和变形分布规律相比，它具有以下

10、特征：（1）地表移动变形曲线失去对称性和相似性；（2）地表下沉最大值偏向下山方向，上山下沉曲线比下山陡，影响范围小； （3）拐点不与采空区中心对称，偏向下上方向；（4）指向上山方向的水平移动增加，指向下山方向的水平移动减小，最大拉伸变形在下上方向，最大压缩变形在上山方向。（5）在一定范围内，地表变形的不对称性随倾斜角度的增大而增大。5、地表移动边界的界定地表移动盆地一般划分成3个边界：（1）移动盆地的最外边界，以地表移动和变形都为零的盆地边界点所圈定的边界。煤炭系统一般取下沉为10mm的点为边界点。（2）移动盆地的危险移动边界，以盆地内的地表变形对构筑物有无危害来划分，通常以临界变形值来衡量。

11、目前我国煤炭系统采用的一组临界变形值为i=3mm/m，=2mm/m， 。（3）移动盆地的裂缝边界，根据移动盆地最外侧的裂缝圈定的边界。移动盆地的边界通常通过边界角、移动角、裂缝角和松散层移动角等角值参数来圈定。 而与之边界相对应，根据地表变形值的大小和变形特征自移动盆地向中心边缘分为三个区： （1）均匀下沉区（中间区）：即盆地中心的平底部分，当盆地尚未形成平底时，该区不存在，区内地表下沉均匀，地表平坦，一般无明显的裂缝。 （2）移动区（又称内边缘区或危险区）：区内地表变形不均匀，变形种类较多，对构筑物的破坏作用较大，如地表出现裂缝时，又称为裂缝区。 （3）轻微变形区（又称外边缘区）：地表的变形

12、值较小，一般是以构筑物的容许变形值来划分，其外周边界，即移动盆地的最外边界，实际上难以确定，一般是以下沉值10mm为标准来确定。2.1.4采动过程中动态位移变形分布规律地下矿层采出后引起地表沉陷是一个非常复杂的时间和空间发展过程。随着采矿进行，不同时间回采工作面与地表点的相对位置不同，开采对地表点的影响也不同。地表点的移动要经历从开始移动 剧烈移动 移动停止的全过程15。1、地表移动延续时间规律地表移动延续时间（或移动总时间）是指在充分采动或接近充分采动的情况下，地表下沉值最大的点从移动开始到稳定所持续的时间。在地表移动的各点中，最大下沉点的下沉量最大，下沉的时间最长。苏联专家阿威尔辛按下沉速

13、度大小及对建（构）筑物的影响程度不同将地表的移动过程分为三个阶段。（1）开始期：下沉量达到10mm的时刻为移动开始时刻。从移动开始至下沉速度刚达到1.67mm/d（50mm/m）时刻为移动开始期。（2）活跃期：下沉速度大于1.67mm/d（50mm/月）的阶段。在该阶段内，由于地表点的下沉占总下沉的85%95%，地表移动剧烈，是地面建（构）筑物损坏的主要时期，因此也称该阶段为危险变形阶段。（3）衰退期：下沉速度小于1.67mm/d（50mm/月）起至六个月内地表各点下沉累计不超过30mm时为移动衰退期。开始期、活跃期、衰退期的时间总和，称为移动总时间或移动延续时间。国内各煤矿区的实测资料表明，

14、地表移动延续时间与开采深度、工作面推进速度及上覆岩层的性质等有关，开采深度越大、工作面推进速度越慢、上覆岩层越坚硬，地表移动延续时间越长。很多矿区建立了地表移动延续时间与开采深度等的关系。当采深100200m时，地表移动延续时间一般为12年，大多数不超过5年。不同时期，采空区地表移动量不同。在地表移动开始期内，地表移动量占地表最大下沉量的5%左右；在活跃期内，地表的下沉量占总沉降量的90%左右；在衰退期，地表移动量占地表最大下沉量的5%左右。因此地表移动主要发生在活跃期内。从移动时间的长短来看，衰退期内地表移动时间最长，比开始期和活跃期的总和还要长。因此，本文研究的是采矿区桥梁的抗不均匀沉降，

15、主要应考虑衰退期前的采空区内部和地表移动变化特征。图2-3-2-4为随回采工作面的推进地表变形的一般规律10。 图2-3 采动过程中地表水平移动曲率变化规律图2-4 采动过程中地表曲率变形曲线变化规律2.1.5地表移动的主要影响因素影响采空区地基稳定性的因素从大的方面说主要为地质和采矿两个方面。其中地质方面主要包括矿层埋藏条件、地形地貌、地质构造、覆岩情况及其力学性质、水文地质条件等；采矿方面主要包括采空区的几何条件、采掘方式、顶板管理模式等。（1）地质因素161）地形地貌地形地貌是最基本的地质特征，对采空区地基稳较大的影响作用。在地势平坦的条件下，地表最明显的移动和变形是产生沉陷盆地、裂隙、陷落坑等，在山区条件下，地表移动特征复杂，这主要是与地形起伏状况、地质采矿等因素有密切的关系。其主要特点为山区地表移动除有明显的垂直下沉量外，还产生明显的水平位移。2）地质构造主要指断层，断层与采空区的相对位置关系、断层的倾角、断层的大小、断层面的强度等因素决定着断层对岩层与地表移动的影响程度。岩层在移动过程中遇断层后，将产生沿断层层面的移动，这种移动沿断层面一直发展到地表断层露头处。在断层露头处如有建筑物，建筑物将遭到严重破坏。而位