动力耦合下采空区及上覆建筑物灾变演化机制

**部分理论基础 第1章煤炭资源开采及采空区灾害现状 1.1我国煤炭资源及采空区灾害现状 煤炭作为工业革命以后主要的能源资源之一，在世界发展过程中占据着重要地位。多煤、贫油、少气是我国能源资源的基本结构特点，煤炭在我国化石能源中占到的比例较高，因此煤炭资源作为我国主体能源毋庸置疑。长期以来，煤炭生产与消费量占到我国能源生产与消费总量的2/3左右；根据相关专家预测，在今后相当长的一段时间内，我国将继续保持以煤炭为主的能源供应与消费这一发展趋势。随着我国经济建设的快速发展，基础能源和工业原料的需求量日益增长，煤炭产业作为我国重要的基础产业，为我国提供了足够的能源，并保障了我国能源安全，具有不可替代的作用。 世界煤炭探明储量在10亿t以上的国家共有23个，我国排在第三位，约占世界总探明储量的11.6%，约是排在世界**位美国的一半，但是我国煤炭生产量排在世界**位，是第二位美国生产量的2倍多，说明我国煤炭资源消耗较快，我国部分地区煤炭资源已经出现枯竭或接近枯竭现象。我国煤炭资源的开采受到不同条件的制约，如开采条件制约、生态环境制约、煤炭质量制约、资源数量制约。其中建筑物、水体和铁路下（简称“三下”）压煤也是制约一些煤炭矿区开采的重要因素。例如，龙口矿区经专业技术人员勘探，结果显示可供开采的煤炭总储量高达23398.6万t，但村庄下压煤储量多达15436.9万t，占总可采储量的65.97%，村庄下压煤问题已经成为龙口矿区煤炭开采的“瓶颈”。兖矿能源集团在1999年底进行了详细的统计，结果显示可供开采的煤炭总储量为15.90亿t，但建筑物下压煤量多达7.89亿t，约占总可采储量的一半，已成为制约煤炭开采的首要问题。徐州矿务集团同时也在1999年底对该集团矿区建筑物下压煤储量进行了详细统计，发现该集团矿区建筑物下压煤储量约为4.9亿t，占集团探明的总可采储量的1/2以上。我国“三下”压煤储量高达137.9亿t，约占到我国已探明储量的12%，其中建筑物下压煤储量达到87.6亿t左右，占到我国“三下”压煤储量的63.5%。根据以上情况分析，随着我国煤炭资源的不断消耗，煤炭开采将不可避免地延伸到建筑物下，按照《矿产资源补偿费征收管理规定》：依法开采水体下、建筑物下、交通要道下的矿产资源的采矿权人，可以减缴矿产资源补偿费。 国外研究建筑物下压煤开采较早的国家有英国、俄罗斯、波兰及德国，而建筑物下开采技术处在世界领先地位的当属波兰。在国内，前期主要是学习并引进国外的先进经验，对一些矿区进行建筑物下采煤试验，并获得了宝贵经验。根据大量文献与经验，建筑物的抗变形能力与地表的水平变形值的大小决定了建筑物下采煤的破坏程度，所以，对于建筑物下采煤而言，我们应按照建筑物受力情况、建筑物结构等采取适当的采煤技术，对建筑物选取合理的结构保护措施。当前，我国建筑物下采煤主要有：①房柱式开采法。在开采煤层中掘进一系列宽5～7m的煤房，以巷道连通中间，形成宽度不等的长条形煤柱。在设计煤柱时，不仅要节约资源，按照需求进行煤柱回收，而且煤柱应具有特定的稳定性，确保足够的强度去支撑顶板。②协调开采法。通过合理安置开采顺序以及工作面，以对部分地表变形进行抵消，进而保护地表建筑物，是避免地表变形的一种有效措施。③充填开采法。在煤炭开采工作面后方采空区用填充材料进行上覆岩层支撑，如粉煤灰、矸石或者碎砂，从而减轻地表环境受到的损坏程度。当前，长臂石膏体结合矸石充填和巷柱式开采填充是主要的两种填充方式。实践显示，充填开采能够在很大程度上降低开采对地表建筑物的损害，减轻地表沉降的程度。④条带开采法。划分开采煤层区域，使之成为线性区域，间隔采留，从而确保部分条带式的煤对上覆岩层进行支撑，达到保护地面建筑物，回收部分煤炭的目的。此外，还有离层注浆开采法、间歇开采法、择优开采法等建筑物下采煤方法。 1.2煤炭资源开采演变灾害 地下的煤炭资源开采后，煤层的上覆岩体失去了原有的支撑，采空区域周围岩体的初始应力平衡被破坏，导致应力场重新分布，直至达到新的应力平衡。这是一个非常复杂的物理力学变化过程。在这个过程中，岩体发生变形或移动，向上波及地表，呈现出塌陷、裂缝和台阶等多种形式的变形，如图1.1所示，形成地表移动盆地，我们称为采动区。据相关不完全统计，我国国有煤矿截至1996年底，累计塌陷总面积约为38万hm2，仍然以平均每开采万吨煤塌陷土地0.2hm2的速度递增。其中塌陷土地一半以上集中在平原地区。据安徽省政府部门不完全统计，2007年塌陷区总面积250km2，塌陷深度在1.5m以上的达到127km2；兖州、滕州和两淮地区1994年总塌陷面积已达到4.87万hm2，预计2000年累计塌陷面积将达到7.15万hm2，2010年将达到13.33万hm2以上。表1.1为1994年统计的兖州、滕州等六矿区采煤塌陷技术指标。 1.3采空区开采-地震耦合灾害 1.3.1采空区开采地层变形灾害 随着煤矿地下煤层的不断开采，煤层上覆岩层失去支撑，岩体的应力平衡发生破坏，导致地表发生移动变形，破坏了建筑物基础与地基间的原有应力平衡，建筑物与地基的应力重新分布，直至达到新的平衡力系。随着新的平衡力系建立，建筑物发生了移动变形，局部产生附加应力，当附加应力超过局部结构的极限应力时会导致建筑物破坏。地下煤炭开采引起的地表移动变形主要有水平方向的移动变形（如水平拉伸变形、水平移动变形、压缩变形）、垂直方向的移动变形（如下沉、曲率、倾斜、扭曲）以及地表平面内的剪应变三类，地表变形情况不同，对建筑物产生的影响也不同，可使建筑物产生裂缝、下陷、倾斜、扭转甚至破坏。例如，潞安屯留矿井专用铁路干线有很大一部分处于塌陷区之中，塌陷形成的盆地*大深度达到4m，*大倾斜度达到30mm/m，对该铁路运营造成了严重威胁;在开采作用影响下，阳泉矿务局四矿前家掌中央风井因错位而报废。据不完全统计，山西省有145个村庄因为煤矿开采引发地质灾害危及村民的生命财产安全而被迫搬迁，此外还有200多个村庄的房屋也遭到不同程度的破坏。安徽省淮北市的烈山镇和淮南市的九龙岗镇都因遭到地表塌陷破坏而不得不搬迁重建，如图1.2所示。 图1.2次生灾害 1.3.2采空区地下地震灾害 通过对国内外近几十年来大地震的震害数据研究可以得出，地下结构的震动性能及灾变机理，与地表结构有很大的差别。特别是煤矿采空区场地复杂，地下环境纵横交错，其地震响应更为复杂。与地表结构相比，地下结构的地震动力响应特点主要表现在以下几个方面：①大多数被埋置在岩层中的地下结构会受到来自周围岩土介质的作用，随着外在作用的变化其约束也会随之改变，并且结构的自振特性通常不在其地震动力响应中体现。如果所要研究的地下结构的尺寸与输人地震波波长的比例不大时，通过研究分析可以得出地下结构对其周围地基的地震动力响应影响不大，而且其研究结果得出的地震动力响应波形与输人地震波的波形大致相同；如果地下结构的尺寸与输人地震波波长的比例较大时，地下结构的存在就会对输人地震波的传播产生很大的影响，从而使周围地基的动位移场改变，因此，地下结构的尺寸大小对地下结构的地震动力响应有显著的影响。而自振特性是地表结构的地震动力响应的主要表现因素，特别是低阶模态的影响。②影响地下结构地震动力响应的主要因素为周围土体的地震动位移场，而其惯性力并不是影响地震动力响应的主要因素，与地表结构有很大的区别，因此地下结