CN106022519B - 煤矿开采区地表新建抗采动变形建筑实施方法 - Google Patents
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Abstract
煤矿开采区地表新建抗采动变形建筑实施方法，涉及一种煤矿开采实施方法，本发明实施了可选的“老采区物探‑地表残余移动变形评价‑老采区注浆”，或“未开采区及正开采区实施了地表移动变形预测评价‑离层带注浆”，提出的一套关于采区原地表建抗采动变形建筑物的“建筑抗采动变形总体方案‑建筑基础与上部结构的措施‑建筑内管道的措施‑建筑技术方案与经济综合分析‑建筑的最终规划和设计‑施工与监理‑建筑后期纠偏”全过程之严密的新工艺。该方法对煤矿开采沉陷及煤矿未开采区、正开采区及老采区地表稳定性评价与地基处理后的采区地表新建抗采动变形建筑实施提出了新的工艺方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种煤矿开采实施方法，特别是涉及一种煤矿开采区地表新建抗采动变形建筑实施方法。
背景技术
我国是采矿大国和土地资源紧张国家，至2015年底，井工煤矿地表沉陷损毁土地达110万公顷。这些土地因开采沉陷逐渐沦为无人居住区或城镇棚户区，这是一项关乎人民生命财产安全的研究热点问题。为进行沉陷区规划与治理，国家正不断投入巨额资金。由于开采沉陷与治理工程十分复杂、现行规程尚不完善（无地表残余移动变形的概念和理论等等），在工程实际中常存在技术分析不全面、不到位、工艺错误、管理秩序混乱，甚至造成工程隐患或工程事故。因此，很有必要进行采区地表新建抗采动变形建筑实施工艺流程的研究。这对采区地表新建建筑的规划、建筑抗采动变形方案的分析、设计、施工和管理的合理有序进行，杜绝工程风险，以向煤矿沉陷区要经济、环境和社会效益的意义重大。
开采沉陷对建筑的损害是由开采对地表的动态、静态和残余移动变形影响引起的附加应力造成的。为研究这种损害，沈阳大学朱广轶在《岩石力学与工程学报》2011年，第30卷第9期：p1889-1895和《岩石力学与工程学报》2014年第33卷第10期：p1962-1970，分别提出了地表动态移动变形的预测方法、地表残余移动变形的概念、预测方法； 2014年9月，朱广轶申报了发明专利“矿区新建建筑物引起的地表残余移动变形预测及防治方法”，其中，详细说明了基于我国各矿区已有岩移参数的地表残余移动变形的预测及防治方法：①根据评价老采区地表新建建筑物损坏等级的3项指标地表倾斜变形i(x)、地表曲率变形K(x)和地表水平变形ε(x）的大小，评价老采区地表新建建筑物损坏等级；②给出了注浆实施的方法，包括：注浆材料、浆液配比、采空区注浆工程的工艺流程。
发明内容
本发明的目的在于提供一种煤矿开采区地表新建抗采动变形建筑实施方法，本发明对煤矿开采沉陷及煤矿未开采区、正开采区及老采区地表稳定性评价与地基处理后的采区地表新建抗采动变形建筑实施了新的工艺方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
煤矿开采区地表新建抗采动变形建筑实施方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1、将抗采动变形建筑归纳为3种类型：结构可调整的抗采动变形建筑、可纠偏的抗采动变形建筑、不纠偏的抗采动变形建筑；
步骤2、对建设时间分期规划，对于浅部、多煤层、厚煤层的未开采区及正开采区，存在地表变形大、地表动态移动变形影响和多煤层采动影响叠加、可能出现塌陷漏斗的棘手问题，根据开采规划、地表移动总时间，通过建设规划的分期，来躲开地表动态移动变形威胁；
步骤3、对建筑的位置、方位选择，新建建筑的场地应根据地表移动变形预测结果，尽可能选择在地表变形较小的地区；
步骤4、对建筑高度的确定，必须进行建筑物在自重形成的偏心荷载作用下的横截面强度验算和地基容许承载力验算；
步骤5、对建筑物的平、立面形状选择及构件配置，抗采动变形建筑的平面形状应避免凸凹曲折,以布置成方形、矩形、高度一致为最佳, 避免楼层错层；纵墙与横墙的设计要匀称, 做到平面上整齐、竖向上连续；承重墙的布置尽量纵横向均贯通、均匀地对称于建筑的长轴和短轴, 承重墙应纵横墙应咬槎连接；同一轴线上的窗洞、窗间墙尽量均匀布置；采动区不用拱梁、无筋梁，宜用钢筋混凝土过梁；在强度低、应力集中的门窗口应增设加强筋或闭合钢筋混凝土套框；楼板应采用现浇钢筋混凝土楼层板, 与圈梁浇成一体；
步骤6、做好地基与基础的安全措施，地基土应均匀一致、承载能力不宜高的土壤好；
步骤7、做好基础与上部结构的抗变形措施；
步骤8、做好建筑内管道的抗变形措施；
步骤9、抗采动变形建筑方案的合理性分析，根据抗采动变形建筑的安全性、用户的满意性和经济最大化的要求，进行抗采动变形建筑的综合分析，看是否合理；
步骤10、土地和规划部门对建筑最终方案的确定，通报建筑出资方；建筑出资方将上述建筑规化方案和抗采动变形措施提交有资质的建筑设计院，实施设计；
步骤11、施工单位与监理的选择必须选用有相应资质的施工单位施工，采用具备监理资质的有经验人员作为施工监理；
步骤12、对于“可纠偏的抗采动变形建筑”，在地表稳定后，进行建筑的后期纠偏。
所述的煤矿开采区地表新建抗采动变形建筑实施方法，所述步骤6地基与基础的安全措施，包括：①在满足基础承载力的条件下，尽量减少基础埋深；②若建筑物地基为出露的基岩或坚硬粘土，则在基础下垫设软土层或砂层，基础两侧的回填土应做成松散的；必要时在建筑周围设置缓冲沟，以吸收地表压缩水平变形；③可设置横向基础梁，以提高基础圈梁的整体刚度。
所述的煤矿开采区地表新建抗采动变形建筑实施方法，所述步骤8抗变形措施，包括：⑴刚性措施： 承重墙、圈梁、构造柱、门窗过梁和套框设计； ⑵柔性措施：直接加在建筑上的柔性措施有两种：①在基础圈梁与基础之间设置水平滑动层；②按单体长度20m左右，沿建筑竖直向设置从建筑顶到基础底全部断开的变形缝。
所述的煤矿开采区地表新建抗采动变形建筑实施方法，所述步骤8建筑内管道的抗变形措施，包括：应沿墙体一侧布置，且不应埋设于墙体内；管道穿过墙体或基础时，应在墙或基础留出较大空洞；对于变形缝处的管道，尚应设置柔性接头；上下水管道接头处设置柔性接头或补偿器、建筑管沟。
本发明的优点与效果是：
本发明基于在2014年12月朱广轶发明专利“矿区新建建筑物引起的地表残余移动变形预测及防治方法”实施了可选的“老采区物探-地表残余移动变形评价-老采区注浆”，或“未开采区及正开采区实施了地表移动变形预测评价-离层带注浆”，提出的一套关于采区原地表建抗采动变形建筑物的“建筑抗采动变形总体方案-建筑基础与上部结构的措施-建筑内管道的措施-建筑技术方案与经济综合分析-建筑的最终规划和设计-施工与监理-建筑后期纠偏”全过程之严密的新工艺方法。
附图说明
图1为本发明采区地表新建抗采动变形建筑实施工艺流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图所示实施例对本发明进行详细说明。
实施例1：
规划局初步规划某公司在在大跃进时期的老采区上方地表开发建设某住宅小区：在拟建区内建设住宅楼7栋，楼层高度均为7层，长30～50m，楼间距为27.5m。因开采图纸丢失，开采沉陷研究部门采用4个地质钻孔结合5条EH-4电导率成像观测线进行物探，获得地下开采了两层煤：15煤层：累计开采厚度M=14.2m，开采深度主要为45～60m；18煤层：累计开采厚度M=15.6m；煤层倾角α=8度；开采深度主要为70～100m。进行的地基稳定性评价认为：在老采区地表新建建筑物后，将引发地表Ⅰ～Ⅳ级的残余移动变形。之后，对老采区实施了注浆加固处理。根据注浆加固后的钻孔电视检测和本注浆队伍前期在本区域的施工经验确定：老采区注浆后，对剩余的地表残余移动变形影响采用建筑抗采动变形的技术措施。
步骤1、抗采动变形建筑类型的选取：
方案1，老采区注浆后，拟建区某建筑一角的倾斜变形将达将到Ⅱ级，该建筑选择为可纠偏的抗采动变形建筑；其它建筑选为不纠偏的抗采动变形建筑。
方案2，对拟建区倾斜变形达到Ⅱ级的某建筑规划位置进行平移处理，躲开不利的地表一角。采用该方案，在老采区注浆后建筑物地表倾斜变形不大于Ⅰ级，全部建筑均选为不纠偏的抗采动变形建筑。
暂按以上两方案考虑，待第10步进行综合分析时，最终决定取哪个方案。
步骤2、建设时间规划。老采区地表残余移动变形不存在随工作面推进的动态移动变形影响。对前期经验的分析认为，该拟建区在采用老采空区注浆和建为抗采动变形建筑物的措施后，不必选择建设时间的分期规划方案。
步骤3、建筑位置、方位的选择。初步规划的建筑没有选择在地表将产生塌陷坑、断层和火成岩侵入体的露头地带。老采区不存在工作面的动态影响，故，处于下沉盆地中央的房屋不用考虑其长轴垂直于煤层走向问题；而处于下沉盆地边缘的房屋长轴基本平行于煤层走向。根据实施了老采区注浆后的拟建场地表移动变形预测结果，选择了规划局的初步规划方案。
步骤4、建筑的高度确定。经过建筑物在自重形成的偏心荷载作用下的横截面强度验算和地基容许承载力验算表明，在此区域内建设住宅楼7栋，楼层高度均为7层，长30～50m的抗采动变形建筑物可行。
步骤5、建筑物的平、立面形状选择及构件配置。建筑物刚度分布不均匀将会产生集中附加应力。为此，提出不使用从墙壁内挑出的悬挑楼梯，建筑物均布置成矩形、高度一致。并用变形缝把建筑物分割为几个独立的矩形单体。立面采用矩形等均匀变化的几何形状, 竖向体型宜规则均匀；同一轴线上的窗洞、窗间墙应尽可能等宽、等高、均匀布置。承重墙承受较大的附加应力, 其设计在纵横方向都是贯通的。同时, 承重墙应均匀地对称于建筑物的长轴和短轴, 纵横墙应咬槎连接；在强度低、应力集中的门窗口增设加强筋、使用钢筋混凝土过梁。楼板采用现浇钢筋混凝土楼层板，与墙壁圈梁浇成一体。
步骤6、地基与基础的安全措施。地基与基础是抗采动变形建筑物设计的重要环节。
拟建区地基大部为杂填土、粉质粘土；计算表明，该两层煤、厚煤层的冒落带高度已经连通。因此，除老采区注浆外，建筑物采用筏下加交叉梁基础。
（如果实施方案1，纠偏倾斜变形要采用千斤顶调整基础，一般是在基础圈梁下部砌体中预留千斤顶窝。为保证上部结构有足够的刚度和承载力，千斤顶窝间距须要计算确定。）
步骤7、基础与上部结构的抗变形措施
①刚性措施：采用承重墙、构造柱、闭合圈梁。结合抗震考虑，刚性设计要求具有整体性。建筑物考虑了抗变形刚性措施的部位没有再考虑同样的刚性抗震措施。②柔性措施：在基础圈梁与基础之间设置水平滑动层；按建筑单体长度20m，沿其竖直向设置从建筑物顶到基础底全部断开的变形缝。
步骤8、建筑内管道的抗变形措施。建筑物的管道沿墙体一侧布置。管道穿过墙体或基础时，在墙或基础留出较大空洞。对于变形缝处的管道，设置柔性接头。上下水管道接头处设置柔性接头、建筑管沟。
步骤9、抗采动变形建筑方案的合理性分析。根据抗采动变形建筑的安全性、用户的满意性要求，重新回到步骤1～步骤8，进行综合分析：
⑴在步骤3，认为某建筑的一角有可能出现台阶，并对此建筑的位置稍作平移，对小区外观影响不明显，步骤1的方案2有优势；在步骤6，如果实施方案1，纠偏倾斜变形要采用千斤顶调整基础，一般是在基础圈梁下部砌体中预留千斤顶窝，不但工艺变得复杂，而且增加二次投资，出资者不愿接受。如果实施方案2，工艺简单了。最终，选择方案2：对拟建区倾斜变形达到Ⅱ级的某建筑规划位置进行平移处理，躲开不利的地表一角；全部建筑建为：不纠偏的抗采动变形建筑。
⑵对小区建筑的经济分析认为，抗采动变形措施增加费用不超过总建筑费的15%。
⑶出资方对⑴、⑵两观点表示认可。
步骤10、土地和规划部门最终确定批准了步骤1～9确定的建筑规化方案和抗采动变形全部措施；之后，进行了建筑红线的放线。出资方将上述建筑规化方案和抗采动变形措施提交甲级设计院实施设计。
步骤11、施工单位与监理的选择。本工程的施工选用了具有在采区建抗采动变形建筑物经验的甲级施工单位；聘请了具备监理资质的有经验人员作为施工监理。
步骤12、在步骤9中已选择本小区建为不纠偏的抗采动变形建筑，故无需纠偏。
实施例2：
在正开采区地表建设结构可调整的抗采动变形建筑。某物流公司初步规划的建筑层数为地上1～2层：
(1) 单元式租用库房（3栋，二层）； (2) 汽车修理厂房（单层）；
⑶ 货车车库（单层）； ⑷ 丙类库房（单层）。
中部设有占地约2.75万平方米的露天货车停车场，可停车约236辆。地下为国有大矿和地方小井采煤区域，影响范围内有11个可采煤层，开采深度200～400m。未来地表移动变形预测结果见表1.
表1 物流中心建设用地的地表移动变形预测值
步骤1、抗采动变形建筑类型的选取。受未来地下开采影响，该建设用地的地表变形达到Ⅳ级破坏程度。选择该公司的建筑为可调整的抗采动变形建筑---可调钢结构建筑。
步骤2、建设时间的分期规划。因为地表变形时，建筑物本身能够抵抗（建筑物的刚性措施）和吸收（建筑物的柔性措施）这种变形，所以，无需建设时间的分期规划。
步骤3、建筑的位置、方位选择：无改变，采用原设计。
步骤4、建筑的高度确定。采用初步规划的建筑层数：地上1～2层。
步骤5、建筑物的平、立面形状选择及构件配置。建筑物刚度分布不均匀将会产生集中附加应力。设计不可使用从墙壁内挑出的悬挑楼梯, 此种楼梯会破坏墙壁的整体刚度,既不利于抵抗采动, 也无益于抗震。抗采动变形建筑的平面形状应避免凸凹曲折,以布置成方形、矩形、高度一致为最佳, 避免楼层错层。否则, 用变形缝把建筑分割为几个独立的矩形单体。立面宜用矩形等均匀形状, 立面型体应规则, 不出现过大的外挑或内收。纵墙与横墙的设计要匀称, 做到平面上整齐、竖向上连续。承重墙的布置尽量纵横向均贯通、均匀地对称于建筑的长轴和短轴。 同一轴线上的窗洞、窗间墙尽量均匀布置。
步骤6、地基与基础的安全措施。考虑到，地表下沉量比较大，将来建设用地南侧的国防路可能会调整坡度——垫高，设计时，应适当加高地面、注意排水问题；建筑物的基础采用钢筋混凝土条形基础。在满足冻结深度和承载能力的条件下，应尽可能减小基础的深度。建筑物基础上部设置钢筋混凝土基础圈梁，且同一单体的钢筋混凝土基础圈梁应成一闭合的箍；钢筋混凝土基础圈梁、基础联系梁。对于车库这样横墙间距较大的空旷建筑物，应沿建筑物横向每隔6米设置基础横向联系梁，以减少纵向基础承受的水平弯矩，即增强纵向基础抵抗地表横向不均匀水平移动产生弯矩的能力；在基础圈梁下部砌体中预留千斤顶窝，以便使用千斤顶调整基础（纠偏）；在基础圈梁与基础之间设置水平滑动层，且同一单体的水平滑动层应设置在同一标高上；由于水平滑动层的存在，建筑物基础与上部结构可分别单独设计和制作，要求加大基础构件的截面尺寸和配筋量，提高基础抗力能力；建筑物承重墙体纵、横方向宜对称布置，内墙穿通，尽量减小横墙间距；变形补偿沟吸收地表水平压缩变形效果十分明显，在受压方向建筑两侧地表设置了变形补偿沟。
步骤7、基础与上部结构的抗变形措施
⑴刚性措施： 圈梁、构造柱、和套框设计。结合抗震考虑，刚性设计要具有整体性。一般抗地表移动与变形的刚性设计要求较高，故，建筑物的某个部位考虑了抗变形刚性措施，此部位就没必要再考虑同样的刚性抗震措施了。圈梁必须闭合。
⑵柔性措施：直接加在建筑上的柔性措施有两种选择：①在基础圈梁与基础之间设置水平滑动层；②按单体长度20m左右，沿建筑竖直向设置从建筑顶到基础底全部断开的变形缝。在技术和施工条件许可时，建筑物应尽量选用静定结构休系，并采用轻质高强屋面材料。
步骤8、建筑内管道的抗变形措施。应沿墙体一侧布置，且不应埋设于墙体内；管道穿过墙体或基础时，应在墙或基础留出较大空洞；对于变形缝处的管道，尚应设置柔性接头；上下水管道接头处设置柔性接头或补偿器、建筑管沟等。
步骤9、抗采动变形建筑方案的合理性分析
根据抗采动变形建筑的安全性、用户的满意性和经济最大化的要求，出资方组织开采沉陷研究单位、建筑设计单位进行了以上步骤1～步骤8的技术和经济论证分析。决定采用步骤1～步骤8的技术。
步骤10、土地和规划部门对建筑最终方案的确定，通报建筑出资方；建筑出资方将上述建筑规化方案和抗采动变形措施提交有资质的建筑设计院，实施设计。
步骤11、施工单位与监理的选择。必须选用有相应资质的施工单位施工，采用具备监理资质的有经验人员作为施工监理。
步骤12、建筑区地表和对应的建筑上设置了岩移观测站，按开采沉陷测量规程要求进行了观测。在地表移动过程中，地表水平变形、倾斜变形和曲率变形每积累到一定程度、地表稳定后，进行建筑调整、通过千斤顶调平基础与上部建筑发生的倾斜。
Claims (4)
1.煤矿开采区地表新建抗采动变形建筑实施方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1、将抗采动变形建筑归纳为3种类型：结构可调整的抗采动变形建筑、可纠偏的抗采动变形建筑、不纠偏的抗采动变形建筑；
步骤2、对建设时间分期规划，对于浅部、多煤层、厚煤层的未开采区及正开采区，存在地表变形大、地表动态移动变形影响和多煤层采动影响叠加、可能出现塌陷漏斗的棘手问题，根据开采规划、地表移动总时间，通过建设规划的分期，来躲开地表动态移动变形威胁；
步骤3、对建筑的位置、方位选择，新建建筑的场地应根据地表移动变形预测结果，选择在地表变形小的地区；
步骤4、对建筑高度的确定，必须进行建筑物在自重形成的偏心荷载作用下的横截面强度验算和地基容许承载力验算；
步骤5、对建筑物的平、立面形状选择及构件配置，抗采动变形建筑的平面形状应避免凸凹曲折,以布置成方形、矩形、高度一致为最佳, 避免楼层错层；纵墙与横墙的设计要匀称, 做到平面上整齐、竖向上连续；承重墙的布置纵横向均贯通、均匀地对称于建筑的长轴和短轴, 承重墙应纵横墙应咬槎连接；同一轴线上的窗洞、窗间墙均匀布置；采动区不用拱梁、无筋梁，宜用钢筋混凝土过梁；在强度低、应力集中的门窗口应增设加强筋或闭合钢筋混凝土套框；楼板应采用现浇钢筋混凝土楼层板, 与圈梁浇成一体；
步骤6、做好地基与基础的安全措施，地基土应均匀一致、承载能力不宜高的土壤好；
步骤7、做好基础与上部结构的抗变形措施；
步骤8、做好建筑内管道的抗变形措施；
步骤9、抗采动变形建筑方案的合理性分析，根据抗采动变形建筑的安全性、用户的满意性和经济最大化的要求，进行抗采动变形建筑的综合分析，看是否合理；
步骤10、土地和规划部门对建筑最终方案的确定，通报建筑出资方；建筑出资方将上述建筑规化方案和抗采动变形措施提交有资质的建筑设计院，实施设计；
步骤11、施工单位与监理的选择必须选用有相应资质的施工单位施工，采用具备监理资质的有经验人员作为施工监理；
步骤12、对于“可纠偏的抗采动变形建筑”，在地表稳定后，进行建筑的后期纠偏。
2.根据权利要求1所述的煤矿开采区地表新建抗采动变形建筑实施方法，其特征在于，所述步骤6地基与基础的安全措施，包括：①在满足基础承载力的条件下，减少基础埋深；②若建筑物地基为出露的基岩或坚硬粘土，则在基础下垫设软土层或砂层，基础两侧的回填土应做成松散的；在建筑周围设置缓冲沟，以吸收地表压缩水平变形；③设置横向基础梁，以提高基础圈梁的整体刚度。
3.根据权利要求1所述的煤矿开采区地表新建抗采动变形建筑实施方法，其特征在于，所述步骤8抗变形措施，包括：⑴刚性措施： 承重墙、圈梁、构造柱、门窗过梁和套框设计；⑵柔性措施：直接加在建筑上的柔性措施有两种：①在基础圈梁与基础之间设置水平滑动层；②按单体长度20m，沿建筑竖直向设置从建筑顶到基础底全部断开的变形缝。
4.根据权利要求1所述的煤矿开采区地表新建抗采动变形建筑实施方法，其特征在于，所述步骤8建筑内管道的抗变形措施，包括：应沿墙体一侧布置，且不应埋设于墙体内；管道穿过墙体或基础时，应在墙或基础留出大空洞；对于变形缝处的管道，尚应设置柔性接头；上下水管道接头处设置柔性接头或补偿器、建筑管沟。
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