高潜水位矿区村庄抗采动新结构选型及应用

　　摘　要　研究抗采动变形盒子结构房屋，是为了适应高潜水位矿区村庄压煤开采的需要，解决其技术难题所探索的新途径，从高潜水位矿区的特点出发，结合盒子结构本身的特性，分析选取了适合高潜水位矿区的抗采动变形盒子结构房屋型式。通过应用试验研究，分析了盒子结构房屋在采动力作用下的受力规律，验证了新选结构型式能承受地表Ⅳ级以上大变形作用，性能可靠，安全度高。
　　关键词　采动变形　高潜水位矿区　钟罩式盒子结构　村庄下采煤

1　概述
　　我国建筑物压煤量大面广，1994年底的不完全统计，全国国有煤矿建筑物压煤可采储量52亿t，其中村庄下压煤34亿t。近几年压煤又呈上升趋势，尤其在河北、山东、河南、安徽、江苏平原地区，村庄稠密，压煤量大，共有压煤村庄1094个，11万多户，占全国村庄压煤的55%，占矿井可采储量的10%～40%。这些地区多为高潜水位矿区，又是煤炭需求量较大、资源有限的地区，村庄压煤开采成为困扰各矿区的主要问题。

2　高潜水位矿区村庄压煤开采的特点
　　高潜水位矿区村庄压煤开采是一个悬而未决的难题。主要有以下几个特点：第一，地下水位高，地下开采引起地下水上升浸泡房屋；第二，煤层赋存好，开采强度大，一般农村结构房屋很难抵抗如此大的地表采动变形影响；第三，高潜水位矿区多属平原，井田范围大，地面村庄密集，搬迁村址难寻，即使勉强搬迁，又会出现村庄二次压煤问题，造成重复多次搬迁的经济浪费，还会给农民的生活劳作带来不便，造成工农关系紧张，难于开展工作。比如：兖州矿区六对生产矿井范围内有大小村庄共计171个，平均0.63个/km²，压煤炭可采储量5.72亿t，占全局可采储量的42.2%，其中压大槽煤5.3亿t，占村庄压煤量的92%。截止到1991年末，仅搬迁村庄13个，共计3372户，所占比例不到10%。搬迁工作困难重重，在矿井范围内再选村庄新址已相当困难，而且也不可能将171个村庄全部迁出矿区范围以外。大量的村庄压煤直接影响井下的开拓布局和采区布置，给井下生产管理带来很大困难，为此，本文研究适合高潜水位矿区的抗采动变形盒子结构房屋技术，立足于寻求地表大沉陷量、高潜水位特点的村庄下压煤开采新结构技术，为大范围解放村庄压煤探索一条技术和经济效益俱佳的途径。

3　抗采动变形盒子结构房屋的选型
　　盒子结构房屋是目前工厂预制化程度最高的一种建筑形式，它采用工厂预制，现场组装的施工工艺，70%～80%的工作量在工厂中完成，既提高工效，减少了建材的耗费，又缩短了施工周期，可常年组织施工，能满足村庄压煤开采搬迁周期短的实际。
3.1　结构特点
　　抗采动变形盒子结构房屋由钢筋混凝土浇筑而成，除了具有常规抗力功能外，还具有以下几个特点：①空间整体性强，能够抵抗地表大采动变形的作用；①房屋设计是按抗采动、抗震双重设防，结构安全可靠度高；③具有抗水浸侵害、抗倾斜变形的性能。能够在地表发生倾斜时，顶升调平，还能在潜水位上升到地面浸泡房屋之前将整个房屋垫高，或边垫高边倒迁，或异地迁移到开采影响范围以外的地方，重新组装启用。这样可避免村庄房屋的重复拆除重建，节约搬迁费用，又可临时搬迁到邻区，待沉陷区回填后再迁回原址，以解决农民的离土问题。
3.2　结构选型原则
　　抗采动变形盒子结构的选型主要考虑以下几点：①农村住宅结构，属低层建筑，结构简单；② 适合多次重复搬迁或房屋原地调倾斜的需要，简化组装连接工艺，便于快速安装；③ 有效节省材料，降低成本。根据盒子结构构件的设置位置不同，通过分组设计，减小承受荷载和变形较小的结构部位或构件的配筋。
　　盒子结构建筑体系分为两大类：一类为用于低层和多层建筑的无承重骨架盒子结构；另一类为用于高层建筑的有承重骨架盒子结构。后者的设计思想就是建造一种空间承重结构，作为非基本承受构件的盒子构件被以各种方式置于空间结构上，本身只承受自重，其水平荷载和垂直荷载由独立于盒子构件之外的承重骨架承担。无承重骨架盒子结构房屋是以盒子构件本身作为承重结构，按照盒子构件的叠置方式不同，有不同的传力方式。抗采动变形盒子结构房屋采用无承重骨架盒子结构形式。
3.3　结构选型
　　在无承重骨架盒子结构房屋中，从形状上可以建造成六面封闭体盒子结构构件，也可以建造成五面体、四面体盒子结构构件，这里选用五面体盒子结构构件。根据其构造不同，可分为钟罩型盒子构件、卧杯型盒子构件、隧道型盒子构件、杯型盒子构件、复合型盒子构件等（图1）。钟罩型盒子结构构件是一个无底的五面体盒子构件，底板单独成型或用下层盒子构件的顶板做上层盒子结构构件的底板。这种盒子结构房屋的薄弱处在于盒子构件与底板的连接；卧杯型盒子结构构件也属五面体盒子构件，它的前墙板单独制作，然后可以安放在盒子构件进深的任何部位，和盒子构件组装在一起；隧道型盒子结构构件是一个四面体盒子构件，它的前后端墙是用预制好的复合保温板安装，其进深方向的布置更加灵活；杯型盒子结构构件与钟罩型盒子结构构件相比，其接缝位置比较有利，顶板连接工艺简单，可用预制楼板，也可用上层盒子结构构件的底板做顶板；复合型盒子结构构件是由几种以上不同类型的盒子结构构件复合而成的。比如杯型与卧杯型两种盒子构件的组合，两个钟罩型盒子构件侧卧复合等。复合型盒子结构往往可以克服单一盒子结构构件的一些弱点，使其结构布置更合理，工艺更简单，空间布置更灵活，同时更节省材料。