随着煤炭资源的枯竭,我国东部平原矿区已经进入密集的村庄建筑物压煤开采阶段,村庄煤柱的开采对地表房屋造成不同程度的损坏,由此引发的工农纠纷,已成为影响矿区和谐稳定的主要问题之一。本文采用实地调查、数值模拟、理论分析等多种研究手段,研究了平原矿区村庄房屋的采动损坏形式、评价体系及密集村庄压煤开采对策。主要研究内容如下:一、以平原矿区村庄房屋采动损坏的实地调查数据为依据,揭示了采动影响下村庄房屋的损坏特征,提出了平原矿区村庄房屋损坏的4种基本形式。(1)通过平原地区3个矿区6个村庄1504户房屋损坏现状调查,详细分析了村庄房屋的损坏程度和损坏原因:①蔚州矿区前梁村房屋质量比高利寺村差,损坏程度较严重。其中前梁村的主要原因为煤矿开采和房屋质量;高利寺村房屋损坏的主要原因为煤矿开采及开采扰动下深冲沟的边坡稳定性。②峰峰梧桐庄矿韦武庄村和南神岗村为煤矿开采顺序所致,当村庄煤柱采用顺序开采时,房屋损坏严重;采用协调式跳采时房屋损坏轻微。北神岗村为煤矿开采和房屋质量所致,村庄北侧房屋质量较好,主要由煤矿开采所致,村庄中部为房屋结构脆弱等原因所致;③徐州矿区某村房屋损坏为地下开采及采动引起区内断层活化的综合影响所导致。(2)通过房屋损坏现场调查和数据分析,房屋的损坏主要通过房屋墙体裂缝来体现,房屋的损坏形态主要有:①墙体竖向裂缝、斜裂缝、水平裂缝以及墙体破损等;②梁端抽出、砖柱水平裂缝;③房屋地板破坏。通过总结房屋的损坏形态,揭示了平原矿区采动影响下村庄房屋的整体破坏和局部集中破坏的损坏特征。(3)根据房屋的损坏程度,提出了4种房屋采动损坏形式,即房屋形变、房屋裂缝、结构损坏和房屋垮塌,其中房屋裂缝包括集中式裂缝、成对裂缝和网状裂缝3种形态,分析了房屋位于采空区不同位置时房屋采动损坏形式的分布规律。(4)根据村庄房屋的结构和层数的不同,将村庄房屋分为砖石平房和有圈梁和构造柱的二层砖混结构楼房。在正曲率变形作用下,砖石平房的损坏程度大于有圈梁/构造柱的楼房,楼房二层的损坏程度大于一层,裂缝由上往下发展。二、采用地表变形移动矢量的方法,对不同地表变形作用下房屋损坏进行数值模拟分析,揭示了地基-基础-上部结构三位一体的房屋变形破坏规律;以砖石平房结构的损坏标准为依据,确定了有圈梁/构造柱楼房的损坏标准。(1)根据开采沉陷地表变形的移动特征,采用地表垂直方向(下沉、倾斜、曲率以及扭曲变形)和水平方向(水平移动、水平变形及剪切变形)变形对房屋基础角点移动矢量的表达方法,对不同地表变形作用下的房屋损坏进行数值模拟分析,揭示了地基-基础-上部结构三位一体的房屋变形破坏规律。①从房屋模型的变形规律分析,楼房的变形小于平房;平房和楼房的前墙基础的垂直沉降均小于后墙,但前墙的变形大于后墙。②从房屋模型的裂缝发展规律可知,房屋墙体裂缝首先从门窗洞口附近开始,随后发展至中间横墙附近,房屋边缘下三角区域以及房屋底部墙体等。曲率变形时房屋上层损坏程度大于下层,正曲率时墙体裂缝由上往下发展,负曲率变形时由下往上发展;水平变形对房屋的损坏从房屋基础或底层开始,其底层的损坏程度大于上层。③在地下开采时,地表水平拉伸变形和正曲率变形是同时出现的,同理地表水平压缩变形和负曲率变形同时出现。组合变形的损坏程度要大于其单一变形对房屋的损坏。(2)房屋基础是地基和房屋变形的非同步性、非等量性的关键因素,在传递水平变形时会吸收和抵消大部分压缩变形,但对拉伸变形不明显。(3)以《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》对砖石平房损坏的标准为依据,通过模拟分析确定了有圈梁/构造柱的二层砖混结构楼房Ⅰ~Ⅳ级的地表变形指标的临界值:①水平变形:4mm/m,7mm/m,9mm/m,>9mm/m;②曲率变形:0.2mm/m2,0.5mm/m2,0.8mm/m2,>0.8mm/m2;③倾斜变形:3mm/m,6mm/m,10mm/m,>10mm/m。三、针对村庄房屋的损坏特征和影响因素,运用未确知数学的基本原理,建立了基于未确知测度模型的采动区房屋损坏评价体系。(1)针对村庄的地质采矿条件、房屋概况以及房屋损坏现状,结合村庄房屋的损坏原因,对房屋损坏因素进行归纳总结,将房屋损坏的影响因素分为地质因素、采矿技术因素和房屋自身因素三个方面。(2)提出房屋的损坏程度与房屋位于采空区不同位置的关系模型。地表下沉盆地内房屋长轴方向与主变形方向斜交时对房屋损坏的影响最大,两者平行时次之,垂直时影响最小;并分析了房屋损坏程度与位于采空区不同位置之间的关系。(3)影响矿区村庄房屋损坏程度的因素有很多,具有不确定性和隐蔽性,选取覆岩平均普氏系数、煤层倾角、煤层深厚比、采动程度综合系数、顶板管理方法、房屋状况、房屋尺寸以及与采区的位置关系等8项主要影响因素作为评价模型的评价指标,建立房屋采动损坏影响因素与房屋损坏程度的未确知测度模型。根据国内外建(构)筑物下采煤经验,确定了各项评价指标的分级标准,采用信息熵求取评价指标的权重,得出样本数据的评价结果与bp神经网络、模糊模式识别法以及统计学法等进行比较分析,通过样本数据的评价结果验证了未确知测度模型的可行性。最后将该评价模型对峰峰梧桐庄矿北神岗村损坏严重的房屋进行了预测与评价,结果表明,评价结果与实际房屋损坏调查结果相符。四、通过理论分析,总结了不同开采顺序模式对地表移动变形的特点,提出了深部村庄压煤开采顺序的优化方案。(1)总结传统的村庄下压煤开采技术的优缺点,从村庄房屋的损坏特征出发,以地表村庄的抗变形能力为研究对象,合理进行开采布局和开采顺序的优化,提出基于开采顺序的深部村庄下压煤开采优化方案。(2)通过归纳总结了4种开采顺序模式,即无序开采模式、顺序开采模式、对称开采模式以及跳采模式,并采用概率积分法预计模型进行采动影响分析。(3)总结了不同开采顺序模式对地表移动变形的特点,通过比较分析可得背向对称开采和跳采快速全采顺序有利于地表变形的控制,应避免无序开采对地表房屋的损坏。①无序开采模式对矿区缺少全局规划,不利于矿井的长远发展,对地表村庄房屋的保护不利。②顺序开采模式对地表村庄造成连续的动态变形和损坏,先受拉伸变形的影响,后受压缩变形的影响,对抗变形能力弱的房屋损坏严重。③对称开采模式分为相向对称开采、背向对称开采和以村庄为中心的对称开采。模拟结果表明,相向对称开采时村庄处于拉伸变形加强区,不利于村庄的保护;而背向对称开采首次开采就使村庄处于压缩变形区,对村庄房屋保护有利。④跳采模式分为跳采-快速全采、跳采-顺序全采、跳采-相向全采和跳采-背向全采。当矿井生产能力允许的情况下,跳采-快速全采能使村庄整体下沉,能减小大部分地表变形,对村庄保护有利;其次为跳采-背向全采开采方法有利于村庄的保护。(4)根据不同的开采顺序模式对村庄的影响,以梧桐庄矿两个村庄下采煤和房屋损坏现状为工程实例进行对比分析。南神岗村采用跳采模式,房屋损坏轻微,除个别地区有Ⅲ级损坏外,大部分房屋为Ⅰ~Ⅱ级损坏;韦武庄村采用顺序开采模式,村庄房屋损坏严重,全村200多户达Ⅳ级破坏。通过实地调查、数值模拟、理论分析等多种研究手段,系统的分析采动区村庄房屋的损坏原因和损坏特征,提出村庄房屋的采动损坏形式,建立采动区村庄房屋损坏程度的评价体系,最后对深部村庄压煤开采对策进行了研究。本文的研究为村庄下采煤提供了新的方法和途径,具有一定的借鉴和指导作用,可带来良好的经济效益和社会效益。