煤礦采空區(qū)地表變形及周邊房屋治理分析

康鵬遠(yuǎn)

(太原市建筑工程質(zhì)量檢測(cè)站，山西太原 030002)

隨著煤礦的大量開采，煤礦采空區(qū)及周邊的環(huán)境受到嚴(yán)重破壞，尤其對(duì)采空區(qū)地表及房屋的損害尤為嚴(yán)重。山西省作為煤炭資源大省，地下蘊(yùn)藏著豐富的煤炭資源，但是隨著多年的開采，給周邊環(huán)境和村莊帶來(lái)了嚴(yán)重的破壞，同時(shí)也使村民與煤炭企業(yè)的矛盾日益突出。多年前的煤礦多存在私挖亂采現(xiàn)象，導(dǎo)致地下開采范圍極不規(guī)則，隨著近年來(lái)山西省的煤炭整合力度的加大，對(duì)采空區(qū)環(huán)境及村莊治理的問(wèn)題也變得尤為重要。所以，研究煤礦采空區(qū)地表變形及房屋治理的分析對(duì)山西煤礦影響地區(qū)的治理是非常有實(shí)際意義的。

1 研究對(duì)象

本論文以一位于采空區(qū)的村莊為例進(jìn)行分析，該村落位于呂梁山脈東側(cè)，屬中低山區(qū)，地表經(jīng)長(zhǎng)期風(fēng)化剝蝕，溝谷縱橫，梁峁綿延，地形十分復(fù)雜。由于受風(fēng)化侵蝕等地質(zhì)作用影響，基巖裸露處常形成砂巖陡坎和峭壁，黃土覆蓋處可見(jiàn)一些大小不等的滑坡現(xiàn)象。該村總體西北高東南低，最低點(diǎn)位于該區(qū)東南部河床，海拔1 076.7 m，最高點(diǎn)位于評(píng)價(jià)區(qū)西北部的梁峁，海拔1 233.8 m，相對(duì)高差157.1 m。村落整體為北東向分布，村民房屋基本都建在山坡與獅子河河床接觸帶的黃土上，其房屋依附的山坡坡度平均大于15°，部分地區(qū)的山坡坡度角達(dá)20°以上。該村下方有若干煤層，現(xiàn)階段2+3號(hào)和4號(hào)煤層已基本采完，8號(hào)煤層開始采掘。2+3號(hào)和4號(hào)煤埋深80 m～120 m，8號(hào)煤埋深170 m～200 m。

2 地表殘余變形預(yù)計(jì)

按照2000年5月26日國(guó)家煤炭工業(yè)局制定頒布的《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》［1］。本次預(yù)計(jì)采用概率積分法對(duì)地表任意點(diǎn)任意方向的垂直和水平移動(dòng)變形值進(jìn)行預(yù)計(jì)，通用預(yù)計(jì)公式如下:

地表下沉:

地表傾斜:

地表變形曲率:

水平移動(dòng):

水平變形:

對(duì)于任意形狀工作面開采影響的預(yù)計(jì)，可將任意形狀工作面順煤層走向劃分成若干矩形工作面，用一個(gè)或多個(gè)矩形工作面代替任意形狀工作面。

3 地表沉陷預(yù)計(jì)參數(shù)選取

該區(qū)域內(nèi)煤礦在2003年以前采煤方法主要是柱式開采，工作面布置不規(guī)則，根據(jù)調(diào)查，開采工作面寬度大約20.0 m，留設(shè)煤柱7 m～8 m，回采率20% ～30%。2003年以后改為單體液壓支柱，炮采，工作面長(zhǎng)度60 m～80 m，礦井回采率40%左右。

根據(jù)地質(zhì)采礦條件，可以根據(jù)等效厚度作為開采厚度，按概率積分法估計(jì)地表移動(dòng)變形，計(jì)算時(shí)取概率積分參數(shù):

地表殘余變形是冒落巖塊的繼續(xù)壓實(shí)，對(duì)于頁(yè)巖等中硬巖石來(lái)講，其壓實(shí)后的殘余碎脹系數(shù)約為1.1，也就是說(shuō)殘余的下沉系數(shù)在0.15左右。但由于本區(qū)部分煤柱尚未完全失穩(wěn)，在計(jì)算殘余沉降時(shí)，為安全起見(jiàn)，采用極限沉陷理論，殘余下沉系數(shù)取0.2。

根據(jù)地質(zhì)采礦條件，按概率積分法估計(jì)地表殘余移動(dòng)變形，采用極限沉降預(yù)測(cè)法，取殘余沉降概率積分參數(shù)如下:

4 殘余移動(dòng)與變形預(yù)計(jì)結(jié)果

由于村莊建筑物多為單層或多層建筑，所以本次分析主要以殘余曲率和殘余水平變形兩項(xiàng)指標(biāo)為主，預(yù)計(jì)結(jié)果的殘余移動(dòng)與變形預(yù)計(jì)最大值見(jiàn)表1。

表1 開采穩(wěn)定后地表殘余移動(dòng)與變形值

5 地面載荷對(duì)采空區(qū)的活化分析

5.1 建筑物荷載深度的計(jì)算

地面荷載對(duì)采動(dòng)破碎巖體地基的擾動(dòng)是淺部采動(dòng)破碎地基或老采空區(qū)活化的重要原因之一。在地面附加荷載作用下，地基土體中將產(chǎn)生附加應(yīng)力，并按一定規(guī)律向下傳遞，改變老采空區(qū)上方破裂巖土地基的受力狀態(tài)，使破裂巖體的應(yīng)力增加，產(chǎn)生附加壓縮沉降。地面建筑物的類型、基礎(chǔ)形式、荷載大小不同，其作用于地基上的附加應(yīng)力的分布形式、地基沉降量、地基擾動(dòng)深度也不同。建筑物的建造使地基土中原有的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，從而引起地基變形，出現(xiàn)基礎(chǔ)沉降，建筑物荷載影響深度隨層數(shù)的增加而增大。設(shè)建筑物為磚混結(jié)構(gòu)，開間為3.6 m，基礎(chǔ)底面寬度為1.8 m，埋深為1.5 m。對(duì)1層～4層建筑物荷載影響深度進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表2，1層影響深度為6.5 m;2層影響深度為10 m。

表2 建筑物荷載影響深度計(jì)算

5.2 垮落帶和導(dǎo)水裂縫帶高度的計(jì)算

覆巖破壞高度與許多地質(zhì)采礦條件有關(guān)，但目前尚無(wú)統(tǒng)一的多元相關(guān)的具體表達(dá)式，因此計(jì)算大多采用經(jīng)驗(yàn)公式。根據(jù)分析求得的覆巖巖性及煤層埋藏條件，設(shè)計(jì)采用《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》中給出的緩傾斜條件下厚煤層分層開采時(shí)的垮落帶和導(dǎo)水裂縫帶高度的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。

垮落帶高度計(jì)算公式如下:

巖性軟弱時(shí):

巖性中硬時(shí):

導(dǎo)水裂縫帶高度計(jì)算公式:

巖性軟弱時(shí):

巖性中硬時(shí):

其中，Hm為冒落帶高度，m;Hli為導(dǎo)水裂縫帶高度為累計(jì)采厚，m。

本區(qū)域上覆巖層的巖石強(qiáng)度整體按中硬考慮，所采煤層為2+3號(hào)，4號(hào)，8號(hào)，累計(jì)開采平均厚度按8.56 m計(jì)算，由此計(jì)算得垮落帶與斷裂帶(導(dǎo)水裂隙帶)的高度之和約為Hli=55 m。

5.3 地面載荷對(duì)采空區(qū)的活化分析

在采空區(qū)垮落斷裂帶不再因建筑荷載擾動(dòng)而重新移動(dòng)時(shí)，最小采深(H臨)應(yīng)該不小于垮落斷裂帶高度(Hli)與建筑荷載影響深度(H影)兩者之和，即:

當(dāng)實(shí)際采深大于H臨時(shí)，建筑荷載不會(huì)使垮落斷裂帶重新移動(dòng);當(dāng)實(shí)際采深小于H臨時(shí)，覆巖和地表會(huì)重新移動(dòng)。

根據(jù)前面計(jì)算，Hli=55 m，建筑荷載影響深度H影最大為10 m，8號(hào)煤層采深為40 m～130 m，由此可見(jiàn)，在采深大于65 m，地表載荷不會(huì)使該處地表重新移動(dòng)。也就是說(shuō)，在采深大于65 m范圍內(nèi)，如果該處采空區(qū)地表沉陷已經(jīng)穩(wěn)定，那么在此地表建1層～2層住宅樓，垮落斷裂帶仍會(huì)處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，不會(huì)產(chǎn)生較大的不均勻沉降。但在采深小于65 m范圍內(nèi)，建造1層～2層住宅樓后，可能引起采空區(qū)的活化，地表將重新產(chǎn)生移動(dòng)與變形。

6 地表房屋治理

煤礦大多數(shù)位于山區(qū)，采空區(qū)往往影響其上方及周邊村莊。山西省山區(qū)村莊的房屋結(jié)構(gòu)形式主要有生土結(jié)構(gòu)和磚砌體結(jié)構(gòu)。此外，村莊房屋均為村民自建房屋，布置及構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，在遭遇外界破壞作用時(shí)，無(wú)足夠的抗力，極易引起房屋的損壞，甚至倒塌。

通過(guò)對(duì)山西省采空區(qū)影響范圍內(nèi)農(nóng)村房屋的大量調(diào)查及鑒定，生土結(jié)構(gòu)房屋破壞性最大，遭受破壞的生土房屋往往修復(fù)難度大，并且修復(fù)成本大，甚至是不可修復(fù)的。磚砌體結(jié)構(gòu)房屋在同樣的破壞條件下，房屋受損程度相對(duì)較小，且修復(fù)相對(duì)容易。對(duì)于采空區(qū)房屋的治理，應(yīng)首先考慮房屋所處地表的變形是否穩(wěn)定，其次鑒定房屋的安全性［2］，這樣才能有效的對(duì)采空區(qū)地表及周邊房的治理提出有效可行的治理方案。所以，采空區(qū)的房屋治理應(yīng)該遵循“先勘測(cè)，再鑒定，后治理”的原則。

7 結(jié)語(yǔ)

1)該采空區(qū)地表變形已經(jīng)趨于穩(wěn)定，但是由于柱式開采，殘余變形可能歷時(shí)較長(zhǎng)，但是不會(huì)出現(xiàn)突發(fā)性的地表破壞。2)對(duì)采空區(qū)域內(nèi)地表穩(wěn)定性的活化進(jìn)行了分析，得出采深小于65 m區(qū)域內(nèi)，采空區(qū)上方修建地表建筑可能引起已穩(wěn)定區(qū)域地表的重新移動(dòng)與變形;而采深大于65 m區(qū)域內(nèi)，采空區(qū)上方修建地表建筑物，已穩(wěn)定區(qū)域地表仍處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，地表不會(huì)產(chǎn)生不均勻的移動(dòng)與變形。3)采空區(qū)房屋的治理，應(yīng)首先進(jìn)行采空區(qū)探測(cè)，并評(píng)價(jià)地表穩(wěn)定性;其次鑒定房屋的安全性，了解房屋損壞程度;最后進(jìn)行房屋治理方案的研究。

［1］ISBN.7502016627，建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程［S］.

［2］GB 50292-1999，民用建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)［S］.