開采影響下侯村建筑物異常損壞原因分析

陶海亮，李雪強(qiáng)

(天安煤業(yè)股份有限公司，河南平頂山467000)

當(dāng)井下開采達(dá)到一定范圍之后，開采空間將傳遞到地面，使之產(chǎn)生沉陷和變形。在地面沉陷和變形的影響下，地表建筑物會產(chǎn)生不同程度地破壞。開采引起的地面建筑物損壞情況早就引起了廣大專家學(xué)者的注意，也開展了許多建筑物開采損害方面的研究工作［1－2］。目前，采用移動角和邊界角評價開采影響范圍的方法已寫入《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［3］，另外，數(shù)值模擬法、理論分析法等也被應(yīng)用于建筑物開采損害評價中［4］。但是，在應(yīng)用這些方法評價平頂山礦區(qū)襄城縣十里鋪鄉(xiāng)侯村開采影響損壞情況時，出現(xiàn)了較大偏差，給工農(nóng)關(guān)系處理帶來了較大的不便。本文主要針對侯村區(qū)域建筑物開采損壞的特殊原因進(jìn)行分析。

1 研究區(qū)域基本情況

1.1 村莊概況

侯村位于河南省許昌市襄城縣西北8.5km處，十里鋪鄉(xiāng)西南方向。全村分為侯東村和侯西村2個行政村委會，東西長1km多，面積約0.5km2，耕地240hm2。人口近7000人，約1500戶。區(qū)域建筑物多樣，村莊內(nèi)部多為磚混結(jié)構(gòu)及土坯結(jié)構(gòu)老房，村莊外圍區(qū)域多為磚混結(jié)構(gòu)平房和二層樓房。

1.2 工作面開采情況

平煤集團(tuán)十三礦己一采區(qū)和己二采區(qū)位于礦井東翼第一水平侯村區(qū)域，主采二迭系山西組己煤組二1(己15－17)煤層，煤層采厚5.8m左右，采用雙翼后退式仰斜長壁綜放一次采全高和分層開采2種方法，其中己一采區(qū)在侯村周邊區(qū)域有11020，11022等工作面，己二采區(qū)在侯村周邊有12010，12011，12012，12031和12032等工作面，工作面開采深度從北向南逐漸由220m過渡到350m，各工作面與村莊對應(yīng)關(guān)系如圖1所示。

圖1 村莊與工作面位置關(guān)系

2 基于傳統(tǒng)理論的開采影響范圍劃分

2.1 開采影響范圍的計算和劃定

根據(jù)《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》中的規(guī)定，該區(qū)域在劃定開采對村莊影響范圍時采用移動角進(jìn)行圈定。在劃定的開采影響范圍內(nèi)的建筑物會產(chǎn)生Ⅱ級及Ⅱ級以上的破壞。在邊界角與移動角之間的建筑物可能會產(chǎn)生Ⅰ級破壞，建筑物會出現(xiàn)不超過4mm寬的裂縫，不影響建筑物的正常使用?，F(xiàn)場在處理工農(nóng)關(guān)系時，為照顧村民利益，避免產(chǎn)生糾紛，通常采用邊界角來劃定開采影響范圍。

平頂山礦區(qū)從上世紀(jì)50年代起就建立了地表巖移觀測站，陸續(xù)建立20多個觀測站，有50條觀測線，其中走向21條，傾向29條，觀測資料比較豐富。根據(jù)觀測資料，結(jié)合平頂山礦區(qū)地質(zhì)采礦條件，建立了適用于平頂山礦區(qū)的開采影響移動角和邊界角計算公式:

走向邊界角:

上山方向邊界角:

下山方向邊界角:

走向移動角:

上山方向移動角:

下山方向移動角:

上述各式中，h為沖積層厚度;α為煤層傾角;m為開采厚度;H0為平均采深;H1為下山方向采深，H2為上山方向采深。

結(jié)合平煤集團(tuán)十三礦己一和己二采區(qū)各工作面采深及沖積層情況，按照上述公式可得到本研究區(qū)域煤層開采引起的地表移動角及邊界角，詳見表1。

表1 平煤集團(tuán)十三礦己一采區(qū)邊界角及移動角(一般規(guī)律)

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)對開采影響的范圍進(jìn)行了計算，得到的計算結(jié)果如圖2所示。

圖2 基于一般規(guī)律的開采影響范圍計算

2.2 開采影響范圍外建筑物破壞情況

依據(jù)劃定的開采影響范圍，平煤集團(tuán)對受開采影響的建筑物進(jìn)行了補(bǔ)償處理，但在開采影響范圍外的區(qū)域 (圖2中區(qū)域A)的建筑物出現(xiàn)了明顯的破壞。對該區(qū)域建筑物進(jìn)行抽樣調(diào)查，調(diào)查得到的建筑物破壞情況描述如表2所示。

從表2和現(xiàn)場調(diào)查建筑物破壞情況中可以看出，調(diào)查區(qū)域民房破壞程度均較小，僅一處建筑物達(dá)到了Ⅱ級破壞，其余建筑物破壞程度均不超過Ⅰ級。建筑物裂縫分布基本處于門上窗下等結(jié)構(gòu)薄弱部分，裂縫形態(tài)與開采影響裂縫保持較好的相符性［5］。

表2 侯村民房損壞情況現(xiàn)場調(diào)查

現(xiàn)場調(diào)查表明，區(qū)域不存在不良地基條件，也不存在大面積抽排水等因素的影響，初步認(rèn)定區(qū)域建筑物破壞與井下開采活動相關(guān)。

3 引起村莊異常破壞的原因分析

3.1 煤層露頭對開采影響范圍的影響

研究區(qū)域位于煤層露頭區(qū)，開采對煤層露頭影響分析如圖3所示。

圖3 開采對煤層露頭影響

從圖3中可以看出，采空區(qū)上方巖層在向采空區(qū)垮落和彎曲的過程中，位于煤層露頭一側(cè)的巖層由于缺少周邊巖層的約束，除垮落和彎曲之外，還會向采空區(qū)一側(cè)產(chǎn)生滑移，導(dǎo)致在煤層露頭區(qū)域產(chǎn)生附加空洞區(qū)域，這部分附加空洞區(qū)域通過沖積層向地表傳遞時，對地表的影響范圍要顯著大于不受煤層露頭影響的區(qū)域［6］。

針對侯村區(qū)域，煤層露頭的影響主要體現(xiàn)在開采在上山方向，即村莊的北部區(qū)域的影響范圍有所擴(kuò)大，上山方向移動角和邊界角有所減小。

3.2 斷層對開采影響范圍的影響

當(dāng)研究區(qū)域存在斷層，且開采活動擾動到斷層時，斷層的存在會顯著地改變開采移動變形在巖層中的傳遞［7］，導(dǎo)致地表出現(xiàn)異常破壞情況。開采影響下斷層活化和滑移引起的地表損壞情況在全國各地屢有發(fā)現(xiàn)［8］。受斷層影響，開采影響區(qū)地面建筑物可能產(chǎn)生劇烈破壞，路面出現(xiàn)臺階狀破壞，破壞呈條帶狀分布等特點(diǎn)［9］。但是，平煤集團(tuán)十三礦侯村區(qū)域由于基巖較薄，沖積層較厚，開采引起斷層活化導(dǎo)致的地面破壞并未呈現(xiàn)出條帶分布的臺階狀破壞，反而表現(xiàn)在開采影響范圍擴(kuò)大，但破壞程度并未劇烈增加。以F6斷層為例，進(jìn)行開采擾動下斷層活化對地表的影響分析。

F6斷層傾角77°，落差52m，11022工作面開采會擾動到該斷層。11022工作面開采擾動F6斷層示意如圖4所示。

圖4 開采對F6斷層影響

從圖4中可以看出，11022工作面開采后，按照移動角劃定開采影響邊界，該影響邊界會擾動到F6斷層，引起F6斷層產(chǎn)生活化和滑移，從而在斷層露頭處，即斷層與基巖面交界處出現(xiàn)臺階狀空洞。但是，由于此區(qū)域沖積層較厚，該臺階狀空洞區(qū)域并不會直接傳遞到地表，在地表形成塌陷坑。該空洞區(qū)域在向地表傳遞時，以一種類似煤礦開采采空區(qū)的形式向地表傳遞，最終形成一個影響范圍遠(yuǎn)大于沒有斷層存在狀態(tài)下的沉陷盆地。在侯村區(qū)域，即表現(xiàn)在開采在侯西村西北部的影響范圍要遠(yuǎn)大于不存在斷層時的影響范圍。

3.3 厚沖積層對開采影響范圍的影響

由于侯村周邊工作面均接近煤層露頭區(qū)，區(qū)域基巖較薄，第四系沖積層較厚，基巖厚度約70m，沖積層厚度約180m。區(qū)域地質(zhì)采礦條件具有典型的薄基巖厚沖積層特點(diǎn)。

淮南礦區(qū)和開灤礦區(qū)實(shí)測資料表明，在薄基巖厚沖積層礦區(qū)，地表移動觀測站經(jīng)常無法測到邊界點(diǎn)，房屋受采動影響范圍大于《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》中實(shí)測邊界角影響范圍，采用傳統(tǒng)邊界角無法準(zhǔn)確確定開采影響范圍。

研究表明，在松散層厚度遠(yuǎn)大于基巖厚度的開采條件下，綜合移動角和邊界角會明顯小于《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》規(guī)定的角值。同時，地表水平移動范圍要遠(yuǎn)大于地表下沉范圍，因此在薄基巖厚沖積層區(qū)域確定開采影響邊界角和移動角時，應(yīng)在礦區(qū)非厚沖積層區(qū)域?qū)崪y資料或在《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》規(guī)定的最小邊界角和移動角的基礎(chǔ)上減小5～10°［10］。

3.4 開采影響村莊范圍確定

綜合考慮斷層、沖積層及煤層露頭的影響，可得到平煤集團(tuán)十三礦己一和己二采區(qū)在侯村區(qū)域的移動角和邊界角，如表3所示。其中，根據(jù)斷層的落差、傾向和傾角等因素，F(xiàn)6斷層以西部分考慮斷層滑移的影響，F(xiàn)6斷層以東部分不考慮斷層的影響。

表3 侯村區(qū)域開采影響邊界角及移動角

采用上述確定的邊界角數(shù)據(jù)對2個采區(qū)工作面開采影響范圍進(jìn)行計算，計算及劃分結(jié)果見圖5。

圖5 侯村區(qū)域工作面開采真實(shí)影響范圍

從圖5可看出，村莊西北區(qū)域建筑物位于己一和己二采區(qū)的共同影響范圍之內(nèi)，根據(jù)開采變形特點(diǎn)，在2個采區(qū)工作面雙向拉伸變形影響下，村莊西部建筑物可能產(chǎn)生較為明顯地破壞。其中，在2個采區(qū)共同影響下，移動角影響范圍內(nèi)的建筑物可能產(chǎn)生超過Ⅱ級變形的破壞。邊界角影響范圍內(nèi)的建筑物可能產(chǎn)生Ⅰ級變形的破壞，村莊西北部2個采區(qū)多次影響的個別建筑物可能產(chǎn)生Ⅱ級破壞。

4 主要結(jié)論

本文針對侯村民房在傳統(tǒng)方法認(rèn)定的開采影響范圍外產(chǎn)生的破壞現(xiàn)象進(jìn)行研究，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查和理論分析，得到如下主要結(jié)論:

(1)產(chǎn)生異常破壞區(qū)域的建筑物破壞特征符合開采損壞特征，屬開采影響所致。

(2)區(qū)域的煤層露頭結(jié)構(gòu)、斷層結(jié)構(gòu)和薄基巖厚沖積層構(gòu)造會導(dǎo)致開采影響范圍的異常擴(kuò)大，分析計算了考慮區(qū)域特殊地質(zhì)構(gòu)造的開采影響范圍。

(3)采用綜合各種因素計算得到的邊界角對開采影響范圍進(jìn)行了劃分，劃分的開采影響范圍與現(xiàn)場調(diào)查的建筑物損壞范圍保持較好的一致性。

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