中梁山礦區沉陷地質災害監測與防治

劉　勇（重慶一三六地質隊，重慶市 渝北區 401147）

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中梁山礦區沉陷地質災害監測與防治

劉勇（重慶一三六地質隊，重慶市 渝北區 401147）

煤炭開采后會在巖層位置出現不同程度的移動變形，地表出現沉陷區，對臨近的基礎設施造成較大的影響，預測沉陷問題、分析沉陷規律、開展沉陷防治等成為研究的重點。本文以中梁山礦區為例，在分析環境背景的基礎上，提出了礦區沉陷預測方法，總結了沉陷災害規律，探究了沉陷的主要防治方法。

礦區沉陷；預測；防治策略

礦區煤層采空后導致上方覆蓋的部分巖層失去可靠的支撐，原有的平衡條件遭到破壞，上方巖層出現移動和變形，嚴重時破壞垮塌。另外，在規模化開采的過程中，地下水資源受到影響，巖土結構應力出現變化，導致地面沉陷，臨近的基礎建筑物嚴重受損，生態環境逐漸惡化［1］。因此，必須在加強礦區沉陷預測的同時，開展有效的沉陷防治工作，保證山區開采的可持續，為國內山區經濟發展奠定基礎。

1　礦區概況

中梁山礦區以低山地貌為主，地處川東弧形褶皺帶南傾伏端，屬亞熱帶季風氣候，降雨充沛。多年平均氣溫17.8℃，夏季地表平均溫度為29.6℃，日變幅為33.7℃，最高為53.9℃，最低為20.2℃。背斜北端在天府白廟子被嘉陵江切割，距井田北界直距16km，南端在小南海被長江切割，距井田南界限11km，年平均水位+170m，為本區侵蝕基準面，井田內水流以山脊為分水嶺向東西兩翼流動，溪溝間距大致相等。背斜軸向延展方向N9°E～N9°W，向南以8°、向北以3°傾伏角傾伏；西翼巖層產狀變化不大，一般50～75°，平均約60°，東翼受斷層影響，在不同部位巖層傾角變化較大，一般50～85°，平均約55°，局部直立。

2　中梁山礦區沉陷預測

2.1預測方法

實際觀測下沉10mm的點位為依據，確定沉陷范圍的大小，由于中梁山礦區煤炭開采時間較長，開采過程對周圍地形有較大的影響，地質測量人員、觀測站設置和觀測數據獲取等方面都受到一定的限制，無法按照觀測資料確定出沉陷情況，必須結合采煤沉陷的計算結果反映出采煤沉陷范圍、地表移動和變形狀況，彌補人工觀測不足的問題。本研究中應用采煤沉陷計算方法確定地表沉陷范圍，便于及時評估受損情況，提出沉陷的綜合治理方案［2］。

采煤沉陷的計算方法較多，不同的方法具有不同的優缺點。實際分析過程中，結合中梁山礦區的特點，選用概率積分計算方法。由于中梁山礦區為急傾斜煤層，以實際煤層角的大小為依據，應用等價工作面轉換的方法進行概率積分計算，如圖1所示。

圖1　等價工作面轉換示意圖

在計算地表移動塑料和變形沉降的過程中應用線積分公式計算，方法如下：

（1）下沉2

（2）傾斜

（3）曲率

（4）水平移動

（5）水平變形

（6）扭曲變形

（7）剪切變形

式中：

wcm=m·q·cosα（mm）；

Ucm=b·wcm（mm）；

m——采厚（mm）；

α——煤層平均傾角（°）；

q——下沉系數；

b——水平移動系數；

r——等價計算工作面的主要影響半徑（m），r=H等/tanβ；

H等——等價開采影響深度（m）；

tanβ—主要影響角正切；

Li——等價計算工作面各邊界直線段；

θ0——開采影響傳播角（°）；

ix（x，y）——沿x（煤層走向）方向的傾斜（mm/m）；

iy（x，y）——沿y（煤層傾向）方向的傾斜（mm/m）；

Kx（x，y）——沿x（煤層走向）方向的曲率（10-3×1/m）；

Ky（x，y）——沿y（煤層傾向）方向的曲率（10-3×1/m）；

Ux（x，y）——沿x（煤層走向）方向的水平移動（mm）；

Uy（x，y）——沿y（煤層傾向）方向的水平移動（mm）；

εx（x，y）——沿x（煤層走向）方向的水平變形（mm/m）

εy（x，y）——沿y（煤層傾向）方向的水平變形（mm/m）；

S（x，y）——扭曲變形（10-3×1/m）；

r（x，y）——剪切變形（mm/m）。

在計算過程中應用煤炭科學總院編制的MKD地表移動特性的計算軟件，借助最新的計算機可視化程序語言編制，可以針對任意煤層傾角和不同工作面中的開采情況對地表移動和變形進行計算，為了提高計算方法的適用性，需要應用交互式數據輸入。這種計算方法在不同的礦區中得到應用，通過類似礦區內應用結果的分析，計算方法適用于中梁山礦區采煤沉陷問題的分析。

2.2預測結果

以礦井最終沉陷預測為依據，發現煤層逐漸向深部-20m水平延深，礦區最終沉陷的總面積達到6824529m2，沉陷區域南北長度約1870m，總體沉陷情況如表1所示。

表1　中梁山礦區地表移動與變形情況

隨著礦區開采沉陷問題的突出，影響范圍逐漸增大，地表移動和變形問題也逐漸加重，同時對地表水和地下水的影響也逐漸加大。結合目前地表移動和變形觀測情況來看，地下水的影響范圍將逐漸擴大，在不久的將來，引水渠、人畜飲水井、農田灌溉和建筑物等都會受到不同程度的影響。

3　中梁山礦區沉陷規律

3.1地表下沉與水平移動

地表下沉和水平移動表現為一個點位的絕對移動距離，相鄰點位的下沉和水平移動量具有一定的差異，說明不同點位之間也會存在相對移動，在變化的過程中逐漸形成地表變形。

盆地中心地表出現大面積的不均勻沉降和水平移動，一般對地表建筑物的影響較小，臨近建筑物不會受到較大的破壞，也不會作為建筑物破壞的衡量指標，如果建筑物地處在盆地中間區域，最終也會出現較大的地表移動，臨近建筑物不同部件產生不同的附加應力，原有的形態基本可以保持，因此也被稱為均勻下沉區域。

3.2地表傾斜變形

地表的傾斜變形主要為相鄰點位在垂直位置上出現的相對移動與水平移動，兩個相對移動量的比值即反應出沉陷盆地沿某一方向出現變形，導致一定范圍內的建筑物出現傾斜，尤其是高大建筑物會受到更大的影響。

3.3地表彎曲變形

彎曲變形主要為相鄰線段的傾斜差與線段中點水平距離的比值，彎曲變形主要反映出地表傾斜的變化程度。在實際地表環境中，建筑物會在地表上凸和地表下凹的不同位置，建筑物受力狀態不同，受到的破壞也會表現出差異。

3.4地表水平變形

地表水平變形是相鄰兩點水平移動差值和兩點水平距離的比值，地表的水平變形對建筑物結構造成較大的影響。在磚混結構的建筑物中，抗拉伸變形能力逐漸減小，在受到拉伸變形的影響下，建筑物的門窗等薄弱環節將會出現裂縫，很多情況下地表沒有出現明顯的裂縫，而建筑物墻壁上已出現裂縫。拉伸變形、壓縮變形對建筑物內的管道、電纜及其它建筑功能造成影響［3］。

4　礦區沉陷災害防治策略

4.1采礦措施

4.1.1充填法開采

充填法開采主要是在采空區內應用開挖礦渣填充，同時借助井口外的矸石管理回填頂板。

4.1.2留設煤柱

中梁山礦區的東北位置為工業廣場和醫院所在地，建筑物也比較密集，因此需要按照實際煤層的走向和傾斜程度留設相應面積的保護煤柱。

4.1.3限厚開采

與南風井接近的地帶，可以積極開采k2煤層，待地表移動基本穩定后，獲得必要的觀測資料，之后在開采其它煤層。

4.2結構措施

4.2.1設置變形縫

礦區內建筑物受到破壞時，可以設置可靠的變形縫，切開基礎、地面、墻壁、樓板、屋面等部位，形成一條通縫。

變形縫一般設置在已有的橫墻附近，為了保證建筑物的空間剛度和整體性，在變形縫的位置設置厚度約24cm的橫墻，對樓板和屋面形成有效的支撐。如果變形縫兩側不存在橫墻時，需要在變形縫的兩側設置兩道橫墻。

4.2.2挖補償溝

礦區內建筑物出現破壞問題時，可以應用開挖補償溝的方法吸收地表的水平變形，保護建筑物。在設置變形補償溝的過程中需要重點考慮地表的壓縮變形和建筑物軸線之間的關系，如果建筑物受到同一軸線方向地表壓縮的影響，一般將百姓補償溝設置在變形方向外墻的垂直位置。如果建筑物受到兩個不同軸線放線或者斜向地表壓縮形變的影響，需要將形變補償溝設置在建筑物周圍。

實際施工中，保證變形補償溝的邊緣與基礎外側距離1～2m，溝底寬度在60cm以上，溝底面比基礎底面深20～30cm，如圖2所示。

圖2　形變補償溝設置

4.2.3建筑物結構上設置鋼拉桿和鋼筋混凝土圈梁

如果礦區內的建筑物受到Ⅱ級破壞，需要及時設置鋼拉桿，一般將其安裝在檐口與樓板水平的位置上，構建閉合的結構將建筑物箍住。

如果礦區內預測建筑物受到Ⅲ級破壞，需要在建筑物結構上設置鋼筋混凝土圈梁，同時要求建筑物本身具有一定的強度，并且所設置的墻體圈梁和基礎圈梁也必須滿足強度要求。

在檐口、樓板下部或窗梁水平的墻壁位置設置墻圈梁，設置在地面以下的基礎臺階上，所有部位的圈梁必須形成水平封閉的結構，并在實際施工中將圈梁每隔1.5m設置錨固鍵，保證建筑物和砌體之間可靠結合。

5　結束語

本文將重點集中在礦區沉陷預測和災害分析方面，提出了應用充填法、留設煤柱和限厚開采的采礦措施，應用變形縫、挖補償溝、鋼拉桿等方法抑制建筑結構形變。實踐證明，礦區沉陷災害問題得到有效治理，經濟效益和環境效益顯著。

［1］馬文明.礦區沉陷地復墾與生態重建研究［J］.水利監督與規劃，2014，28 （1）：13.

［2］丁安民，田八林，李克昭，等.礦區沉陷災害監測方法綜述［J］.河南理工大學學報（自然科學版），2013，32（2）：165.

［3］王 琦，張廣學，馬賀平，等.礦區開采沉陷預計實現與可視化表達［J］.中國地質大學（武漢），2015，24（4）：132.

劉 勇（1971-），男，副高級工程師，碩士，從事地質危險性評估、地質災害防治及地質環境保護等工作。

TD327

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2095-2066（2016）16-0088-03

2016-5-16