煤礦采空區(qū)地表變形及周邊房屋治理分析

康鵬遠

(太原市建筑工程質(zhì)量檢測站，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)境受到嚴重破壞，尤其對采空區(qū)地表及房屋的損害尤為嚴重。山西省作為煤炭資源大省，地下蘊藏著豐富的煤炭資源，但是隨著多年的開采，給周邊環(huán)境和村莊帶來了嚴重的破壞，同時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，導致地下開采范圍極不規(guī)則，隨著近年來山西省的煤炭整合力度的加大，對采空區(qū)環(huán)境及村莊治理的問題也變得尤為重要。所以，研究煤礦采空區(qū)地表變形及房屋治理的分析對山西煤礦影響地區(qū)的治理是非常有實際意義的。

1 研究對象

本論文以一位于采空區(qū)的村莊為例進行分析，該村落位于呂梁山脈東側(cè)，屬中低山區(qū)，地表經(jīng)長期風化剝蝕，溝谷縱橫，梁峁綿延，地形十分復雜。由于受風化侵蝕等地質(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，最低點位于該區(qū)東南部河床，海拔1 076.7 m，最高點位于評價區(qū)西北部的梁峁，海拔1 233.8 m，相對高差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20°以上。該村下方有若干煤層，現(xiàn)階段2+3號和4號煤層已基本采完，8號煤層開始采掘。2+3號和4號煤埋深80 m～120 m，8號煤埋深170 m～200 m。

2 地表殘余變形預計

按照2000年5月26日國家煤炭工業(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］。本次預計采用概率積分法對地表任意點任意方向的垂直和水平移動變形值進行預計，通用預計公式如下:

地表下沉:

地表傾斜:

地表變形曲率:

水平移動:

水平變形:

對于任意形狀工作面開采影響的預計，可將任意形狀工作面順煤層走向劃分成若干矩形工作面，用一個或多個矩形工作面代替任意形狀工作面。

3 地表沉陷預計參數(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，按概率積分法估計地表移動變形，計算時取概率積分參數(shù):

地表殘余變形是冒落巖塊的繼續(xù)壓實，對于頁巖等中硬巖石來講，其壓實后的殘余碎脹系數(shù)約為1.1，也就是說殘余的下沉系數(shù)在0.15左右。但由于本區(qū)部分煤柱尚未完全失穩(wěn)，在計算殘余沉降時，為安全起見，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，按概率積分法估計地表殘余移動變形，采用極限沉降預測法，取殘余沉降概率積分參數(shù)如下:

4 殘余移動與變形預計結(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指標為主，預計結(jié)果的殘余移動與變形預計最大值見表1。

表1 開采穩(wěn)定后地表殘余移動與變形值

5 地面載荷對采空區(qū)的活化分析

5.1 建筑物荷載深度的計算

地面荷載對采動破碎巖體地基的擾動是淺部采動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力的分布形式、地基沉降量、地基擾動深度也不同。建筑物的建造使地基土中原有的應力狀態(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1層～4層建筑物荷載影響深度進行了計算，結(jié)果見表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算

5.2 垮落帶和導水裂縫帶高度的計算

覆巖破壞高度與許多地質(zhì)采礦條件有關(guān)，但目前尚無統(tǒng)一的多元相關(guān)的具體表達式，因此計算大多采用經(jīng)驗公式。根據(jù)分析求得的覆巖巖性及煤層埋藏條件，設(shè)計采用《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的垮落帶和導水裂縫帶高度的計算公式進行計算。

垮落帶高度計算公式如下:

巖性軟弱時:

巖性中硬時:

導水裂縫帶高度計算公式:

巖性軟弱時:

巖性中硬時:

其中，Hm為冒落帶高度，m;Hli為導水裂縫帶高度為累計采厚，m。

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

5.3 地面載荷對采空區(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而重新移動時，最小采深(H臨)應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:

當實際采深大于H臨時，建筑荷載不會使垮落斷裂帶重新移動;當實際采深小于H臨時，覆巖和地表會重新移動。

根據(jù)前面計算，Hli=55 m，建筑荷載影響深度H影最大為10 m，8號煤層采深為40 m～130 m，由此可見，在采深大于65 m，地表載荷不會使該處地表重新移動。也就是說，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，垮落斷裂帶仍會處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，不會產(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)造相對簡單，在遭遇外界破壞作用時，無足夠的抗力，極易引起房屋的損壞，甚至倒塌。

通過對山西省采空區(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難度大，并且修復成本大，甚至是不可修復的。磚砌體結(jié)構(gòu)房屋在同樣的破壞條件下，房屋受損程度相對較小，且修復相對容易。對于采空區(qū)房屋的治理，應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)的房屋治理應該遵循“先勘測，再鑒定，后治理”的原則。

7 結(jié)語

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，殘余變形可能歷時較長，但是不會出現(xiàn)突發(fā)性的地表破壞。2)對采空區(qū)域內(nèi)地表穩(wěn)定性的活化進行了分析，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)域地表仍處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，地表不會產(chǎn)生不均勻的移動與變形。3)采空區(qū)房屋的治理，應首先進行采空區(qū)探測，并評價地表穩(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準［S］.