淺談地下采煤對地表建筑物的影響

高文堅

我國煤炭資源豐富，目前煤炭工業(yè)是我國不可或缺的支柱產(chǎn)業(yè)。伴隨著地下采煤，誘發(fā)大量的采空塌陷和地面裂縫，對礦區(qū)內(nèi)耕地、水環(huán)境、交通設施和地面建(構(gòu))筑物造成破壞。目前我國因地下采煤引起的地表沉陷已達200 km2/年，造成巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡。在制定煤炭工業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略時，一個需要研究的重要課題是資源開發(fā)與地面保護的關(guān)系問題。必須重視和做好煤炭工業(yè)建筑的現(xiàn)代化工作，推動煤炭工業(yè)的進一步發(fā)展。本文就地下采煤對地表建筑物破壞及解決途徑提出了一些見解。

1 采區(qū)地表沉陷機理

煤礦采空塌陷與煤層厚度、傾角、采深、采厚、上覆巖層性質(zhì)及開采方式等有密切關(guān)系[1]。開采煤炭資源的同時，在地下形成了開挖空間，破壞了原有巖體的應力平衡狀態(tài)，引起從開挖地層開始自下而上的覆巖內(nèi)部依次發(fā)生冒落、斷裂、裂隙、彎曲等巖層移動過程。地下開采引起的上覆巖層移動和破壞改變了上覆巖土層的工程地質(zhì)性質(zhì)，形成了采空區(qū)破損巖體地基工程地質(zhì)條件。當其內(nèi)部拉應力超過巖層的抗拉強度極限時，直接頂首先斷裂、破壞，并冒落下來。而老頂巖層則以某種梁彎曲的形式沿層理面法線方向移動、彎曲，進而產(chǎn)生裂隙、離層。隨著工作面的向前推進，受采動影響的巖層范圍不斷擴大。當開采范圍足夠大時，巖層移動發(fā)展到地表，在地表形成一個下沉盆地，這就是地表沉陷。

2 地面沉陷對地表建(構(gòu))筑物的影響

地下采煤對地表的影響主要有垂直方向的移動和變形(下沉、傾斜、曲率)與水平方向的移動和變形(水平移動、拉伸和壓縮)等。不同性質(zhì)的地表移動和變形，對建筑物與構(gòu)筑物的影響也不相同。

2.1 開采引起地表變形對建筑物的影響

由于地下開采引起的地表變形一般分為地表下沉、地面水平變形、地表傾斜等。一般來說，當建筑物所處位置出現(xiàn)均勻下沉時，對建筑物本身不會產(chǎn)生破壞，因為建筑物和構(gòu)筑物中不會產(chǎn)生附加應力，但是主要管路的坡度會發(fā)生變化，四周的防水坡也可能造成損壞。特別是由于地表下沉使?jié)撍幌鄬ι仙斐山ㄖ镩L期積水或過度潮濕時，就會影響建筑的強度，以致影響建筑物的使用。地表傾斜后，建筑物隨之歪斜，重心偏移，影響其穩(wěn)定性，而且承重結(jié)構(gòu)內(nèi)部將產(chǎn)生附加應力，基礎(chǔ)的承壓也會發(fā)生變化。地表水平變形對建筑物的影響較大。一般建筑物抵抗拉伸變形的能力小，在較小的拉伸變形作用下，建筑物的薄弱部位(如門窗附近)就會出現(xiàn)裂縫，建筑物抗壓強度較抗拉強度大，地表壓縮變形較小時，建筑物不出現(xiàn)破壞現(xiàn)象。

2.2 建筑物自身的抗變形能力

建筑物一般能夠承受一定程度的地表變形而不發(fā)生明顯損壞。建筑物所能允許的地表變形值，稱建筑物臨界變形值。通常以地表變形值大小來判斷建筑物可能破壞的程度，地表的水平變形到建筑物的底面和側(cè)面，使建筑物受到附加的拉伸和壓縮應力。由于建筑物的破壞程度還與其結(jié)構(gòu)類型，建筑質(zhì)量，建筑物的長、寬、高、使用時間等因素有關(guān)，尤其與建筑物長度關(guān)系較大，所以有人主張將建筑物所占長度內(nèi)的地表變形總量作為衡量其破壞程度的指標。

斷層對地表移動與變形產(chǎn)生影響的原因在于斷層帶處巖層的力學強度大大低于周圍巖層的力學強度。由于應力的集中作用，故使該處成為巖層變形集中的有利位置;地下煤層開采后，在上覆巖層發(fā)生移動與變形的同時，巖層還沿著斷層面發(fā)生滑動，于是在斷層基巖露頭處的地表就出現(xiàn)臺階狀的破壞。這是地面建筑在選址和施工過程中應該高度重視的問題。

3 解決方法及成效

地下開采引起巖層與地表移動，在其影響范圍內(nèi)建筑物會受到損害或破壞。為充分采出煤炭資源又維持建筑物的安全使用，必須研究建筑物下允許開采的條件和采煤方法。通過地面建筑物加固、建抗變形建筑物、井下采用條帶開采、協(xié)調(diào)開采、離層注漿減沉、合理布置工作面等措施和方法，解決建筑物下采煤問題。這決定于:開采引起的地表變形值;建筑物允許的地表變形值;建筑物加固防護措施和井下開采措施的技術(shù)可能性以及經(jīng)濟合理性;地表積水的排泄條件等[2]。

一方面，當深厚比大到一定數(shù)值后，地表變形最大值可能小于地面建筑物的允許變形值，此時深厚比稱安全開采系數(shù)[3]。地表變形要嚴格控制在安全開采系數(shù)內(nèi)。峰峰礦務局辛寺莊村下采煤，共采煤兩層，上層采用多工作面聯(lián)合開采，下層采用不規(guī)則條帶開采，地面建筑物未采取任何加固措施，兩層煤采后，地面房屋保持完好，成功地完成了峰峰袁洼村的抗變形結(jié)構(gòu)設計;兗州吳官莊村下采煤，采用雙對拉450 m長工作面同時推進，使建筑物處于移動盆地平底，只受均勻下沉和動態(tài)變形的影響;棗莊礦務局井亭煤礦，采用協(xié)調(diào)開采、合理布置工作面等措施安全采出了官路口村、楊莊、前黃莊村下壓煤;采用條帶方法開采了沛縣城下壓煤;淮北沈莊礦采用全采和條帶開采相結(jié)合的方法開采工廣煤柱獲得成功，采出率達到73%。

另一方面，在開采過程中，應安排開采措施或建筑物加固措施，避免在建筑物下方形成永久性的開采邊界，以免使建筑物處地表出現(xiàn)較大的永久性變形，如邢臺礦建筑物下綜合機械化充填采煤技術(shù)通過中國煤炭工業(yè)協(xié)會組織的專家組鑒定，冀中能源集團，在下屬35對生產(chǎn)礦井全面推廣建筑物下固體充填采煤技術(shù)。常用以下措施:充填開采;水砂充填;全柱開采;同時等厚開采;協(xié)調(diào)開采;條帶開采等。

4 結(jié)語

1)地下采煤對地表的影響主要取決于采空區(qū)地表沉陷情況和建筑物的設計情況。礦區(qū)地面建筑在選址和施工過程中是應該高度重視的問題。

2)為解決礦區(qū)地表沉陷對建筑物的破壞，可以通過地面建筑物加固、建抗變形建筑物、井下采用條帶開采、協(xié)調(diào)開采、離層注漿減沉、合理布置工作面等措施和方法，解決建筑物下采煤問題。

[1] 馬金榮.煤礦廢棄采空區(qū)建筑場地穩(wěn)定性研究[J].建筑科學，2006，22(4):22-24.

[2] 煤炭科學研究院北京開采所.煤礦地表移動與覆巖破壞規(guī)律及其應用[M].北京:煤炭工業(yè)出版社，1981.

[3] 趙安文.煤礦開采沉陷對地面建構(gòu)筑物的影響[J].山西建筑，2003，29(11):41-43.