小型煤礦采動影響區房屋地質災害特征與成因分析

摘 要：文章以淮南大通區九二煤礦采動影響區為例，對影響區內房屋受損的現狀、特征和影響因素進行了詳細分析。根據實測數據資料，分別運用概率積分法預測分析了采空區塌陷的發展趨勢，并提出了相應的治理建議。

關鍵詞：小型煤礦；地質災害；房屋受損；成因分析

目前，我國按照礦井設計生產能力，將礦井劃分為大型、中型、小型三種類型，其中0.3Mt/a及以下的礦井稱為小型礦井，俗稱“小煤礦”。與大型煤礦相比，小煤礦多地處煤層稀薄地帶，尤其當小煤礦在急傾斜煤層開采或開采工藝不合理時，易引起地表沉陷、開裂破壞，嚴重時出現突陷，造成采空區內大批的建筑物等設施遭到嚴重破壞，嚴重影響礦區經濟的可持續發展。但隨著我國煤炭事業的發展，大型煤礦開采后的剩余煤炭量逐漸增加，剩余煤炭同樣影響國家煤炭的儲量。若因煤層垮落而不將其開采出來，勢必會造成煤炭資源的浪費，因此小型煤礦的存在具有其必要性。本文研究區地處原有老礦區，以采老礦區邊角煤為主，采區范圍內存在有大礦老采空區，采動會引起老采空區“二次沉陷”問題。

1 九二煤礦開采區概況

1.1 地質概況

九二煤礦位于淮南市大通區九龍崗鎮境內，區內有小煤礦九龍崗二公司，屬淮南礦區煤層賦存邊緣地帶。經幾十年的開采沉陷，礦區及周邊地形有了很大變化，塌陷不斷形成許多塌陷區。該礦井田東部有斷層F7、F8，煤層平均厚度3.5m，煤層傾角平均為70°，為急傾斜煤層。

1.2 開采概況

經過整合技改后的九二煤礦主要可采煤層有7層，目前主采N3和S6煤層，煤層平均厚度分別為4m，煤層傾角平均為70°，為急傾斜煤層，采用小碴假頂采煤法，工作面用風鎬和手鎬落煤，人工攉煤，根據煤層厚度不同工作面分別采用木支柱和摩擦支柱鉸接頂梁支護，機械回柱，全部陷落法管理頂板。

2 房屋地質災害特征分析

通過走訪采空影響區周邊居民，拍照、測量和填表等方式獲得房屋受損資料，經過統計分析，對照國家煤炭工業局2000年5月26日頒發的《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》劃分出開采影響區房屋受損程度。

根據采空影響區135戶房屋受損情況調查整理和分類顯示，位于采動區盆地邊緣的居民房屋出現了不同程度的損毀，涉及面積為118448m2，主要表現為沿煤層開采方向的房屋和地表裂縫發育明顯。以九龍崗鎮利民村的房屋為例：受拉伸變形影響顯著的有65戶，受壓縮變形影響顯著的有42戶，受拉伸和擠壓變形顯著的有28戶，大致的點位分布范圍是向西為受壓變形顯著，向東受拉變形顯著，于兩者之間的房屋是受拉和受壓都比較顯著的，房屋破壞比較嚴重。房屋墻體裂縫主要為“東西走向”，地面裂縫主要為“南北走向”，且大致為“南偏西45°”，這與煤層開采方向相吻合。其中，有部分房屋出現“正（倒）八字”現象，房梁與墻體分離現象，這些現象多出現在門頭，窗臺；房屋墻體呈“菱形”等現象，大部分裂縫及裂隙從地基發育，經墻體、窗口門洞延伸至房頂。由于壓縮引起地面鼓起，拉伸引起地基出現裂縫。

從受損建筑物和地裂縫產生的時間上來看，由于該礦區歷史開采時間比較久遠，存在有老采空區，建筑物和地面有老裂縫存在。但大多數裂縫是近半年時間產生的，這與該礦的井下開采時間和烈度是一致的，所以可以判定為新裂縫是由井下煤層開采引起的。

3 煤礦采動因素分析

由于在急傾斜煤層開采條件下，開采沉陷將引起地表形成塌陷槽和大面積的地表沉陷、開裂破壞，嚴重時會出現突陷，會造成區內的建（構）筑物設施遭到嚴重破壞。所以針對急傾斜煤層開采的九二公司礦井，在缺少地面實際監測資料情況下，采用開采沉陷預計方法對已按計劃開采的采掘工作面，根據其地質采礦條件，選用適當的預計函數、參數，預計出受此開采影響的地表移動和變形，定量分析采空區地表及建筑物是否受九二公司井下開采沉陷影響及影響程度。

3.1 開采沉陷預計

依據井下測繪及調查結果，對目前采掘工作面迎頭位置最靠近礦井東邊界，同時也是有可能造成地面建筑物損害的的N3槽煤層-195m水平（240m水平）上三道采場，采用概率積分法進行沉陷預計。預計結果顯示：井下開采所引起的地面沉陷涉及面積為118448m2，其最大下沉值為1.6m。沉陷過程中的最大拉伸變形值為+5.12mm/m，地面最大水平移動為+240mm，最小水平移動為-203mm，走向主斷面上的最大正曲率變形值為+0.14mm/m2、最大負曲率為-0.26mm/m2，傾斜方向的最大拉伸水平變形值為+2.4mm/m，壓縮水平變形值為-1.2mm/m。綜合地面顯現特征調查結果，參照《規程》中對磚混、土筑的建筑物破壞等級標準，對建筑物受損的數量和損害程度進行分類統計，見表1。

4 其他地質災害因素分析

4.1 九二礦區區域構造因素

九二礦原有的區域構造形態對采空區沉陷有直接影響。淮南煤田位于秦嶺緯向構造帶南亞帶的北緣，東與新華夏系郯城一廬江斷裂反接，西連周口凹陷，北接蚌埠隆起，南鄰合肥凹陷。由于原九龍崗礦開采下部A、B、C組煤層，經幾十年的開采塌陷，地形有了很大變化，因此會不斷塌陷形成許多塌陷區。

4.2 礦區老采空區因素

現有九二礦的采煤工作面是在原有工作面的基礎上二次開掘形成的。原采煤工作面在開掘的過程中已經對當地的地質構造造成破壞，形成塌陷區。二次開掘使得原來已經穩定的塌陷區的地質構造再次發生破壞，形成二次塌陷，因此現有的塌陷區面積較廣，破壞程度較嚴重。

4.3 房屋建筑結構和地基穩定性因素

由于九二煤礦地處原報廢礦區，當地大多數房屋采用“磚木”結構建造，并且多建造于上個世紀五十年代。“磚木”結構建筑成本較低，但穩定性較差。采煤工作面進行作業時，地下的擾動會延伸至地表，不穩定的“磚木”結構對此反應靈敏，主要表現為房屋地基開裂，裂縫穿過墻體延伸至屋頂，或者墻體呈“拉扯”狀裂縫。

從區域地質資料可知，調查區內地質構造較簡單；調查區內地基土組成較簡單，從本次鉆探揭示巖土層可以看出，場地內上部松散層主要由粘性土（上部雜填土除外）組成，下部為二疊系煤系地層（煤巖、粘土巖、砂巖等），整體看土層分布穩定。松散層成因上主要為沖洪積成因，主要為更新統臨泉組粘性土，其強度高（fak=240～280 kPa），變形性較小（Es=14.0～16.0Mpa），作為建筑場地是適宜的，正常情況下不會對上部建筑穩定造成明顯影響。

4.4 邊坡穩定性因素

在研究區西側由于采空塌陷形成東高西低的地形特點，人為形成一個邊坡，據現場測繪的沉陷區剖面圖量算，塌陷坑邊坡坡度大約在5°左右。依據《工程地質手冊》中土質邊坡穩定性分析計算方法，對于土質邊坡允許坡度值如表2：

從研究區邊坡坡度及場地內地基巖土組成及其物理、力學性質特點可知：研究區內邊坡坡度較小（小于5°），且地基土主要為強度高（С值為70kPa、Ф值為28°）、壓縮性低的老粘土，經分析計算，塌陷坑邊坡是穩定的，正常情況下不會造成其上建筑物產生拉裂變形。但隨著采空塌陷進一步發展，坡度逐漸變大，同時由于地表水下滲會對巖土體產生軟化作用，一定程度上會造成巖土體發生側向蠕變。

4.5 熔巖構造因素

由于在研究區內不存在明顯的碳酸鹽巖，且上部松散層厚度較大（通常大于20m），調查區內不存在巖溶塌陷的危險性。同時由于巖土體賦水性較差，且由于煤礦長期疏干水，地下水位較低，不會產生地面沉降的危險。

5 結束語

5.1 對小型煤礦開采區域因，急傾斜厚煤層開采導致了較大范圍的地表變形，采動影響區房屋的變形損害主要由西側的礦井開采因素所致；采動影響區內其他地質災害特征不夠顯著。地質勘探及外圍地質調查表明，房屋受損區的地下為煤系地層，不具備巖溶塌陷地質災害條件；上部的土層厚度較薄且全部為變形性較小強度高的塑性粘土，不具備因地下水位下降而引起的地面沉降。

5.2 針對小型煤礦開采環境的復雜性，只進行損害后的技術分析是遠遠不夠的，起不到保護當地生態環境的作用。因此，應在小型煤礦開采區域加強老采空區及周邊地面和建筑物的地質災害監測預報工作，并在可能會造成塌陷破壞的區域設立警示線或警示標志。如果損害達到嚴重程度時，應及時考慮拆除搬遷。

參考文獻

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作者簡介：王少華（1985-），男，河南項城人，安徽理工大學測繪學院，碩士研究生，研究方向礦山開采沉陷與礦區生態系統修復技術方面。