淺談煤礦開采塌陷區地表與建筑物的變形分析

■劉紅葉 ■江蘇省第一工業設計院有限責任公司，江蘇 徐州 221006

引 言

在市場經濟不斷發展過程中，煤礦行業作為我國重要能源之一，也得到了長足性發展.而在經濟不斷發展中，城市化建設范圍越來越大，導致土地資源緊迫，為使其得到有效利用，我國籌建在礦藏采空區內建設各種建筑物。而這些地區由于煤礦開采，導致內部巖體被活化，穩定應力平衡性較弱，其周圍巖體出現移動、變形情況;也導致其巖體上層地表發生同樣變化;這種變化使地面建筑物受到影響，久而久之使建筑物損壞，威脅人們生命安全。有關研究提出;通過對建筑物重量的影響深度和煤礦采空區中冒落帶具體發育高度研究分析，來決定采空區總體穩定性及建筑物安全性。如果想在煤礦開采塌陷區地表上建設物體，必須堅持科學的方法工藝，加強結構的設計，同時，加強建筑物對開采塌陷區地表移動的抵抗能力。

1 煤礦開采塌陷區內部巖體的破壞

在進行采礦工作時，不僅會地其內部的巖體造成破壞，還會造成外部的地表發生變形。因地面巖體的移動引起地表的移動，從而導致了地面的塌陷。在實際的工程中，由于工程進度的不斷深入，使被地面覆蓋的巖體遭到不斷的破壞;首先是巖體的頂部漏露出，使其在地心引力和地面負荷重力的雙重作用下，與地面層分離現象，導致其橫面出現彎曲現象。對于地面覆蓋巖體的總體破壞斷裂趨勢為自下而上。

圖1 覆巖內部三個不同帶層結構

在巖層的開采過程中，首先會在其上覆巖層出現彎曲帶，冒落帶，及裂隙帶;對于這三個巖層地質帶，從理論上來說;裂隙帶和冒落帶的破壞比較嚴重，離層和裂隙程度較深，對煤礦開采過程中的拉，壓，及剪的抵抗力度沒有原始巖體強度強。若將地表建筑物的重量附加于其上，會導致沉降、塌陷現象發生。相比之下，彎曲帶的整體巖層保護較好，受力架構性完整，將其作為基礎的持力層是很好的選擇。對于煤礦采空區域的整體結構是層狀的巖體結構，其主要特點為;在彈塑性地基上用煤柱支撐，且上部完整性較好。在此之中如果煤柱和煤層結構的設計上出現不和諧現象，就會導致巖體失穩，覆巖遭到破壞，從而引起地表塌陷。所以，加強煤柱和煤層的研究設計，對其穩定性進行有效的估算，可相應的防止地面塌陷情況出現。

2 煤礦開采塌陷區地表移動變形原因

2．1 煤礦開采塌陷區的下沉變形

開采塌陷區地表塌陷形式又主要分為坑和盆兩種。其下沉的過程有三個階段:第一個階段就是開始階段，此階段為下沉的起步階段，速度較慢;第二個階段為活躍階段，此階段為下沉的成熟階段，速度較快;第三個階段為衰退階段，此階段為地面的沉降已經進入后期，基本的下沉運動都已消失，地層內部和外部的結構也都已趨于穩定。這三個階段中的下沉都不沒有教好的穩定性，變化因素較多。對其下沉的速度是不斷增加的，到達頂峰后，在逐漸的減小直到消失。在采礦工作的不斷開展中，促使覆巖出現了垮落帶，導水斷裂帶，及下沉帶。對于覆巖中的采空冒落帶，其在受到覆巖自身重量因素的影響下會變得愈加穩固。但是這種穩定性是需要時間的。而對于采空冒落帶而言;其能夠導致地表出現殘余的變形現象。針對沉降區域內部的殘余變形情況主要分為兩種;第一是在沉降地表的開采中，其地表移動到衰退期之后的總體變形情況。第二是地基土受到影響后的自身變形情況。

2．2 水文地質構造的影響

對采礦區域內的水文地質情況，對其地表的沉降影響僅次于覆巖的移動作用。當采礦地域中的地下水位下降，會導致地表下沉值和面積不斷增加。從礦區水文地質的參數變化和廣闊的礦區水文特點角度來講;地下水位的調整可能會包含溶水巖層，對其釋水量不能準確的預計。在煤層開采過程中，容易出行離層現象，在采礦移動的斷層中，導致地表出現與地下水走向相同的臺階，有些還會導致拉伸變形問題，出現槽型的溝壑。煤礦開采工作完成后，由于地下水及回采等因素的影響，引起內部的巖體斷層發生活化，影響采煤穩定區的地表移動。

3 煤礦開采塌陷區地表及建筑物的變形防治措施

3．1 加強建(構)筑物的基礎和上部結構的抗變形

一方面，地基變形是造成建筑物裂縫損壞、傾斜和事故的重要原因，由于增加了上部荷載，地基承載力和可能產生的沉降變形值是關鍵問題。地基變形特征有沉降量、沉降差、傾斜和局部傾斜。要改良軟弱地基土的工程特性，一般的常用處理方法較多，大體可分三類:(1)采用挖除軟弱地基，如置換法。(2)人工增大土的密度如強夯法、碾壓、振動法等。(3)減少孔隙水壓力加速固結如排水法、擠密法等。另一方面，采用合適的結構形式。當上部結構和基礎的整體剛度及強度不能適應地基變形時，上部結構就遭致裂損。在其他條件相同的情況下，上部結構連同基礎的整體剛度愈大，建筑物的差異沉降就愈小，但在上部結構和基礎中產生的附加彎矩就愈大，所以當上部結構柔性大時，基礎不宜有相當大的剛度。水池、油罐常采用柔性底板，目的就是使之能適應大量的不均勻沉降。選擇結構形式時，對于由地基變形引起的結構物的整體或局部穩定問題必須引起重視。

3．2 場區內的建構筑物按規范中建筑的抗震不利地段設計

首先，考慮結構體系對于地震作用力的抵制效果，并且還要重視對不同的結構體系所采取的抗震措施，不同體系對經濟和安全帶來的影響。要結合工程的實際情況，做好整個結構體系的優化工作。其次，保留一定的余度，以此來保證某部分結構在遭到破壞之后，其余的架構可以對作用力進行均衡，這樣就可以保證部分構件的破壞不會影響到整體的抗震性能。最后，需要把震害的傳遞路徑清晰的標注于結構圖當中，以此來保證他們在設計的過程中能夠全面的顧及抗震設計的要求，使各個部件都能保證應力傳遞過程的連續性。

3．3 對場地內的建筑物自建設施工開始至運營期間，應按規范規定進行變形監測

煤礦場地內的建筑物自施工及使用過程中，應做好相應的變形監測工作。而變形監測中最為常用的就是GPS和全站儀，作為最為先進的測量設備，具有設站靈活、速度快及精度高的特點，并可提供三維位置信息，可滿足建筑物對形變監測的要求。同時還應按照相關規范來進行變形監測，并根據文件中的規范來操作。

3．4 治理煤礦塌陷

運用土地復墾技術和建筑物抗采動變形技術，對開采沉陷破壞的土地進行整治和利用。主要方法有煤矸石粉煤灰充填法、取土復墾、剝離復墾、綜合利用塌陷地、生態養殖型治理塌陷地等。對于煤礦開采塌陷區地表與建筑物的變形最為主要的是防治煤礦開采的塌陷，而對于地面塌陷的治理方法因塌陷區所處地區的地勢地貌、水文氣象、塌陷對土地的破壞程度不同其復墾治理方法有所不同。對于山地和丘陵地帶，只要將局部的塌陷漏斗或塌陷坑、裂縫進行充填并加以平整，即可恢復原來的地形地貌。對于平原地區，若潛水位較低，地區降雨較少，塌陷區不會常年積水，復墾時只需回填和鋪墊表土，即可進行種植或作它用。若潛水位較高，或降雨較多，塌陷區會常年積水，復墾時需排除積水，或整治水面及周圍環境，用于養殖及游覽。塌陷治理不僅要尋求最佳的投資收益比，還要達到治理后礦區生態系統的整體性和協調性。因此，應根據經濟合理的原則和自然條件以及土地破壞狀態，合理規劃，將塌陷治理納入企業生產建設規劃，因地制宜，綜合治理。

4 結束語

煤礦開采塌陷區的內在或外在變化，對其上的建筑物影響是多方面的。由于煤礦的開采，導致建筑物地下的巖體中的覆巖層遭到破壞，導致其地表容易發生沉降變形移動。對此問題我們進行了具體的分析，研究加強建筑物的設計方案，使其建筑物、建筑物基礎、及地基三者相互配合，達到協調統一的目的，以此來加強建筑物的整體應力作用，從而提升建筑物的整體方采動能力。加強建筑物的整體穩定性，降低其受力變形發生毀壞。

［1］孫建.傾斜煤層底板破壞特征及突水機理研究［D］.北京:中國礦業大學(北京)，2011，15-20.

［2］孟祥瑞，徐鋮輝，高召寧.等.采場底板應力分布及破壞機理［J］.煤炭學報，2010，35(11)1188.