松散沙層煤礦區采動影響試驗

劉立忠 李虎民 姜 升

(1.中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.陜西華電榆橫煤電有限責任公司小紀汗煤礦，陜西 榆林 719000)

松散沙層煤礦區采動影響試驗

劉立忠1李虎民2姜 升1

(1.中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.陜西華電榆橫煤電有限責任公司小紀汗煤礦，陜西 榆林 719000)

村莊壓煤問題嚴重制約著村莊密集型煤礦的發展和生產接續，亟待解決。目前的解決方法是對涉及到的村莊進行搬遷，但這樣做有成本高、用地指標緊張和農民不愿搬離原址等弊端。因此，充分利用擬沉陷區進行村莊采前就地重建為村莊壓煤問題的解決提供了新思路。通過小紀汗煤礦抗變形結構試驗房和地表移動變形觀測站，進行建筑物變形觀測和地表移動變形觀測，開展采動區影響和不搬遷開采試驗研究。結果表明：采取相應抗變形結構的民房可以抵抗該礦的采動影響，可以進行該地區的不搬遷開采推廣，具有很好的應用價值。

抗變形試驗房 建筑物變形觀測 不搬遷開采 地表移動變形觀測

我國煤礦區內廣布的村莊壓覆著豐富的煤炭資源，煤炭開采后，民房一般都將遭受嚴重的開采損害，甚至成為危房，使人民群眾的生命財產安全處于威脅之中；而留設保護煤柱，又會造成嚴重的資源浪費。村莊壓煤問題嚴重制約著村莊密集型煤礦的發展和生產接續，亟待解決。目前，在陜北地區，解決該問題的一般做法是對涉及到的村莊進行搬遷，但這樣做有極大的弊端：一是將花費巨大的代價，給煤礦企業帶來極大的負擔，尤其是對于村莊較為密集的煤礦區；二是由于井田范圍一般較大，搬遷距離遠，一般在5～10 km，對搬遷農戶日后生活和生產帶來極大不便，農民不愿遠地搬遷，工農關系日趨緊張[1]；三是政府沒有足夠多的用地指標作為搬遷目的地。因此，充分利用擬沉陷區進行村莊采前就地重建，有較好的市場前景[2-8]。

在煤礦區進行采前就地重建村莊，意味著重建的民房將經歷地表沉陷的初始期、活躍期和穩沉期變形的全過程，并面臨地表動態變形和采空區的威脅，這在技術上有較大的難度，需要對地基、新建建筑物采取一系列的抗變形技術措施，才能保障建筑安全[1]。

小紀汗煤礦位于我國陜北地區，為沙漠灘地區，井田內村莊廣布，主要涉及的村莊為小紀汗鄉、岔河則鄉和牛家梁鎮的10個行政村、47個自然村，共計1 988戶、8 411人；其中，井田首采盤區11盤區內涉及5個自然村，437戶，1 717人。小紀汗煤礦在井田首采盤區11盤區進行不搬遷開采，即在村莊原址進行采前就地重建，由于涉及村莊及人口多，為安全起見，先在該盤區的11205工作面上方地表建設與擬建民房相同的試驗房，進行采動區影響試驗研究。目前，試驗房已經經歷地表移動變形全過程，試驗房保持完好，安全可靠，可以繼續居住。試驗證明，采取相應抗變形結構的民房可以抵抗該礦的采動影響，并且是經歷從采前開始至采動影響結束的全過程。因此，可以對影響到的村莊進行采前就地重建，這樣既不影響當地居民的日常生產生活，又能解決搬遷投資大、搬遷距離遠、用地指標緊張等難題?？梢詾樵摰貐^的征遷、搬遷工作提供一個新的思路，為構建和諧社會開辟新的方式。

1 試驗房概況與地質采礦條件

1.1 試驗房概況

試驗房為一獨棟建筑，位于11205工作面地表中部。建筑層數為地上2層，局部4層，室內外高差300 mm，上部結構體系為磚混，采用抗變形結構建設，煤矸石墊層處理地基，占地面積為64.08 m2，外墻尺寸最大為長9.6 m，寬7.1 m。

試驗房所在區域地處毛烏素沙漠與陜北黃土高原接壤地帶，地表為松散沙層，較為平整，地面平均高程為+1 222 m。井田內水系不發育，除東部的榆溪河外，僅東北角有自西北向東南流向的白河。由于植被稀少，夏季多暴雨(日降水量最高65.5 mm)，河水流量變化較大，雨季常猛漲成災。試驗房所在區域距離河流較遠，不受河流流量變化等影響。

1.2 地質采礦條件

小紀汗井田內地表大部分被第四系風成沙及黃土所覆蓋。井田內地層由老至新依次為侏羅系下統富縣組、中統延安組、直羅組、安定組，白堊系下統洛河組、第四系，斷層及各種構造基本不發育。地層分述如下。

(1)侏羅系下統富縣組：巖性組合復雜，沉積厚度和巖性變化較大，局部地段被剝蝕，厚度16.73～78.10 m。

(2)侏羅系中統延安組：為井田內的含煤地層，巖性主要為粗粒長石砂巖、深灰色泥巖、粉砂巖夾黑色炭質泥巖、煤層(線)的沉積組合，厚度214.72～283.77 m，平均244.64 m。

(3)侏羅系中統直羅組：巖性主要為灰白色長石砂巖和灰色、蘭灰色厚層狀泥巖及粉砂巖、狀泥巖、粉砂質泥巖、泥質粉砂巖及褐黃色細粒長石石英砂巖，試驗房區域厚度109 m。

(4)侏羅系中統安定組：巖性下部為淺紫紅色中厚層狀中細粒長石砂巖，上部為紫、暗紫紅色中細粒長石砂巖夾紫紅、灰綠色粉砂巖和泥巖韻律層，頂部常夾有泥灰巖薄層，試驗房區域厚度108 m。

(5)白堊系下統洛河組：巖性單一，為紫紅色、磚紅色塊狀中細粒長石砂巖，試驗房區域厚度50 m。

(6)第四系：地表多以現代風積沙為主，黃土零星出露，試驗房區域厚度為50 m。

小紀汗煤礦的主要可采煤層自上而下為2、4-2、5、7號煤層等共4層，采用下行式開采，自2013年8月開始首采2號煤層，平均采厚約為2.6 m，屬穩定型中厚煤層，煤層傾角0.5°左右，平均埋深360 m。采用走向長壁綜合機械化一次采全高采煤法，全部垮落法管理頂板。煤層直接頂板以泥巖、粉砂質泥巖為主，次為中—細粒長石砂巖，少量炭質泥巖，直接底板為泥巖、粉砂質泥巖，次為泥質粉砂巖、粉砂巖、細粒長石砂巖。煤層與其頂底板均為明顯接觸。由于2煤層的分布穩定，開采時間長，距離下一煤層4-2煤層的開采時間久遠，因此，本次試驗研究僅考慮2煤層的采動影響。

2 試驗房觀測設計

試驗房位于小紀汗煤礦首采的11盤區上方地表，11盤區目前已開采工作面為11203、11205和11207工作面，采厚2.6 m，采厚均勻，試驗房位于11205工作面中部上方，所處位置可以保證經歷地表最劇烈的變形，其具體位置見圖1。本次試驗研究中，為了更好地研究試驗房的變形情況以及試驗房所在區域的地表變形情況，分別設置了建筑物變形觀測點和地表移動變形觀測站。

2.1 建筑物變形觀測點

建筑物變形觀測點一般布置在建筑物的角部、縱墻和橫墻連接處、承重柱和窗間墻的勒腳部位。為了觀測變形縫、緩沖溝受采動影響的變化，在其兩側設置觀測點。在可能發生最大變形處，最大動荷載的周圍以及地質條件不利處都應設置觀測點。建筑物每側上的觀測點不應少于3個，相鄰點之間的距離一般為3～10 m，觀測點一般設置于建筑物墻壁上或基礎圈梁上。同時，在建筑物墻壁點對應的外圍地表，設置土壤點。墻壁點與對應的土壤點之間的距離不宜小于建筑物基礎深度，為1.5 m，同時也要盡量布置為一條直線，相鄰點之間的距離大致相等。

圖1 試驗房與工作面位置關系

考慮到本次試驗研究的試驗房情況，在試驗房布置17個墻壁點，并在對應的地表布置17個土壤點，土壤點和對應墻壁點之間的距離為1.5 m。建筑物變形觀測點布置見圖2。

圖2 試驗房變形觀測點布置

墻壁點采用φ18 mm的鋼筋做成，全長200 mm，一端做成燕尾或其他形式錨爪；另一端向上彎起，端面要平整并刻劃寬為0.5 mm左右的十字絲。用C20混凝土將測點埋在砌體內，如圖3所示。墻壁點布置在鋼筋混凝土柱里時，應注意避開受力鋼筋。

圖3 墻壁點埋置示意

土壤點用φ18 mm的鋼筋做成，一段錨固在混凝土中，另一端要平整，刻劃十字絲，并露出墩面10 mm。埋設的測點必須用經緯儀按設計要求標定，并應盡可能使觀測點中心位于觀測線的方向上。為了保證觀測點的可靠性，對觀測點采取了一定的保護措施，使之免遭破壞。

2.2 地表移動變形觀測站

本區域地勢較為平坦，地面標高+1 215～+1 230 m，在11205工作面上方布設走向觀測線和傾向觀測線各1條，觀測線均設在地表移動的主斷面上，傾向觀測線全長752 m，共布置工作測點25個，控制點3個；走向觀測線全長1 501 m，共布置工作測點55個，控制點3個，詳見表1及圖1。

表1 11205工作面地表移動變形觀測站基本情況

3 建筑抗變形設計

3.1 地基加固處理

復墾區預填高主要物料為煤矸石，地基加固主要采用矸石分層回填碾壓處理，大量研究和實踐證明該方法為矸石回填地基處理之最佳方法[1]。開挖至0.000下-3.900 m，原土夯實，使用煤矸石墊層2.0 m厚，外放1.2 m，分層5～6層換填，每層不超過0.4 m厚，含水率8%～12%，并在第3、4層之間加1層厚0.1 m的砂層，并壓實，煤矸石層每層壓實系數不小于0.95，處理后地基承載力特征值不小于140 kPa。

3.2 基礎抗變形措施

煤矸石地基處理后，在地基和基礎之間鋪設均勻的碎石墊層，0.1 m厚，基礎采用條形毛石基礎，寬0.6 m，高1.2 m，剖面呈臺階狀，呈三級臺階，單級臺階高0.4 m，寬0.2 m，基礎埋深為1.5 m 。在毛石基礎和基礎圈梁之間設置水平滑動層，滑動層采用2層油氈中夾滑石粉構成?；A圈梁為鋼筋混凝土材質，根據位置不同分370 mm×450 mm、240 mm×450 mm 2種規格，內配置φ6 mm×200 mm的鋼筋。

3.3 上部結構抗變形措施

主要包括檐口圈梁、構造柱以及墻內的拉結筋。所有基礎圈梁均設在同一水平，所有檐口圈梁設在同一水平，圈梁均形成連續閉合圈。構造柱主要設在建筑的四角，變形大的區域、建筑單體相對較長的建筑還設置了中構造柱和雙中構造柱，構造柱與圈梁整體澆筑，柱兩端鋼筋在圈梁內錨固。墻體內根據需要鋪設拉結筋，以提高墻的強度。

與基礎相關聯的抗變形措施示意圖見圖4。

圖4 抗變形措施示意

4 試驗房觀測成果及影響分析

試驗房以及相關的觀測點、觀測線自2014年7月建成，8月開始觀測，此時11205工作面的推進位置距離最近的觀測點380 m，該觀測點處于臨界不受擾動狀態。工作面的推進速度約為11 m/d，至11205工作面推進完畢，持續觀測時間為136 d。通過對建筑物變形觀測和地表移動變形觀測，總結分析建筑物的變形和地表移動變形的成果，并從中驗證抗變形建筑物可以抵抗的變形等級。

4.1 建筑物變形觀測成果

建筑物變形觀測由17個墻壁點和17個土壤點構成12對觀測邊(見圖2)，先記錄建筑物變形前的邊長和高程初始值，然后按照相關觀測要求觀測記錄地表移動變形過程中各個邊長出現的最大值，并由此計算地表出現的最大水平拉伸變形值，該變形值相當于建筑物地基出現的最大水平拉伸變形值，也即建筑物已經抵抗的變形值，其觀測成果整理見表2。

4.2 地表移動變形觀測站成果

在采動過程中，定期重復地測定地表變形觀測站各測點在不同時期內空間位置的變化。地表移動觀測站的觀測工作可分為連接測量、全面測量和單獨進行的水準測量。

表2 建筑物變形觀測結果

觀測結束后，進行資料整理和成果分析。在進行內業整理計算之前，對野外觀測成果再次檢查，然后進行各種改正數的計算和平差計算。觀測成果整理如下：試驗房附近受開采影響最大下沉值為2 039 mm，最大傾斜為10.5 mm/m，位于南北方向；最大水平拉伸變形為4.8 mm/m，位于南北方向，最大曲率為0.08×10-3/m。詳見表3。

表3 試驗房附近地表最大變形值

4.3 影響分析

由建筑物變形觀測可知，建筑物地基經受的水平變形拉伸值為3.72～3.90 mm/m；由地表移動變形觀測站成果可知，建筑物附近地表的最大下沉值為2 039 mm，最大水平拉伸變形為4.8 mm/m。建筑物地基經受的水平變形拉伸值略小于附近地表的水平拉伸變形值，經分析，是由于靠近建筑物時的邊界效應引起的。

因此，按照預設標準修建的試驗房至少可以抵抗地表下沉為2 039 mm，水平變形拉伸為3.72 mm/m，傾斜為10.5 mm/m，曲率為0.08×10-3/m的地表變形，按照該標準建設的民房是安全的，可以進行該地區的不搬遷開采推廣。

5 結 論

(1)建筑物抗變形技術措施自上而下包括地基加固處理、基礎抗變形措施和上部結構抗變形措施。

(2)通過修建抗變形試驗房來進行采動區影響和不搬遷開采試驗研究，結果表明：采取相應抗變形結構的民房可以抵抗小紀汗煤礦的采動變形影響，按照該標準建設民房是安全的。

(3)在煤礦區進行村莊就地重建的采動區影響和不搬遷開采試驗研究，在陜北地區尚無先例。該不搬遷開采方式的推廣，為解決小紀汗煤礦和本地區其他煤礦搬遷開采所面臨的征用地與批地困難、百姓不愿搬離原址等問題提供了思路，具有很好的參考和推廣應用價值。

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(責任編輯 徐志宏)

Experimental Study on Mining Influence in Coal Mining Area with Loose Sand Bed

Liu Lizhong1Li Humin2Jiang Sheng1

(1.TangshanResearchInstitute，ChinaCoalTechnologyandEngineeringGroup，Tangshan063012，China;2.XiaojihanCoalMine，ShaanxiHuadianYuhengCoalIndustryGroupCo.，Ltd.，Yulin719000，China)

The development and sustainability of intensive coal mines are restricted seriously by the coal mining under villages，which needed to be addressed.The current method is to relocate the involved villages，but there are some disadvantages such as high cost，lack of land and the residents′ reluctance to move.Therefore，reconstruction of the villagers′ houses before mining in the would-be subsidence area serves as a new way to prevent the coal mining under villages.In Xiaojihan Coal Mine，the observation of building anti-deformation and surface movement are made respectively in the testing building and the observation stations in order to make experimental study on the mining effect and mining without relocation.The result shows that the villagers′ houses with anti-deformation structure could be resistant to the mining influence.It is feasible to make mining without relocation in the mining area with good application value.

Anti-deformation testing building，Building formation observation，Mining without relocation，Surface movement observation

2015-01-28

中國煤炭科工集團有限公司科技創新基金項目(編號：2014MS036)。

劉立忠(1983—)，男，助理研究員。

TD325

A

1001-1250(2015)-04-127-05