張集礦區地表建筑物破壞多源因素探析

朱小美

（淮南礦業集團張集煤礦，安徽 淮南 232174）

1 張集礦區地表建筑物破壞區域概況

1.1 張集礦區及其采空沉陷區簡介

張集煤礦是淮南礦業集團煤業分公司的現代化主力礦井之一，通過高定位技改及二期工程的建成，總生產能力提高至1230 萬t/a。礦井采用綜采工藝，頂板采用全部冒落法管理，屬于煤層群開采、多煤層的重復采動，因此造成地面沉陷延續時間長、影響程度大。至2019年底，開采活動已在礦區范圍內形成面積為3737.47 hm2的采空沉陷區，常年積水面積為2064.93 hm2，下沉深度大于1.5 m 的面積為2466 hm2。采空沉陷區內的住房、學校、鐵路、公路等基礎設施及農田水利設施、配套工程等農田排灌系統均遭受到不同程度的變形與破壞。

1.2 張集礦區及其采空沉陷區周邊活動

張集礦區地處淮河中游，淮北平原區南部河谷及河間平原區，區域地貌類型為河漫灘及河間平地。地勢平坦，總體趨勢為西南高、東北低，地面標高一般在+21.00～+26.00 m 左右，地勢溝渠較多，無大的構筑物、建筑物。塘沿村隸屬于安徽省淮南市鳳臺縣岳張集鎮，位于岳張集鎮政府的南面，村部與張集煤礦北門相鄰，南鄰寺溝村，北接張集村。2019年塘沿村村民不斷反映部分房屋出現開裂變形，給日常生活帶來了重大的安全隱患。

2 張集礦區地表建筑物破壞現場調查

根據塘沿村反映的部分房屋出現開裂變形情況，依據張集煤礦采煤沉陷預測圖，采煤活動尚未直接影響到塘沿村，因此，礦方聯合當地政府多次對房屋變形破壞程度及現場房屋裂縫、地表裂縫進行實地調查、核實，并由技術人員進行地質勘查，繪制準確的井上下對照圖，以獲得地表下沉趨勢圖等。本次調查房屋共600 戶，現場調查鑒定人員對房屋破壞情況（如裂縫位置、數量、寬度、長度等）進行詳細詢問并記錄，輔以影像資料論證，實行一戶一檔，并由戶主及調查人員最終簽字確認。通過綜合房屋開裂變形情況，分類別進行梳理，發現塘沿村部分房屋確實發生不同程度的開裂變形破壞現象，部分房屋甚至有明顯的往東傾斜現象。塘沿村開裂房屋變形形式均為各種裂縫，主要表現在房屋墻角的結合部、窗臺、門梁、橫墻、地坪等結構薄弱處，裂縫均在2019年內陸續發生。主要分布規律如下。

1）塘沿村房屋建筑物結構大多較簡易，抗變形破壞能力較弱；調查的房屋65%為平房，平房均無地基基礎，樓房一般均有地基基礎，地坪多為水泥地，部分為地板，承重墻主要為磚墻。其中，20年前建成的房屋裂縫最為嚴重，無地基的房屋裂縫明顯比有地基的房屋裂縫嚴重，磚石結構房屋裂縫寬度明顯大于混凝土結構房屋裂縫寬度。

2）斜裂縫是塘沿村房屋開裂變形最主要的裂縫表現形式之一，大部分發生在門窗等薄弱部位，從房屋長度、高度方向分別看，墻身中部斜裂縫較兩端少，下層墻體斜裂縫比上層墻體斜裂縫多；墻身豎向裂縫也較發育，裂縫多發生在建筑物縱墻上，且墻身中部比兩端出現的機會多；窗口豎向裂縫一般由窗臺從上往下發展，上寬下窄，窗口寬度越大，裂縫寬度越大，并且房屋中部的窗口豎向裂縫較之房屋兩端的窗口豎向裂縫多。

3）部分村民在原基礎上加蓋房屋，開裂變形破壞現象尤為嚴重。并且破壞變形的房屋大都集中在村莊邊緣附近，房屋開裂程度也比較嚴重。

3 張集礦區地表建筑物破壞因素分析

3.1 采動因素分析

3.1.1 預測模型

目前，我國常用的地表移動變形計算方法有典型曲線法、威布爾函數法、負指數函數法、概率積分法[1]，均能準確地判別地表建筑物是否受開采影響及影響程度。

張集煤礦目前開采煤層傾角均小于40°，故采用適宜于小于45°煤層的概率積分法進行地表移動變形規律預測，更具有參數確定簡易、實用性強等優點[2]。

3.1.2 預測參數

參照我國《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》[3]，依據張集礦區的地表移動實際觀測數據，采用概率積分法，確定張集礦區沉陷預測參數如下：一是下沉系數η，預測參數值取0.78，若重復采動則取0.91；二是主要影響正切tanβ，預測參數值取1.7；三是水平移動系數b，預測參數值取0.3；四是拐點偏移距S，S1，S2，S3，S4=10 m，H 為采深；五是影響傳播角θ，預測參數值取90°-0.6α，α 為煤層傾角。

3.1.3 預測結果

塘沿村受損房屋均位于張集煤礦東一（2）采區西側，采區內已回采的工作面有1121（3）工作面，收作時間2007年1月；1122（3）工作面，收作時間2014年8月；1123（3）工作面，收作時間2019年4月；1122（1）工作面，收作時間2011年8月。開裂房屋的走向同東一（2）采區系統巷道方向基本一致，距離最近一條系統巷道約560 m。本次預測主要是對靠近村莊的1122（1）和1122（3）的地表移動和變形規律進行定量預測。

預測結果分析：塘沿村受損房屋距離最近的1122（1）和1122（3）收作線800 m，塌陷傾斜方向為向東側傾斜，1122（1）和1122（3）工作面的地表下沉等值線均為非對稱的瓢形，開采后地表塌陷盆地下沉等值線及影響范圍見圖1。其中1122（1）工作面最大下沉值為1.5 m，下沉10 mm 的最外邊緣線距離塘沿村34 m，塘沿村居民區不在采動影響范圍；1122（3）工作面最大下沉值為1.8 m，下沉10 mm 的最外邊緣線距離塘沿村45 m，塘沿村居民區不在采動影響范圍。因此，此次房屋的損壞與張集煤礦的新開采工作面沒有直接關系。但因2002年6月—2003月2月回采1211（3）工作面，村莊曾受到采動影響，最大下沉值為0.1 m，因此村莊邊緣存在拉動影響。

圖1 塘沿村受損區域對應的井上下對照圖

3.2 地質構造因素

據張集煤礦《礦井水文地質類型劃分報告》及區內鉆孔揭露地層資料分析，塘沿村所屬研究區位于華北平原南緣的淮南煤田，為近東西向的復向斜構造盆地。該區內地層發育良好，出露地層主要有第四系、三疊系、白堊系、二疊系、奧陶系、石炭系、青白口系、寒武系和下元古界地層，地層出露較全，地層總厚度大于5590 m。據近期地質鉆探揭露土層和工程地質條件分析，不易產生區域內巖溶塌陷地質災害，且研究區內第四系土層沉積較穩定，并無新構造運動及其他有異現象；研究區地處淮北平原區南部河谷及河間平原區，地勢平坦，地面以農作物為主，不會發生滑坡、崩塌、泥石流等地質災害；同時依據《鳳臺縣志》記載，近代以來該縣各地區未發生過較大地震。總體來看，研究區內地質情況較為穩定，但水文地質條件受區域構造及新構造運動的控制，深層地下水、淺層地下水存在明顯的差異。

3.3 地下水抽排因素

3.3.1 生活用水

根據現場調查、走訪，研究區內50%村民家中和沿街門店均有水井（設有抽水的小型自吸電泵，流量3 m3/h，揚程60～120 m），水井深約20 m。住戶均反映自2019年初，水井開泵至出水約2～3 min，目前水井開泵至出水約5～7 min。且從6月開始，水井水質較差，有黑灰等雜質。調查還發現該村存在9 個井深均不低于150 m 的水源井，主要通過加壓抽取深層裂隙巖溶水，為深水井，但水質、泵水時間等無明顯變化。分析表明：淺層地下水水位因抽水使用，已開始出現水位下降，從而導致砂層、黏土層不均勻沉降。另外受2019年臺風“利奇馬”影響，鳳臺縣區域降雨量較往年同期減少近70%，無降水日數高達74 d，已成為近40年來最嚴重的伏秋旱。因此，淺層地下水過度使用和淺層地下水含水層補給量不足造成的不均勻沉陷是造成房屋開裂的原因之一。

3.3.2 工業用水

張集煤礦生活用水系統利用埋深90～120 m 的孔隙承壓水作為供水水源，水源井位于工業廣場內部，井深182.82 m，深入奧陶紀灰巖100.82 m，地下水開采量為9589 m3/d。通過對張集煤礦含水層鉆孔探析，目前抽取第四系孔隙承壓水對上覆淺層地下水、區域總地表水資源量及水環境均無直接影響。因此，對塘沿村居民生活用水及淺層地下水水位地層基本沒有影響。

礦井受開采破壞的含水層主要為二疊系砂巖裂隙含水層，富水性較弱，單位涌水量為0.000655～0.039000 L/（s·m）。自然狀態下，煤系砂巖裂隙含水層與上覆松散含水層和太原組灰巖之間無水力聯系。但隨著煤炭開采，礦井的疏排水活動促使自然水力場發生改變，從而導致砂巖裂隙含水層產生隆起處，并與松散砂層形成直接接觸區，進而產生水力聯系。采用裘布依承壓-無壓水公式進行計算，可得張集煤礦礦井疏排水活動影響半徑約為890 m，因此此次塘沿村開裂變形破壞房屋均處于其影響范圍之外。

4 結束語

通過對張集礦區塘沿村地表建筑物開裂變形多因素分析，結果表明：房屋開裂變形是由多因素共同造成的，其中年度淺層地下水層補給不足是導致地表房屋開裂變形的自然因素；地下水過度抽排導致地面沉陷、村莊房屋結構簡單、抗變形能力差、未處理直接作為基礎持力層的地基等均是村莊人為因素所致；而村莊邊緣存在已沉穩工作面拉動影響，則是采動因素所致。

礦區建筑物破壞的因素有很多，與采動因素混合在一起時難以進行界定，除了實地調查、掌握開采沉陷規律外[4]，還應加強礦區周邊建筑物的地質災害監測預報工作，加強礦區水源井及礦井疏排水活動對周邊水井動態水位的監測，在即將發生采空沉陷破壞的村莊區域設置警告牌或警戒線。當沉陷破壞達到一定程度時，應及時考慮補償危房租賃費或采用村莊搬遷方式，妥善做好協調和補償工作。