濟寧-兗州煤田采煤沉陷區建(構)筑物損毀特征分析及防治建議

張巖，張青卉，胡波*，劉昆，黎逢良，張倩，張陽，張帆

(1.山東省魯南地質工程勘察院(山東省地勘局第二地質大隊)，山東 濟寧 272100；2.自然資源部采煤沉陷區綜合治理工程技術創新中心，山東 濟寧 272100；3.青島市生態環境局平度分局，山東 青島 266700；4.濟寧市自然資源和規劃局經濟開發區服務中心，山東 濟寧 272000)

0 引言

20世紀90年代以來濟寧市原煤產量迅速增長，并穩定在7000萬t/a左右，境內因采煤引發的地面沉陷區也以前所未有的速度擴大[1]。受歷史因素及城市規模不斷擴大的影響，部分城鄉建筑和市政基礎設施進入煤炭開采影響范圍，采煤造成的地表彎曲和沉降變形導致諸多房屋破壞、道路損毀，嚴重影響居住和出行環境[2-4]。前人對山西、遼寧、河南、安徽等礦區地表土地塌陷破壞、地面建(構)筑物損毀評估以及建筑物加固方案等方面進行過深入的研究，本文從研究區實際出發，分析建(構)筑物損毀特征并提出防治建議，以期為建(構)筑物抗采動設計、加固方案提供相應的參考依據。

1 研究區煤炭資源賦存及開發利用概況

濟寧市煤炭資源豐富，含煤面積3920km2，占全市總面積的三分之一以上，主要分布于兗州、曲阜、鄒城、微山等地，煤層穩定，煤質優良，開發利用價值高，為全國重點開發的八大煤炭基地之一。濟寧市現有煤礦45個，分屬于濟寧煤田、兗州煤田、金鄉煤田、汶上煤田、棗滕煤田、巨野煤田，2019年煤炭開采和洗選行業工業總產值達到470.05億元[5-6]。從1959年第一個礦井投產至20世紀70年代末，濟寧市煤炭產量雖然增幅較快，但總量較少；隨著大批具有較高年設計生產能力的礦井于90年代陸續投產使用，濟寧市的煤炭產量開始突飛猛進，并成為山東省極為重要的產煤區。2010年，濟寧市的煤炭產量達到了8809萬t，占山東省煤炭產量的56.3%[1]。

濟寧-兗州煤田主要位于濟寧市任城區、曲阜市、魚臺縣、兗州區及鄒城市(圖1)。區內主要含煤地層為下二疊統山西組和上石炭統太原組，主要含煤地層都在10層以上，可采厚度10m左右，煤系和煤層沉積較穩定，為華北型含煤巖系。主要穩定可采煤層傾角比較平緩，一般小于15°，煤質較好且穩定，煤系之上一般覆蓋有上侏羅統和較厚的第四系。

圖1 濟寧-兗州煤田煤礦分布圖

區內現有生產礦山23個，主要開采煤層為3、3上、3下、16、17等煤層，多采用走向長壁后退式采煤，全部垮落法管理頂板。各礦山目前已開采煤層平均厚度0.99～9.12m，埋深190～1300m不等。

截至2019年底，研究區內采煤沉陷區(沉陷深度10mm以上范圍)總面積40243.11hm2，主要分布于鄒城市、任城區、兗州區、曲阜市等地。采煤損毀地類主要為耕地(55.9%)、水域及水利設施用地(26.8%)和城鎮村及工礦用地(9.69%)和交通設施用地(1.67%)。

2 采煤沉陷區建(構)筑物損毀特征

濟寧-兗州煤田大多數煤礦主采煤層為3煤，該煤層厚度普遍在3.5m以上，屬厚煤層。在全采條件下開采3煤引發的地表沉降變形>1m，遠超過《建筑地基基礎設計規范》中要求的0.2m的平均沉降量；差異沉降引起的傾斜也足以對建(構)筑物造成結構性損壞，嚴重影響居住安全。

2.1 沉陷區建(構)筑物損毀機理

隨著煤層開采，上覆巖層底部托空，破壞了巖體內部原有的應力平衡，在重力作用下巖體發生剪切破壞，進而產生移動變形并傳遞至地表巖土體[7]。地表巖土體的變形表現為“沉陷盆地”，為不均勻沉降，且既有豎直向變形又有水平向變形。

“沉陷盆地”范圍內的建筑物地基發生不均勻沉降后就會反映在上部結構的內力變化上。某些應力集中區將會產生強烈的剪切或拉張內力，達到一定程度后結構脆弱區便發生剪切或拉張破壞。

線性構筑物在重力和地表沉陷變形的影響下呈現兩種不同的受力狀態，盆地中心和邊緣表現為豎直向下的剪應力和水平向的張應力，其他區域則表現為豎直向下的剪應力和水平向的剪應力。兩種不同的受力狀態造成道路等線性構筑物呈現下陷裂縫和隆起兩種破壞形式。

2.2 沉陷區建筑物損毀特征

建筑物在采煤沉陷影響下易發生損毀的區域包括：磚石結構建筑物轉角、縱橫墻連接處、門(窗)墻的勒角部分、變形縫周邊、新舊房屋連接處、墻體散水、砌體單墻等(照片1)[5]。

照片1 采煤沉陷造成建筑物裂縫典型照片

2.2.1 不同開采方式下建筑物損毀特征

(1)全采條件下，研究區內村莊下煤炭資源開采前均進行搬遷避讓。沉陷區中未拆除的建(構)筑物損毀明顯，除房屋的門(窗)框的拐角、新舊建筑物交會處、無構造柱的單墻等結構脆弱區外，房屋承重墻、屋頂等區域亦見明顯裂縫損毀，裂縫寬度1～15cm不等，裂縫傾角多大于60°，可貫穿整個墻體，不同區域裂縫亦互相貫穿聯通。這些裂縫使房屋結構穩定性遭到嚴重破壞，不宜居住。

(2)條帶開采是保留的條帶煤柱支撐上覆巖層的荷載,從而使地表移動變形保持在允許范圍以內的一種采煤方法，是一種釋放資源儲量、節約開采成本的折中方案。條帶開采是研究區內村莊下煤炭資源的主要手段，采煤沉陷引起的建(構)筑物損毀程度要遠小于全采。

較小的地表移動變形多反映在建筑物散水、新舊建筑物交會處、砌體單墻等區域。受采煤影響房屋可見輕微裂縫，裂縫寬度0.1～1cm不等，這些裂縫多發育于無構造柱結構欠穩定的砌體單墻(如屋頂女兒墻、厚度不大的磚墻)，裂縫多近垂直，可貫穿整個墻體；房屋門(窗)框的拐角處裂縫較少且寬度小。較小的裂縫經簡單維修后不影響正常居住。

(3)部分礦山開采后采用膏體材料或高水材料對工作面進行了充填，大大減小了采煤造成的地表移動變形，對地表建(構)筑物影響很小[8-9]。

2.2.2 不同開采條件下建筑物損毀特征

(1)在研究區內選取煤層埋深不同、厚度相近、采寬留寬比相近的采煤沉陷區進行研究，分析采煤沉陷影響范圍內的1～3層民居裂縫發育情況，以百所房屋發育裂縫數量和裂縫寬度分布統計(表1)。

表1 不同埋深煤層條帶開采造成房屋裂縫統計表

由表1可知，條帶開采條件下埋深是影響裂縫發育數量和張開程度的重要影響因素之一。采寬留寬比相近時，采深越大對地表建(構)筑物的影響越小。

(2)在研究區內埋深相近、采寬留寬比相近,煤層厚度不同條件下的低矮建筑物損毀統計樣本較少，煤層厚度與受損建筑物裂縫發育數量和張開程度相關性規律不明顯。

(3)采寬留寬比是影響裂縫發育數量和張開程度的重要因素之一。研究區內條帶開采作業采寬留寬比一般在1∶1～1∶2之間，埋深相近、厚度相近,采寬留寬比相同條件下的低矮建筑物損毀統計樣本較少，但總體規律是采寬留寬比越大房屋裂縫數量越多。即使不同采深和采厚條件下，采寬留寬比大的區域建筑物受損更為明顯。采寬留寬比與房屋損毀強度的相關性比開采深度和開采厚度更為明顯(表2)。

表2 不同采寬留寬比條帶開采造成房屋裂縫統計表

2.2.3 相同開采條件不同結構形式建筑物損毀規律

(1)同樣開采條件下，2～3層建筑物墻體裂縫數量要遠少于單層建筑物，6層以上建筑物墻體裂縫基本不發育。單層建筑物多為簡單的砌體結構，構造柱數量遠少于多層建筑，且基礎形式簡單，多未采用地梁、圈梁等抗不均勻變形結構；六層以上建筑物在設計時即考慮到地基不均勻沉降產生的后續影響，通過合理設置變形縫和后澆帶并采用強度較高的鋼筋混凝土結構抵抗了地基不均勻沉降帶來的影響[10]。

(2)同樣開采條件下非線性、小面積的單體建筑物的裂縫數量要少于長寬比大的復雜建筑物，如小型的機井房、配電室墻體裂縫要少于面積較大的村莊民居、聯排房屋。面積大、長寬比大的建筑物跨度大、整體型不強，在不均勻沉降影響下，內力和撓度較大,更易出現局部裂縫而破壞。

2.3 沉陷區線性構筑物損毀特征

2.3.1 不同開采方式下線性構筑物損毀程度

(1)全采條件下路基沉陷變形劇烈，不同的道路表現為不同的破壞形式。

(2)條帶開采影響范圍內的道路等線性構筑受損較小，對交通影響不大。

2.3.2 不同結構形式線性構筑物損毀程特征

(1)素土路及泥結碎石路破壞形式主要表現為路面裂縫及明顯的起伏變化，路面裂縫主要發育在沉陷盆地邊緣部位，且在降雨、行車及重力作用下將逐漸填充消失。

(2)水泥混凝土道路在沉陷盆地的中心部位路基下陷與面板脫離，造成底板托空，在行車荷載及重力作用下，水泥面板碎裂破壞，降雨后雨水沿裂縫深入地基，車輛通過時地基土和水一起從裂縫處擠出，由縫中噴濺出稀泥漿(路面唧泥)；在沉陷盆地的邊緣部位，水泥路面板在行車荷載作用下易產生橫向裂縫，裂縫兩側錯臺，影響車輛正常行駛；水泥路另一種破壞形式為面板隆起，該處面板受水平向剪應力，剛度較大的路面在剪應力作用下沿脹縮縫斷裂，裂縫兩側面板持續受力進而拱起呈“∧”型，隆起錯臺的區域嚴重影響交通。水泥混凝土路面初始破壞區多集中在伸縮變形縫或路面交會處或路面與構筑物交會處，局部區域因底托空和行車重壓的雙重影響，形成大面積路面碎裂(照片2)。

照片2 水泥混凝土路面隆起破壞

(3)瀝青道路在采煤沉陷影響下最易發生褶皺隆起(壅包)及橫向斷裂。瀝青材質道路屬“柔性路面”，其路面損毀形式既取決于沉陷盆地形態位置，又與路面下方基層抗變形能力關系密切。“白改黑”路面，即原有混凝土路面上加鋪瀝青混凝土面層，此類道路破壞模式與水泥混凝土路面基本一致；采用半剛性基層(水泥穩定土、水泥穩定粒料類等)的瀝青混凝土路面，其破壞時的隆起高度和影響范圍要小于“白改黑”路面；采用柔性基層(級配砂礫、級配碎石類等)的瀝青混凝土路面，其破壞時的隆起高度、和影響范圍要最小，且受行車荷載影響明顯。采用柔性基層的瀝青混凝土路面受損后清除表面碎裂面層，對交通影響較小。

3 采煤沉陷區建(構)筑物損毀防治建議

(1)源頭防治，控制采寬留寬比。對比所采煤層厚度和深度，采出煤層寬度和保留的條帶煤柱寬度的比值對房屋損毀強度更為明顯。合理確定采寬留寬比是一項專業技術問題，與經濟利益、資源高效利用和民生福祉關系密切[11]。

(2)強化設計，針對性預防。建筑物基礎應采用整體性較好的現澆鋼筋混凝土箱形基礎或條形基礎，并配置適量的抗裂鋼筋，以抵抗不均勻沉陷引起的裂縫，確保基礎的整體性，降低對上部結構的影響[12]。盡量不采用砌體結構基礎[13]。

在應力集中、結構相對較弱的門、窗框周邊，砌體單墻等區域增設加強筋、構造柱等強化措施。上部結構盡量采用靜定結構，能隨有限的地表沉陷而發生相應變形，并仍保持穩定，避免不均勻沉降引起的內部附加應力[10]。

采煤沉陷區影響范圍內的道路盡量采用瀝青混凝土面層柔性基層。混凝土面層和半剛性基層在不均勻沉降和行車荷載作用下極易出現面板碎裂、反射裂縫和“∧”型隆起，嚴重影響交通功能。采用瀝青混凝土路面柔性基層可以有效抵抗少量不均勻沉降帶來的路面隆起和裂縫問題，確保使用壽命。

(3)補強加固,保障安全、提高使用壽命。對于受損建筑物可采用砂漿或環氧樹脂灌縫法、水泥砂漿或混凝土外加層加固法、增設扶壁構造柱和支撐柱法、植入加強鋼筋法、現澆混凝土擴大基礎等方法進行加強防護、以期提高受損建筑物使用壽命，保障居住安全[14-18]。對于面板大范圍碎裂和嚴重錯臺的混凝土面層道路需鑿除碎裂面板，重新澆筑；路面裂縫可采用瀝青油灌縫封堵，防止基層或路基進一步受損；水泥面板隆起破壞，需鑿除受損部分重新澆筑面板；瀝青混凝土面層隆起破壞，可銑刨隆起部分至平滑后繼續使用。

(4)加強監測，通過設置地表和建筑物沉降觀測點，獲取地表沉陷的變化規律和發展趨勢，及時預警突發情況，指導采取安全措施。

4 結語

濟寧-兗州煤田開采歷史較長，采煤沉陷造成地表建(構)筑物破壞的原因機理較為簡單，較復雜的破壞形式取決于不同的開采條件和結構形式。全采條件下，建筑物損毀嚴重，補強加固意義不大；道路損毀需根據損毀等級采用重新修筑、鑿除補強、灌縫、銑刨等手段進行修復。條帶開采條件下采出煤層寬度和保留的條帶煤柱寬度的比值對房屋損毀強度的影響更為明顯，房屋建筑物可選擇合理的基礎和上部結構形式，優化設計、針對性加強；受損建筑物可采用灌縫、外加層加固法、增設扶壁構造柱和支撐柱、植入加強鋼筋等方法進行加強防護；道路構筑物受損不明顯。