高文堅(jiān)

我國煤炭資源豐富，目前煤炭工業(yè)是我國不可或缺的支柱產(chǎn)業(yè)。伴隨著地下采煤，誘發(fā)大量的采空塌陷和地面裂縫，對礦區(qū)內(nèi)耕地、水環(huán)境、交通設(shè)施和地面建(構(gòu))筑物造成破壞。目前我國因地下采煤引起的地表沉陷已達(dá)200 km2/年，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。在制定煤炭工業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略時(shí)，一個(gè)需要研究的重要課題是資源開發(fā)與地面保護(hù)的關(guān)系問題。必須重視和做好煤炭工業(yè)建筑的現(xiàn)代化工作，推動(dòng)煤炭工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。本文就地下采煤對地表建筑物破壞及解決途徑提出了一些見解。

1 采區(qū)地表沉陷機(jī)理

煤礦采空塌陷與煤層厚度、傾角、采深、采厚、上覆巖層性質(zhì)及開采方式等有密切關(guān)系[1]。開采煤炭資源的同時(shí)，在地下形成了開挖空間，破壞了原有巖體的應(yīng)力平衡狀態(tài)，引起從開挖地層開始自下而上的覆巖內(nèi)部依次發(fā)生冒落、斷裂、裂隙、彎曲等巖層移動(dòng)過程。地下開采引起的上覆巖層移動(dòng)和破壞改變了上覆巖土層的工程地質(zhì)性質(zhì)，形成了采空區(qū)破損巖體地基工程地質(zhì)條件。當(dāng)其內(nèi)部拉應(yīng)力超過巖層的抗拉強(qiáng)度極限時(shí)，直接頂首先斷裂、破壞，并冒落下來。而老頂巖層則以某種梁彎曲的形式沿層理面法線方向移動(dòng)、彎曲，進(jìn)而產(chǎn)生裂隙、離層。隨著工作面的向前推進(jìn)，受采動(dòng)影響的巖層范圍不斷擴(kuò)大。當(dāng)開采范圍足夠大時(shí)，巖層移動(dòng)發(fā)展到地表，在地表形成一個(gè)下沉盆地，這就是地表沉陷。

2 地面沉陷對地表建(構(gòu))筑物的影響

地下采煤對地表的影響主要有垂直方向的移動(dòng)和變形(下沉、傾斜、曲率)與水平方向的移動(dòng)和變形(水平移動(dòng)、拉伸和壓縮)等。不同性質(zhì)的地表移動(dòng)和變形，對建筑物與構(gòu)筑物的影響也不相同。

2.1 開采引起地表變形對建筑物的影響

由于地下開采引起的地表變形一般分為地表下沉、地面水平變形、地表傾斜等。一般來說，當(dāng)建筑物所處位置出現(xiàn)均勻下沉?xí)r，對建筑物本身不會(huì)產(chǎn)生破壞，因?yàn)榻ㄖ锖蜆?gòu)筑物中不會(huì)產(chǎn)生附加應(yīng)力，但是主要管路的坡度會(huì)發(fā)生變化，四周的防水坡也可能造成損壞。特別是由于地表下沉使?jié)撍幌鄬ι仙斐山ㄖ镩L期積水或過度潮濕時(shí)，就會(huì)影響建筑的強(qiáng)度，以致影響建筑物的使用。地表傾斜后，建筑物隨之歪斜，重心偏移，影響其穩(wěn)定性，而且承重結(jié)構(gòu)內(nèi)部將產(chǎn)生附加應(yīng)力，基礎(chǔ)的承壓也會(huì)發(fā)生變化。地表水平變形對建筑物的影響較大。一般建筑物抵抗拉伸變形的能力小，在較小的拉伸變形作用下，建筑物的薄弱部位(如門窗附近)就會(huì)出現(xiàn)裂縫，建筑物抗壓強(qiáng)度較抗拉強(qiáng)度大，地表壓縮變形較小時(shí)，建筑物不出現(xiàn)破壞現(xiàn)象。

2.2 建筑物自身的抗變形能力

建筑物一般能夠承受一定程度的地表變形而不發(fā)生明顯損壞。建筑物所能允許的地表變形值，稱建筑物臨界變形值。通常以地表變形值大小來判斷建筑物可能破壞的程度，地表的水平變形到建筑物的底面和側(cè)面，使建筑物受到附加的拉伸和壓縮應(yīng)力。由于建筑物的破壞程度還與其結(jié)構(gòu)類型，建筑質(zhì)量，建筑物的長、寬、高、使用時(shí)間等因素有關(guān)，尤其與建筑物長度關(guān)系較大，所以有人主張將建筑物所占長度內(nèi)的地表變形總量作為衡量其破壞程度的指標(biāo)。

斷層對地表移動(dòng)與變形產(chǎn)生影響的原因在于斷層帶處巖層的力學(xué)強(qiáng)度大大低于周圍巖層的力學(xué)強(qiáng)度。由于應(yīng)力的集中作用，故使該處成為巖層變形集中的有利位置;地下煤層開采后，在上覆巖層發(fā)生移動(dòng)與變形的同時(shí)，巖層還沿著斷層面發(fā)生滑動(dòng)，于是在斷層基巖露頭處的地表就出現(xiàn)臺階狀的破壞。這是地面建筑在選址和施工過程中應(yīng)該高度重視的問題。

3 解決方法及成效

地下開采引起巖層與地表移動(dòng)，在其影響范圍內(nèi)建筑物會(huì)受到損害或破壞。為充分采出煤炭資源又維持建筑物的安全使用，必須研究建筑物下允許開采的條件和采煤方法。通過地面建筑物加固、建抗變形建筑物、井下采用條帶開采、協(xié)調(diào)開采、離層注漿減沉、合理布置工作面等措施和方法，解決建筑物下采煤問題。這決定于:開采引起的地表變形值;建筑物允許的地表變形值;建筑物加固防護(hù)措施和井下開采措施的技術(shù)可能性以及經(jīng)濟(jì)合理性;地表積水的排泄條件等[2]。

一方面，當(dāng)深厚比大到一定數(shù)值后，地表變形最大值可能小于地面建筑物的允許變形值，此時(shí)深厚比稱安全開采系數(shù)[3]。地表變形要嚴(yán)格控制在安全開采系數(shù)內(nèi)。峰峰礦務(wù)局辛寺莊村下采煤，共采煤兩層，上層采用多工作面聯(lián)合開采，下層采用不規(guī)則條帶開采，地面建筑物未采取任何加固措施，兩層煤采后，地面房屋保持完好，成功地完成了峰峰袁洼村的抗變形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);兗州吳官莊村下采煤，采用雙對拉450 m長工作面同時(shí)推進(jìn)，使建筑物處于移動(dòng)盆地平底，只受均勻下沉和動(dòng)態(tài)變形的影響;棗莊礦務(wù)局井亭煤礦，采用協(xié)調(diào)開采、合理布置工作面等措施安全采出了官路口村、楊莊、前黃莊村下壓煤;采用條帶方法開采了沛縣城下壓煤;淮北沈莊礦采用全采和條帶開采相結(jié)合的方法開采工廣煤柱獲得成功，采出率達(dá)到73%。

另一方面，在開采過程中，應(yīng)安排開采措施或建筑物加固措施，避免在建筑物下方形成永久性的開采邊界，以免使建筑物處地表出現(xiàn)較大的永久性變形，如邢臺礦建筑物下綜合機(jī)械化充填采煤技術(shù)通過中國煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)組織的專家組鑒定，冀中能源集團(tuán)，在下屬35對生產(chǎn)礦井全面推廣建筑物下固體充填采煤技術(shù)。常用以下措施:充填開采;水砂充填;全柱開采;同時(shí)等厚開采;協(xié)調(diào)開采;條帶開采等。

4 結(jié)語

1)地下采煤對地表的影響主要取決于采空區(qū)地表沉陷情況和建筑物的設(shè)計(jì)情況。礦區(qū)地面建筑在選址和施工過程中是應(yīng)該高度重視的問題。

2)為解決礦區(qū)地表沉陷對建筑物的破壞，可以通過地面建筑物加固、建抗變形建筑物、井下采用條帶開采、協(xié)調(diào)開采、離層注漿減沉、合理布置工作面等措施和方法，解決建筑物下采煤問題。

[1] 馬金榮.煤礦廢棄采空區(qū)建筑場地穩(wěn)定性研究[J].建筑科學(xué)，2006，22(4):22-24.

[2] 煤炭科學(xué)研究院北京開采所.煤礦地表移動(dòng)與覆巖破壞規(guī)律及其應(yīng)用[M].北京:煤炭工業(yè)出版社，1981.

[3] 趙安文.煤礦開采沉陷對地面建構(gòu)筑物的影響[J].山西建筑，2003，29(11):41-43.