張良發(fā)，艾 東

(湖北省宜昌地質(zhì)勘探大隊(duì)，湖北宜昌 443100)

0 引言

在地下煤層開采的影響下，采空區(qū)上方及其周圍地表產(chǎn)生變形與建筑物基礎(chǔ)不均勻沉降和位移變形，受到不同程度的危害，甚至威脅建筑物的安全和使用[1－3]。各國(guó)學(xué)者因此進(jìn)行了不懈的探索和研究，在開采方法、建筑物加固、修復(fù)以及建筑物抗變形設(shè)計(jì)等各方面取得了諸多成就[4]。針對(duì)煤層賦存地質(zhì)條件、開采方式以及建筑物的基礎(chǔ)、結(jié)構(gòu)形式和地基條件具有的多樣性和復(fù)雜性，本文以鄂西某煤礦為例，對(duì)礦區(qū)房屋及地面變形影響因素進(jìn)行了分析研究，并提出了防治措施。

1 研究區(qū)概況

1.1 地理位置

研究區(qū)屬于鄂西構(gòu)造剝蝕溶蝕低山區(qū)，高程270～823.99 m，區(qū)內(nèi)總體地勢(shì)北高南低，相對(duì)高差500 m。河谷呈“V”字型。變形房屋均位于溝谷兩側(cè)斜坡及坡腳附近，地面高程289～477 m，地形坡度10°～30°，建筑場(chǎng)區(qū)外局部地形坡度在30°～50°。

1.2 氣象水文

研究區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，雨量充沛。年平均氣溫15.5℃，最高40℃，最低－14.8℃。年平均降水量1 311 mm，每年的5—8月為主要雨季，降水量約占全年的60% ～80%，冬春季多偏北風(fēng)，夏季盛行東南風(fēng)，年平均風(fēng)速2.2～2.68 m/s，最大風(fēng)力達(dá)6～8級(jí)。

研究區(qū)地表水系較發(fā)育，均為溪溝，流經(jīng)礦區(qū)的主要水體為橫溝子河與水洞河，總體由西北向東南方向流動(dòng)。此外，礦區(qū)兩側(cè)邊緣發(fā)育數(shù)條小沖溝，在干旱季節(jié)水量極小甚至無(wú)水，雨季有暫時(shí)性流水，最終匯入橫溝子河。地表水排泄徑流條件較好。

1.3 地層構(gòu)造

礦區(qū)位于東西走向的仁和坪向斜北翼東端，是一個(gè)不完整的向斜構(gòu)造，向斜東部揚(yáng)起，在F3斷層以東，褶曲寬緩，走向北西—南東，北翼地層傾角19°左右，東段及南翼傾角漸變?yōu)?°～5°;F3斷層以西，北翼地層走向受斷層影響，變化不一，傾角大都是16°～19°。向斜核部地層產(chǎn)狀變平緩，其南翼地層傾角8°～5°。

研究區(qū)內(nèi)依次出露有石炭系、二疊系、三疊系和第四系地層，其中煤、硫鐵礦及高嶺土賦存于二疊系梁山組內(nèi)。

2 研究區(qū)變形情況

2.1 房屋變形情況

2011年8月及10月，煤礦兩次進(jìn)行采空區(qū)人工冒頂以后，礦區(qū)居民房屋及地表出現(xiàn)明顯變形。通過對(duì)礦區(qū)內(nèi)32戶居民房屋進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)房屋變形主要表現(xiàn)為墻體裂縫，主要有以下幾種:

(1)斜裂縫:一般出現(xiàn)在房屋的門窗洞口附近及外墻墻面上，往往以八字形出現(xiàn)?？p寬多在0.5～4 mm之間，最寬裂縫可達(dá)20～30 mm。

(2)墻體豎向裂縫:這種裂縫往往出現(xiàn)在房屋的縱墻上，起于墻脊附近，繼而沿近垂直方向向下發(fā)展。它的特點(diǎn)是上寬下窄，從墻頂向下延伸至墻體中部或墻腳尖滅，縫寬多在1～5 mm之間。

(3)窗臺(tái)下墻體豎向裂縫:這種裂縫一般是從窗臺(tái)向下發(fā)展的，具有上寬下窄的特點(diǎn)。窗口寬度愈大，則裂縫愈嚴(yán)重，而且這類裂縫在房屋的中部又較兩端為多。一般自窗戶下延伸至墻腳尖滅，少數(shù)貫通到地面，裂縫長(zhǎng)一般為0.5～2 m。

(4)墻角裂縫:主要形成于墻體拐角處及其附近，屬?gòu)埩芽p，縫寬多在0.5～5 mm之間，從墻頂向下延伸至墻體中部或墻腳尖滅，少數(shù)貫穿墻體。

2.2 地面變形情況

地面裂縫主要分布在房屋前的地坪曬場(chǎng)上以及屋內(nèi)地面，少數(shù)分布于屋基腳下與地坪相接處。裂縫多平行于房屋縱墻展布，少數(shù)垂直于房屋縱墻延伸。一般縫寬1～3 mm，少數(shù)達(dá)10～15 mm，延伸長(zhǎng)2～6 m，最長(zhǎng)達(dá)21 m。

另外，礦區(qū)通往外界的公路存在比較嚴(yán)重的變形。比較典型的變形有:公路水泥地面伸縮縫向深部斷裂，局部已切穿整個(gè)路基;公路一側(cè)填土與路面開裂，最寬處達(dá)5～10 cm。

3 影響因素分析

3.1 自然和建筑結(jié)構(gòu)強(qiáng)度因素

自然因素包括建筑場(chǎng)地的巖土工程條件、氣象水文環(huán)境、建筑結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等。

(1)巖土工程條件因素 研究區(qū)內(nèi)發(fā)生變形的部分房屋建于斜坡上，坡角一般20°～30°，部分可達(dá)30°以上，斜坡前緣多呈臨空狀態(tài)，建筑場(chǎng)地條件的穩(wěn)定性和適宜性較差，加上房屋地基多為松軟土與巖土混雜堆積的非均勻地基土，在外動(dòng)力或附加應(yīng)力的作用下，極易引起地表變形及地基基礎(chǔ)不均勻變形，進(jìn)而導(dǎo)致上部建筑物變形，譬如形成垂直于坡向的裂縫。另外，研究區(qū)的粘土具有脹縮性，在長(zhǎng)期脹縮作用下，土體的支撐能力產(chǎn)生不均勻變化，使地基內(nèi)應(yīng)力失去平衡，從而使基礎(chǔ)發(fā)生不均勻沉降，進(jìn)而導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，譬如在房屋的門、窗及墻體拐角等結(jié)構(gòu)薄弱處則易形成倒“八”字形裂紋。

(2)氣象水文環(huán)境因素 研究區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，雨量充沛。區(qū)內(nèi)建(構(gòu))筑物在經(jīng)歷長(zhǎng)期的干濕交替與冷暖交替的氣候環(huán)境變化過程中，出現(xiàn)自然風(fēng)化和結(jié)構(gòu)老化，繼而出現(xiàn)變形(如房屋開裂、傾倒)的現(xiàn)象是必然的。研究區(qū)房屋接近一半為土木或磚木結(jié)構(gòu)平房，建成時(shí)間較長(zhǎng)，該類墻體更易產(chǎn)生自然風(fēng)化而變形，未及時(shí)修補(bǔ)的變形裂縫，在進(jìn)一步風(fēng)化與雨水淋漓作用下則不斷加大直至出現(xiàn)險(xiǎn)情。

(3)建筑結(jié)構(gòu)強(qiáng)度因素 研究區(qū)內(nèi)房屋均為一般民房，施工質(zhì)量沒有嚴(yán)格控制，建筑結(jié)構(gòu)強(qiáng)度普遍較差，超過半數(shù)為漿砌塊石或壘砌塊石基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋藏較淺，寬度不大，部分為單磚墻。單薄的基礎(chǔ)和墻體本身強(qiáng)度較低，抗變形能力較差;在前述因素的長(zhǎng)期作用下，易產(chǎn)生變形且逐漸惡化。如:在門窗上下部位、預(yù)制板相間部位及地面磚的裂縫，延伸較短，一般0.5～2 m，寬度為微裂縫～2 mm，方向雜亂無(wú)章，分布無(wú)規(guī)律，未切割基礎(chǔ)和延伸至地面，這類裂縫一般是建筑結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低和施工質(zhì)量差的后果。

3.2 采礦活動(dòng)因素

研究區(qū)采礦活動(dòng)主要是在2010年下半年，期間房屋變形程度較輕;煤礦于2011年8月及10月兩次進(jìn)行采空區(qū)人工冒頂后的兩個(gè)月內(nèi)，礦區(qū)一帶居民房屋及地表則集中出現(xiàn)了明顯的變形情況，且連續(xù)降雨之后變形情況有加劇趨勢(shì)。

采礦活動(dòng)對(duì)房屋變形影響有兩個(gè)方面:地下采空區(qū)及井巷變形與塌陷、采礦爆破振動(dòng)。

3.2.1 地下采空區(qū)及井巷變形與塌陷引發(fā)或加劇地表及建筑物變形

地下煤層被采動(dòng)之后，形成一個(gè)自由空間，破壞了原來(lái)的應(yīng)力平衡狀態(tài)。其上方巖土體及地表即會(huì)產(chǎn)生垂直移動(dòng)(下沉)、水平移動(dòng)與傾斜、曲率彎曲和水平變形(壓縮變形和接伸變形)等[5，6]。

在上述變形作用下，平面上將形成與采空區(qū)相對(duì)應(yīng)的環(huán)狀變形區(qū)域，即地表移動(dòng)盆地(見圖1)。

圖1 地表移動(dòng)盆地特征[7]Fig.1 Characteristics of ground movement basin

在巖土體內(nèi)部則形成了立體形態(tài)的變形區(qū)域，當(dāng)采空區(qū)頂板厚度足夠大時(shí)，在豎向上，采空區(qū)頂板破壞自下而上可劃分為冒落帶、導(dǎo)水裂隙帶、彎沉帶等三個(gè)變形帶，習(xí)慣上稱為三帶(見圖2)。在變形過程中，首先是頂板壓力拱內(nèi)的巖體開始冒落，形成冒落帶，冒落帶內(nèi)巖土體形成很大的空間位移，位移變形方向規(guī)律性差、變形量均勻性極差;繼而冒落帶之上的巖體隨之下移破裂，形成彼此貫通的導(dǎo)水裂隙帶(或稱之為裂隙帶)，裂隙帶內(nèi)巖土體會(huì)形成較大的空間位移變形，變形量均勻性較差，隨高度的增加裂隙發(fā)育程度漸弱、裂隙寬度及變形量漸小、變形趨均勻。再往上，巖層的下移量在其彈塑性變形范圍之內(nèi)，巖層只會(huì)產(chǎn)生彎曲和下沉，不會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)水裂隙，變形比較平緩均勻，變形值小，此段稱為彎沉帶。其中冒落帶與導(dǎo)水裂隙帶中巖體的連續(xù)性受到破壞，承受外界荷載的能力和抗外力擾動(dòng)能力很小，這兩個(gè)帶屬于破壞影響區(qū)。因此，分析建筑場(chǎng)地及建筑物主要受力層與老采空區(qū)冒落帶及導(dǎo)水裂隙帶的空間位置關(guān)系，是評(píng)價(jià)采煤沉陷區(qū)地基穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。

圖2 頂板破壞分帶示意圖[8]Fig.2 Schematic diagram of failure zone of roof

由于研究區(qū)內(nèi)長(zhǎng)期持續(xù)的采煤活動(dòng)，已形成了大面積的地下采空區(qū)。根據(jù)相關(guān)理論公式及實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，按不利組合條件計(jì)算研究區(qū)的冒落帶及裂隙帶范圍，以分析地下采空區(qū)及井巷變形、塌陷對(duì)房屋變形與地面塌陷的影響。冒落帶及裂隙帶的發(fā)生與發(fā)展，受采礦方法、礦層的厚度(采空區(qū)及井巷高度)、采空區(qū)頂板—地表的高度、頂板上覆巖石強(qiáng)度及場(chǎng)地地形條件等一系列復(fù)雜因素影響，因此只能對(duì)其作出近似預(yù)測(cè)。

(1)冒落帶 在冒落帶高度范圍內(nèi)，極易發(fā)生嚴(yán)重的地面沉陷與房屋變形甚至倒塌。

冒落帶的計(jì)算公式[9]:

式中:H——冒落帶的高度，m;α——煤層傾角，按 20°計(jì)算;m——采出煤層厚度，按3 m計(jì)算;k——巖石碎脹系數(shù)，通常取1.3。

計(jì)算得冒落帶高度H=10.64 m。

經(jīng)分析，研究區(qū)內(nèi)地表及建筑基礎(chǔ)埋置高程均遠(yuǎn)高于冒落帶(頂)的相應(yīng)高程，則研究區(qū)內(nèi)不會(huì)發(fā)生因采空區(qū)及井巷塌陷變形引起的嚴(yán)重地面沉陷與房屋變形，調(diào)查結(jié)果與理論分析結(jié)果是相符的。

(2)嚴(yán)重?cái)嗔褞?冒落帶以上一定高度內(nèi)為嚴(yán)重?cái)嗔褞В瑖?yán)重?cái)嗔褞У捻斆娓叱虨樽圆煽諈^(qū)，井巷頂板之上的1.5倍采空區(qū)及巷道頂板埋藏臨界深度。在嚴(yán)重?cái)嗔褞?nèi)的場(chǎng)地或地基是不穩(wěn)定的或穩(wěn)定性差(當(dāng)采空區(qū)及巷道頂板的埋藏深度H＜Ho時(shí)，地基不穩(wěn)定;當(dāng)Ho＜H ＜1.5Ho時(shí)，地基穩(wěn)定性差;H ＞1.5Ho時(shí)，地基穩(wěn)定)，很可能形成嚴(yán)重的地表變形及房屋嚴(yán)重開裂變形，甚至倒塌。保持地面建筑物地基穩(wěn)定的采空區(qū)及巷道頂板埋藏臨界深度的計(jì)算公式[6]:

式中:Ho——臨界深度，m;B——巷道寬度，取 3 m;γ——巖層的重度，取28 kN/m3;φ——巖石內(nèi)摩擦角，取40°;Po——建筑物基底單位壓力，取80 kPa。

計(jì)算得 Ho=18.93 m，1.5Ho=28.40 m。

研究區(qū)地表高程及區(qū)內(nèi)所有建筑物的基礎(chǔ)埋置高程均遠(yuǎn)高于嚴(yán)重?cái)嗔褞У捻斆娓叱?，則研究區(qū)內(nèi)亦一般不會(huì)產(chǎn)生因地下采區(qū)變形引起的嚴(yán)重地面沉陷與房屋變形，調(diào)查結(jié)果與理論分析結(jié)果是相符的。

(3)地表變形影響高度(裂隙帶頂面高度) 當(dāng)采空區(qū)產(chǎn)生礦柱風(fēng)化、壓碎、礦坑坍塌或開采區(qū)回采放頂后，在采空區(qū)上方巖體內(nèi)形成冒落帶及裂隙帶。裂隙帶內(nèi)因裂隙的導(dǎo)水功能構(gòu)成水力作用，易形成巖土沖蝕、溶蝕、土體物質(zhì)流失，可能引起地表產(chǎn)生地面沉陷和地裂縫，及形成土洞與溶洞，或加劇土洞及溶洞的擴(kuò)大而塌陷等地質(zhì)問題，進(jìn)而影響到房屋變形。

地表變形影響高度(裂隙帶頂面高度)計(jì)算公式[8]為:

式中:H——引起地表開裂變形由礦坑頂板至地表的距離，m;γ——礦坑頂板及以上地層的平均重度，取28 kN/m3;h——礦坑高度，取3 m;α——礦山地面的地形坡角，分別取 10°、20°、30°;β——開采礦層的平均傾角，取20°;Rt——礦坑頂板巖石的平均抗壓強(qiáng)度，取40 MPa;η——與頂板巖石破碎程度有關(guān)的系數(shù)(2～4之間)，取 3;k——安全系數(shù)，取 2。

計(jì)算結(jié)果:α=10°時(shí)，采空區(qū)冒落影響高度H=59.03 m;

α=20°時(shí)，采空區(qū)冒落影響高度H=121.86 m;

α=30°時(shí)，采空區(qū)冒落影響高度H=193.29 m。根據(jù)計(jì)算的地表變形(裂隙帶)影響高度，通過對(duì)地面高程與采空區(qū)(井巷)頂板高程的關(guān)系計(jì)算，按開采影響傳播角65°(為圖1所示“α”，角度取值按不利因素予以簡(jiǎn)化為一個(gè)數(shù)值)圈定地表變形(裂隙帶)影響范圍。結(jié)果表明，有27戶分布在地表變形(裂隙帶)影響范圍內(nèi)的居民房屋可能遭受到了因采空區(qū)及井巷塌陷進(jìn)而發(fā)展到地表的變形影響。

3.2.2 采礦爆破振動(dòng)引發(fā)或加劇建筑物變形

爆破時(shí)，將產(chǎn)生爆破地震波，對(duì)土、巖、建筑物及構(gòu)筑物等產(chǎn)生影響。這種影響一般稱為爆破地震效應(yīng)，也叫人工地震。

利用《爆破安全規(guī)程》中公式計(jì)算井下爆破地震效應(yīng)的有效半徑。公式為:

式中:R——測(cè)點(diǎn)至爆源中心距離，m;Q——炸藥量，取最大一次藥量，12 kg;m——藥量指數(shù)，取 0.5;V——振動(dòng)速度，取V=1 cm/s;K、a——與介質(zhì)、場(chǎng)區(qū)條件有關(guān)的常數(shù)，根據(jù)礦區(qū)地質(zhì)條件，圍巖均屬較硬巖—堅(jiān)硬。取k=150，a=1.5。計(jì)算結(jié)果表明，爆破地震安全半徑距離為99.4 m，即與爆破點(diǎn)直線距離在99.4 m以內(nèi)的一般民用建筑在爆破振動(dòng)時(shí)會(huì)被破壞。

對(duì)比研究區(qū)內(nèi)各房屋與爆破點(diǎn)的距離，在采掘施工過程中，爆破產(chǎn)生的震動(dòng)效應(yīng)可能引起和加劇20戶居民的房屋變形，爆破振動(dòng)對(duì)土房的影響較重，對(duì)磚房的影響較小。

3.3 綜合分析

綜合變形房屋的場(chǎng)地條件、地基基礎(chǔ)特征、建筑結(jié)構(gòu)特征、變形現(xiàn)狀特點(diǎn)以及礦山開采對(duì)地表的影響分析等，判定現(xiàn)狀地表建筑物變形的影響因素:在現(xiàn)狀條件下，共有27戶居民變形房屋處于采礦活動(dòng)的影響范圍內(nèi)，采礦活動(dòng)直接造成或誘發(fā)與加劇了房屋變形;另5戶居民的房屋處于采礦活動(dòng)的影響范圍之外，其變形的影響因素是自然因素。

4 防治措施

4.1 治理措施

(1)建議對(duì)變形嚴(yán)重的房屋以及變形程度中等的土木結(jié)構(gòu)房屋進(jìn)行重建或搬遷，在重建和搬遷之前保持監(jiān)測(cè);對(duì)其它各房屋及地表裂縫進(jìn)行修復(fù)，采取監(jiān)測(cè)居住的措施。

(2)及時(shí)封堵地面塌陷，封堵的方法是投入片石，上鋪砂卵石，再鋪砂，表面用粘土夯實(shí)，經(jīng)一段時(shí)間的下沉壓密后用粘土夯實(shí)補(bǔ)平;及時(shí)堵塞建筑物附近的地表裂縫，防止地表水注入。

(3)對(duì)礦區(qū)新建建筑物應(yīng)做好選址勘察，并采取適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)措施，以吸收消化一部分變形的危害。如:在基礎(chǔ)與基礎(chǔ)圈梁之間設(shè)置水平滑動(dòng)層，減少基礎(chǔ)的水平變形向上部建筑物傳遞;對(duì)長(zhǎng)度大的建筑物設(shè)置變形縫，切割成幾個(gè)獨(dú)立的單體，使各單元均勻沉降，提高適應(yīng)地表變形的能力;在建筑物基礎(chǔ)外側(cè)1 m左右，挖變形補(bǔ)償溝，吸收地表壓縮變形。

4.2 監(jiān)測(cè)預(yù)警

(1)房屋變形監(jiān)測(cè) 對(duì)建議進(jìn)行重建或搬遷的房屋在重建或搬遷之前應(yīng)列入重點(diǎn)監(jiān)測(cè)對(duì)象。應(yīng)組織專人(班)監(jiān)測(cè)、制定災(zāi)害發(fā)生的應(yīng)急預(yù)案，以定量監(jiān)測(cè)為主要手段，依據(jù)變形的速率相應(yīng)調(diào)整監(jiān)測(cè)頻次。對(duì)其他變形房屋以巡視監(jiān)測(cè)為主，輔以定量監(jiān)測(cè)，并做好災(zāi)害處理應(yīng)急預(yù)案等工作。

(2)地面變形監(jiān)測(cè) 區(qū)內(nèi)地面開裂變形比較普遍，雖目前裂縫寬度與地表錯(cuò)位小，尚未造成嚴(yán)重后果，預(yù)測(cè)研究區(qū)內(nèi)所有建筑物均有可能因地面變形范圍的擴(kuò)大而遭受危害，對(duì)此必須引起高度重視。因此在進(jìn)行房屋變形監(jiān)測(cè)的同時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)地面變形監(jiān)測(cè)，采取巡視監(jiān)測(cè)和設(shè)置固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行定量監(jiān)測(cè)。

4.3 加強(qiáng)采礦管理

不適當(dāng)?shù)拈_采方式容易加劇采空區(qū)的地面變形，因此應(yīng)以預(yù)防為主，加強(qiáng)采礦管理，應(yīng)在房屋所在位置留足保安礦柱，保證采礦方法符合相關(guān)規(guī)范要求。采礦活動(dòng)應(yīng)控制一次爆破的炸藥用量與爆破作業(yè)頻次，避開夜間爆破，將爆破影響范圍及危害程度控制到最小。

5 結(jié)論

結(jié)果表明，研究區(qū)內(nèi)大部分房屋與地表現(xiàn)狀變形是由綜合因素共同作用形成的，巖土工程條件差、建筑結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低及氣象水文環(huán)境形成的日常風(fēng)化和結(jié)構(gòu)老化是房屋變形的自然因素，采礦活動(dòng)是房屋與地表變形的直接因素或誘發(fā)與加劇因素，采礦活動(dòng)對(duì)研究區(qū)地表與房屋變形構(gòu)成很大的不良影響作用。針對(duì)礦區(qū)出現(xiàn)的變形情況，從治理、監(jiān)測(cè)和管理方面須采取有效的防治措施，以使采礦危害減小到最小程度。

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