劉　勇（重慶一三六地質(zhì)隊(duì)，重慶市 渝北區(qū) 401147）

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中梁山礦區(qū)沉陷地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)與防治

劉勇（重慶一三六地質(zhì)隊(duì)，重慶市 渝北區(qū) 401147）

煤炭開采后會(huì)在巖層位置出現(xiàn)不同程度的移動(dòng)變形，地表出現(xiàn)沉陷區(qū)，對(duì)臨近的基礎(chǔ)設(shè)施造成較大的影響，預(yù)測(cè)沉陷問題、分析沉陷規(guī)律、開展沉陷防治等成為研究的重點(diǎn)。本文以中梁山礦區(qū)為例，在分析環(huán)境背景的基礎(chǔ)上，提出了礦區(qū)沉陷預(yù)測(cè)方法，總結(jié)了沉陷災(zāi)害規(guī)律，探究了沉陷的主要防治方法。

礦區(qū)沉陷；預(yù)測(cè)；防治策略

礦區(qū)煤層采空后導(dǎo)致上方覆蓋的部分巖層失去可靠的支撐，原有的平衡條件遭到破壞，上方巖層出現(xiàn)移動(dòng)和變形，嚴(yán)重時(shí)破壞垮塌。另外，在規(guī)模化開采的過程中，地下水資源受到影響，巖土結(jié)構(gòu)應(yīng)力出現(xiàn)變化，導(dǎo)致地面沉陷，臨近的基礎(chǔ)建筑物嚴(yán)重受損，生態(tài)環(huán)境逐漸惡化［1］。因此，必須在加強(qiáng)礦區(qū)沉陷預(yù)測(cè)的同時(shí)，開展有效的沉陷防治工作，保證山區(qū)開采的可持續(xù)，為國(guó)內(nèi)山區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

1　礦區(qū)概況

中梁山礦區(qū)以低山地貌為主，地處川東弧形褶皺帶南傾伏端，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，降雨充沛。多年平均氣溫17.8℃，夏季地表平均溫度為29.6℃，日變幅為33.7℃，最高為53.9℃，最低為20.2℃。背斜北端在天府白廟子被嘉陵江切割，距井田北界直距16km，南端在小南海被長(zhǎng)江切割，距井田南界限11km，年平均水位+170m，為本區(qū)侵蝕基準(zhǔn)面，井田內(nèi)水流以山脊為分水嶺向東西兩翼流動(dòng)，溪溝間距大致相等。背斜軸向延展方向N9°E～N9°W，向南以8°、向北以3°傾伏角傾伏；西翼巖層產(chǎn)狀變化不大，一般50～75°，平均約60°，東翼受斷層影響，在不同部位巖層傾角變化較大，一般50～85°，平均約55°，局部直立。

2　中梁山礦區(qū)沉陷預(yù)測(cè)

2.1預(yù)測(cè)方法

實(shí)際觀測(cè)下沉10mm的點(diǎn)位為依據(jù)，確定沉陷范圍的大小，由于中梁山礦區(qū)煤炭開采時(shí)間較長(zhǎng)，開采過程對(duì)周圍地形有較大的影響，地質(zhì)測(cè)量人員、觀測(cè)站設(shè)置和觀測(cè)數(shù)據(jù)獲取等方面都受到一定的限制，無(wú)法按照觀測(cè)資料確定出沉陷情況，必須結(jié)合采煤沉陷的計(jì)算結(jié)果反映出采煤沉陷范圍、地表移動(dòng)和變形狀況，彌補(bǔ)人工觀測(cè)不足的問題。本研究中應(yīng)用采煤沉陷計(jì)算方法確定地表沉陷范圍，便于及時(shí)評(píng)估受損情況，提出沉陷的綜合治理方案［2］。

采煤沉陷的計(jì)算方法較多，不同的方法具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)。實(shí)際分析過程中，結(jié)合中梁山礦區(qū)的特點(diǎn)，選用概率積分計(jì)算方法。由于中梁山礦區(qū)為急傾斜煤層，以實(shí)際煤層角的大小為依據(jù)，應(yīng)用等價(jià)工作面轉(zhuǎn)換的方法進(jìn)行概率積分計(jì)算，如圖1所示。

圖1　等價(jià)工作面轉(zhuǎn)換示意圖

在計(jì)算地表移動(dòng)塑料和變形沉降的過程中應(yīng)用線積分公式計(jì)算，方法如下：

（1）下沉2

（2）傾斜

（3）曲率

（4）水平移動(dòng)

（5）水平變形

（6）扭曲變形

（7）剪切變形

式中：

wcm=m·q·cosα（mm）；

Ucm=b·wcm（mm）；

m——采厚（mm）；

α——煤層平均傾角（°）；

q——下沉系數(shù)；

b——水平移動(dòng)系數(shù)；

r——等價(jià)計(jì)算工作面的主要影響半徑（m），r=H等/tanβ；

H等——等價(jià)開采影響深度（m）；

tanβ—主要影響角正切；

Li——等價(jià)計(jì)算工作面各邊界直線段；

θ0——開采影響傳播角（°）；

ix（x，y）——沿x（煤層走向）方向的傾斜（mm/m）；

iy（x，y）——沿y（煤層傾向）方向的傾斜（mm/m）；

Kx（x，y）——沿x（煤層走向）方向的曲率（10-3×1/m）；

Ky（x，y）——沿y（煤層傾向）方向的曲率（10-3×1/m）；

Ux（x，y）——沿x（煤層走向）方向的水平移動(dòng)（mm）；

Uy（x，y）——沿y（煤層傾向）方向的水平移動(dòng)（mm）；

εx（x，y）——沿x（煤層走向）方向的水平變形（mm/m）

εy（x，y）——沿y（煤層傾向）方向的水平變形（mm/m）；

S（x，y）——扭曲變形（10-3×1/m）；

r（x，y）——剪切變形（mm/m）。

在計(jì)算過程中應(yīng)用煤炭科學(xué)總院編制的MKD地表移動(dòng)特性的計(jì)算軟件，借助最新的計(jì)算機(jī)可視化程序語(yǔ)言編制，可以針對(duì)任意煤層傾角和不同工作面中的開采情況對(duì)地表移動(dòng)和變形進(jìn)行計(jì)算，為了提高計(jì)算方法的適用性，需要應(yīng)用交互式數(shù)據(jù)輸入。這種計(jì)算方法在不同的礦區(qū)中得到應(yīng)用，通過類似礦區(qū)內(nèi)應(yīng)用結(jié)果的分析，計(jì)算方法適用于中梁山礦區(qū)采煤沉陷問題的分析。

2.2預(yù)測(cè)結(jié)果

以礦井最終沉陷預(yù)測(cè)為依據(jù)，發(fā)現(xiàn)煤層逐漸向深部-20m水平延深，礦區(qū)最終沉陷的總面積達(dá)到6824529m2，沉陷區(qū)域南北長(zhǎng)度約1870m，總體沉陷情況如表1所示。

表1　中梁山礦區(qū)地表移動(dòng)與變形情況

隨著礦區(qū)開采沉陷問題的突出，影響范圍逐漸增大，地表移動(dòng)和變形問題也逐漸加重，同時(shí)對(duì)地表水和地下水的影響也逐漸加大。結(jié)合目前地表移動(dòng)和變形觀測(cè)情況來看，地下水的影響范圍將逐漸擴(kuò)大，在不久的將來，引水渠、人畜飲水井、農(nóng)田灌溉和建筑物等都會(huì)受到不同程度的影響。

3　中梁山礦區(qū)沉陷規(guī)律

3.1地表下沉與水平移動(dòng)

地表下沉和水平移動(dòng)表現(xiàn)為一個(gè)點(diǎn)位的絕對(duì)移動(dòng)距離，相鄰點(diǎn)位的下沉和水平移動(dòng)量具有一定的差異，說明不同點(diǎn)位之間也會(huì)存在相對(duì)移動(dòng)，在變化的過程中逐漸形成地表變形。

盆地中心地表出現(xiàn)大面積的不均勻沉降和水平移動(dòng)，一般對(duì)地表建筑物的影響較小，臨近建筑物不會(huì)受到較大的破壞，也不會(huì)作為建筑物破壞的衡量指標(biāo)，如果建筑物地處在盆地中間區(qū)域，最終也會(huì)出現(xiàn)較大的地表移動(dòng)，臨近建筑物不同部件產(chǎn)生不同的附加應(yīng)力，原有的形態(tài)基本可以保持，因此也被稱為均勻下沉區(qū)域。

3.2地表傾斜變形

地表的傾斜變形主要為相鄰點(diǎn)位在垂直位置上出現(xiàn)的相對(duì)移動(dòng)與水平移動(dòng)，兩個(gè)相對(duì)移動(dòng)量的比值即反應(yīng)出沉陷盆地沿某一方向出現(xiàn)變形，導(dǎo)致一定范圍內(nèi)的建筑物出現(xiàn)傾斜，尤其是高大建筑物會(huì)受到更大的影響。

3.3地表彎曲變形

彎曲變形主要為相鄰線段的傾斜差與線段中點(diǎn)水平距離的比值，彎曲變形主要反映出地表傾斜的變化程度。在實(shí)際地表環(huán)境中，建筑物會(huì)在地表上凸和地表下凹的不同位置，建筑物受力狀態(tài)不同，受到的破壞也會(huì)表現(xiàn)出差異。

3.4地表水平變形

地表水平變形是相鄰兩點(diǎn)水平移動(dòng)差值和兩點(diǎn)水平距離的比值，地表的水平變形對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)造成較大的影響。在磚混結(jié)構(gòu)的建筑物中，抗拉伸變形能力逐漸減小，在受到拉伸變形的影響下，建筑物的門窗等薄弱環(huán)節(jié)將會(huì)出現(xiàn)裂縫，很多情況下地表沒有出現(xiàn)明顯的裂縫，而建筑物墻壁上已出現(xiàn)裂縫。拉伸變形、壓縮變形對(duì)建筑物內(nèi)的管道、電纜及其它建筑功能造成影響［3］。

4　礦區(qū)沉陷災(zāi)害防治策略

4.1采礦措施

4.1.1充填法開采

充填法開采主要是在采空區(qū)內(nèi)應(yīng)用開挖礦渣填充，同時(shí)借助井口外的矸石管理回填頂板。

4.1.2留設(shè)煤柱

中梁山礦區(qū)的東北位置為工業(yè)廣場(chǎng)和醫(yī)院所在地，建筑物也比較密集，因此需要按照實(shí)際煤層的走向和傾斜程度留設(shè)相應(yīng)面積的保護(hù)煤柱。

4.1.3限厚開采

與南風(fēng)井接近的地帶，可以積極開采k2煤層，待地表移動(dòng)基本穩(wěn)定后，獲得必要的觀測(cè)資料，之后在開采其它煤層。

4.2結(jié)構(gòu)措施

4.2.1設(shè)置變形縫

礦區(qū)內(nèi)建筑物受到破壞時(shí)，可以設(shè)置可靠的變形縫，切開基礎(chǔ)、地面、墻壁、樓板、屋面等部位，形成一條通縫。

變形縫一般設(shè)置在已有的橫墻附近，為了保證建筑物的空間剛度和整體性，在變形縫的位置設(shè)置厚度約24cm的橫墻，對(duì)樓板和屋面形成有效的支撐。如果變形縫兩側(cè)不存在橫墻時(shí)，需要在變形縫的兩側(cè)設(shè)置兩道橫墻。

4.2.2挖補(bǔ)償溝

礦區(qū)內(nèi)建筑物出現(xiàn)破壞問題時(shí)，可以應(yīng)用開挖補(bǔ)償溝的方法吸收地表的水平變形，保護(hù)建筑物。在設(shè)置變形補(bǔ)償溝的過程中需要重點(diǎn)考慮地表的壓縮變形和建筑物軸線之間的關(guān)系，如果建筑物受到同一軸線方向地表壓縮的影響，一般將百姓補(bǔ)償溝設(shè)置在變形方向外墻的垂直位置。如果建筑物受到兩個(gè)不同軸線放線或者斜向地表壓縮形變的影響，需要將形變補(bǔ)償溝設(shè)置在建筑物周圍。

實(shí)際施工中，保證變形補(bǔ)償溝的邊緣與基礎(chǔ)外側(cè)距離1～2m，溝底寬度在60cm以上，溝底面比基礎(chǔ)底面深20～30cm，如圖2所示。

圖2　形變補(bǔ)償溝設(shè)置

4.2.3建筑物結(jié)構(gòu)上設(shè)置鋼拉桿和鋼筋混凝土圈梁

如果礦區(qū)內(nèi)的建筑物受到Ⅱ級(jí)破壞，需要及時(shí)設(shè)置鋼拉桿，一般將其安裝在檐口與樓板水平的位置上，構(gòu)建閉合的結(jié)構(gòu)將建筑物箍住。

如果礦區(qū)內(nèi)預(yù)測(cè)建筑物受到Ⅲ級(jí)破壞，需要在建筑物結(jié)構(gòu)上設(shè)置鋼筋混凝土圈梁，同時(shí)要求建筑物本身具有一定的強(qiáng)度，并且所設(shè)置的墻體圈梁和基礎(chǔ)圈梁也必須滿足強(qiáng)度要求。

在檐口、樓板下部或窗梁水平的墻壁位置設(shè)置墻圈梁，設(shè)置在地面以下的基礎(chǔ)臺(tái)階上，所有部位的圈梁必須形成水平封閉的結(jié)構(gòu)，并在實(shí)際施工中將圈梁每隔1.5m設(shè)置錨固鍵，保證建筑物和砌體之間可靠結(jié)合。

5　結(jié)束語(yǔ)

本文將重點(diǎn)集中在礦區(qū)沉陷預(yù)測(cè)和災(zāi)害分析方面，提出了應(yīng)用充填法、留設(shè)煤柱和限厚開采的采礦措施，應(yīng)用變形縫、挖補(bǔ)償溝、鋼拉桿等方法抑制建筑結(jié)構(gòu)形變。實(shí)踐證明，礦區(qū)沉陷災(zāi)害問題得到有效治理，經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益顯著。

［1］馬文明.礦區(qū)沉陷地復(fù)墾與生態(tài)重建研究［J］.水利監(jiān)督與規(guī)劃，2014，28 （1）：13.

［2］丁安民，田八林，李克昭，等.礦區(qū)沉陷災(zāi)害監(jiān)測(cè)方法綜述［J］.河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，32（2）：165.

［3］王 琦，張廣學(xué)，馬賀平，等.礦區(qū)開采沉陷預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)與可視化表達(dá)［J］.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢），2015，24（4）：132.

劉 勇（1971-），男，副高級(jí)工程師，碩士，從事地質(zhì)危險(xiǎn)性評(píng)估、地質(zhì)災(zāi)害防治及地質(zhì)環(huán)境保護(hù)等工作。

TD327

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2095-2066（2016）16-0088-03

2016-5-16