李世超

（河北冀中邯峰礦業(yè)有限公司 大淑村礦，河北 邯鄲 056300）

0 引 言

長(zhǎng)期以來(lái)煤炭資源在我國(guó)能源供應(yīng)中處于主體地位，有力促進(jìn)了社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，具有不可替代的作用[1]。我國(guó)“三下”壓煤儲(chǔ)量巨大，尤其是建筑物下壓煤約占總壓煤的60%，且主要集中在中東部地區(qū)[2]。冀中能源峰峰礦區(qū)是我國(guó)的主要煤炭生產(chǎn)基地之一，目前大部分采煤均涉及建筑物下開(kāi)采；此外，礦區(qū)內(nèi)村鎮(zhèn)、工業(yè)建筑、鐵路等壓覆有大量煤炭資源，若無(wú)法科學(xué)合理地解放“三下”壓煤，將加劇企業(yè)進(jìn)入衰退期的進(jìn)程。同時(shí)，高強(qiáng)度、大范圍的村莊下采煤活動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致工民用建筑物及生產(chǎn)生活設(shè)施損壞，嚴(yán)重影響礦區(qū)生態(tài)保護(hù)和資源型城市的可持續(xù)發(fā)展[3-4]。因此，如何平衡資源利用和建筑開(kāi)采保護(hù)之間的矛盾，成了亟需解決的問(wèn)題。

目前，減輕或避免開(kāi)采影響的有效手段是及時(shí)開(kāi)展采前地表沉陷預(yù)計(jì)和評(píng)估建筑物影響工作。曹海崗[5]采用留煤柱限厚開(kāi)采方式對(duì)某變電所下工作面進(jìn)行試采研究，并結(jié)合概率積分法和數(shù)值模擬對(duì)地表變形進(jìn)行預(yù)計(jì)，最終確定了最佳開(kāi)采方案；朱尚軍[6]利用三維激光掃描技術(shù)對(duì)淮南礦區(qū)地表建筑物進(jìn)行了實(shí)時(shí)觀測(cè)，獲取了沉降盆地內(nèi)建筑物的移動(dòng)變形值和損壞等級(jí)規(guī)律；郭文兵等[7]針對(duì)電視信號(hào)鐵塔下安全采煤?jiǎn)栴}，結(jié)合概率積分預(yù)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等手段分析了采煤引起的鐵塔形變特征，并提出了動(dòng)態(tài)調(diào)斜保護(hù)技術(shù)，確保了電視信號(hào)塔的安全運(yùn)行；易四海等[8]基于數(shù)值模擬和連續(xù)損傷演化理論，研究了水平變形、采動(dòng)曲率、傾斜變形對(duì)沉陷區(qū)建筑物的影響；趙宇亮等[9]利用概率積分法預(yù)計(jì)和數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)蘆溝礦某工作面3 種開(kāi)采方案下的民房受損情況進(jìn)行比較，在保證房屋安全的前提下，有效提高了煤炭資源采出率；Falcón 等[10]采用了DHH 程序模擬了西班牙Asturias 礦區(qū)開(kāi)采過(guò)程中的沉陷問(wèn)題，根據(jù)采集的水準(zhǔn)數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算地表移動(dòng)變形值，確定其對(duì)地表建筑物的影響；Lamich 等[11]研究了8 個(gè)教堂由于開(kāi)采沉陷而引起的變形，提出利用水平傾斜度來(lái)確定采礦對(duì)建筑物的影響程度。本文立足峰峰礦區(qū)村莊下壓煤嚴(yán)重、礦井生產(chǎn)接續(xù)緊張的具體實(shí)際，結(jié)合礦區(qū)建筑物下采煤的具體案例，介紹建下壓煤開(kāi)采的思路和方法，闡述對(duì)于開(kāi)采導(dǎo)致地表建構(gòu)筑物損害的鑒定方式，描述了監(jiān)測(cè)新技術(shù)在房屋損害鑒定中的應(yīng)用。

1 村莊下壓煤開(kāi)采方案設(shè)計(jì)

開(kāi)采地下煤炭資源，會(huì)打破原始巖體內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)致覆巖破斷、垮落和移動(dòng)變形，當(dāng)巖體內(nèi)部的移動(dòng)變形傳遞至地表時(shí)，就會(huì)對(duì)地面建筑物造成損害。村莊下壓煤開(kāi)采方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)是：①房屋建筑具有抵抗變形的能力；②常規(guī)情況下，因地下開(kāi)采導(dǎo)致的地表移動(dòng)變形具有規(guī)律性，可通過(guò)一定的方法對(duì)地表變形值進(jìn)行預(yù)計(jì)。因此，通過(guò)預(yù)先設(shè)定地表移動(dòng)變形限值，借助于沉陷預(yù)計(jì)方法，使得開(kāi)采后引起的地表變形預(yù)計(jì)值低于設(shè)計(jì)限值，即可進(jìn)行壓煤開(kāi)采方案的設(shè)計(jì)。

1.1 房屋建筑抗變形能力

（1） 峰峰礦區(qū)村莊概述。

根據(jù)對(duì)峰峰礦區(qū)村莊建筑質(zhì)量調(diào)查的結(jié)果，村莊建筑依據(jù)建造年代不同分為新房、舊房和老房，公路兩側(cè)和村莊外圍多為新房，村莊內(nèi)部老村址范圍內(nèi)老房居多。老舊房屋建筑年代一般早于十九世紀(jì)70 年代，房屋結(jié)構(gòu)以木石為主，房屋質(zhì)量差、抗變形能力弱；新房基本為1990 年以后所建，以磚混結(jié)構(gòu)為主，預(yù)制空心板頂，有少量混澆頂和二層樓房，建筑質(zhì)量好、抗變形能力強(qiáng)。

（2） 抗變形指標(biāo)確定。

國(guó)家安全監(jiān)管總局、國(guó)家煤礦安監(jiān)局、國(guó)家能源局和國(guó)家鐵路局2017 年5 月共同頒布的《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)范》，制定了磚混（石） 結(jié)構(gòu)的建筑物破壞（保護(hù)）等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)?shù)乇硭阶冃蔚扔? mm/m 時(shí)，磚墻上出現(xiàn)寬度小于4 mm 的裂縫，屬于Ⅰ級(jí)破壞，此時(shí)對(duì)受損房屋僅需簡(jiǎn)單維修即可，一般來(lái)說(shuō)，房屋承受壓縮變形的能力比承受拉伸變形的能力強(qiáng)，結(jié)合礦區(qū)以往“三下”開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)，并顧及村莊下采煤的敏感性，確定村莊下壓煤開(kāi)采時(shí)房屋建筑的抗變形指標(biāo)。

1.2 地表變形預(yù)計(jì)方法

（1） 預(yù)計(jì)模型。

概率積分法是目前我國(guó)應(yīng)用最為廣泛、較成熟的預(yù)計(jì)方法之一[12]，大量的工程實(shí)踐表明其適用于峰峰礦區(qū)。該方法在隨機(jī)介質(zhì)理論的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，移動(dòng)的變形預(yù)計(jì)公式見(jiàn)式（1）[13]。

（2） 預(yù)計(jì)參數(shù)。

對(duì)峰峰礦區(qū)各礦井歷年觀測(cè)結(jié)果以及綜合分析，選取初次采動(dòng)時(shí)概率積分法沉陷，預(yù)計(jì)參數(shù)如下：下沉系數(shù)q=0.78，水平移動(dòng)系數(shù)b=0.3，最大下沉角θ=90o-0.4α，主要影響角正切tanβ=2.50，偏移拐點(diǎn)距S=0.1H。

1.3 開(kāi)采方案設(shè)計(jì)

峰峰礦區(qū)在建（構(gòu)） 筑物下采煤中所采取的技術(shù)措施主要為嚴(yán)控開(kāi)采范圍，采用局部條帶開(kāi)采部分煤柱，從而控制地表沉陷。以大淑村礦六采區(qū)A 村莊煤柱的開(kāi)采為例進(jìn)行方案設(shè)計(jì)說(shuō)明。矩形區(qū)域?yàn)樵O(shè)計(jì)開(kāi)采工作面（平均開(kāi)采厚度5.0 m），采用1.2 節(jié)選用的預(yù)計(jì)模型和參數(shù)對(duì)擬開(kāi)采工作面實(shí)施開(kāi)采后的地表變形情況進(jìn)行預(yù)計(jì)計(jì)算，得到地表變形等值線。其中，下沉等值線如圖1（a） 中曲線所示（因篇幅限制未列出傾斜及水平變形等值線），A 村莊范圍內(nèi)最大地表變形的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

圖1 工作面開(kāi)采設(shè)計(jì)方案Fig.1 Design scheme of face mining

表1 A 村莊范圍內(nèi)最大地表變形的統(tǒng)計(jì)情況Table 1 Statistics of the maximum surface deformation within A village

基于變形預(yù)計(jì)等值線，根據(jù)1.1 節(jié)中確定的建筑物抗變形指標(biāo)，劃定A 村莊在地下煤炭資源采出后房屋建筑損害分布情況，如圖1（b） 所示。

2 開(kāi)采后房屋損害鑒定

進(jìn)行村莊保護(hù)煤柱內(nèi)工作面開(kāi)采，會(huì)對(duì)房屋建筑造成一定程度的損害，為使受損村民及時(shí)獲得合理補(bǔ)償，需要科學(xué)合理地界定采動(dòng)影響程度和民房破壞等級(jí)。峰峰礦區(qū)委托有資質(zhì)的單位，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查對(duì)房屋建筑的損害情況，進(jìn)行采動(dòng)損害技術(shù)的鑒定工作。

（1） 對(duì)村民房屋按戶進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘察測(cè)量，繪制各戶自然間分布位置，并測(cè)量面積。

（2） 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查房屋損壞程度，包含建造時(shí)間、房屋結(jié)構(gòu)、損壞情況的具體描述等方面，典型位置和裂縫拍照留存。

（3） 按《規(guī)范》 要求，基于各戶的損害描述，進(jìn)行各自然間損害等級(jí)劃分。

圖2為峰峰礦區(qū)對(duì)某村莊進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查后，確定的房屋建筑損害統(tǒng)計(jì)情況。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查劃定的某村房屋建筑損害情況分布圖Fig.2 The distribution map of building damage in a village delineated by field investigation

實(shí)踐證明，基于采前沉陷預(yù)計(jì)的房屋損害統(tǒng)計(jì)情況與現(xiàn)場(chǎng)采動(dòng)后現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的房屋損害情況具有一致性。進(jìn)一步證明峰峰礦區(qū)通過(guò)沉陷預(yù)計(jì)進(jìn)行開(kāi)采方案設(shè)計(jì)和建（構(gòu)） 筑物采動(dòng)影響評(píng)估的合理性，可為其他礦區(qū)建下采煤提供借鑒。

3 監(jiān)測(cè)新技術(shù)在房屋損害鑒定中的應(yīng)用

3.1 監(jiān)測(cè)新技術(shù)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查受損建筑物墻體的裂縫情況，評(píng)定煤礦開(kāi)采引起地表建筑物的損壞等級(jí)是目前開(kāi)展開(kāi)采損害技術(shù)鑒定的主要方式。但這類方法需要對(duì)建筑物進(jìn)行全覆蓋的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，實(shí)施難度大，且不易劃定采動(dòng)影響邊界。

隨著測(cè)繪科技的不斷進(jìn)步，特別是具有高頻率、全天候、面狀監(jiān)測(cè)特點(diǎn)InSAR 技術(shù)的迅猛發(fā)展，使其在房屋損害技術(shù)鑒定工作中逐漸得到應(yīng)用。其主要應(yīng)用點(diǎn)體現(xiàn)在以下3 個(gè)方面。

（1） 損害原因調(diào)查。對(duì)于未進(jìn)入村莊保護(hù)煤柱內(nèi)開(kāi)采，但地表建筑物卻出現(xiàn)異常損害的情況，可利用InSAR 技術(shù)借助于歷史影像“回溯”地表變形的演變特征，分析損害原因。

（2） 影響邊界劃定。InSAR 技術(shù)具有毫米級(jí)地表形變監(jiān)測(cè)能力，基于地表形變的解譯結(jié)果，借助于GIS 的空間分析功能，可準(zhǔn)確提取10 mm 沉降等值線，進(jìn)而劃定采動(dòng)邊界。

（3） 影響程度確定。隨著InSAR 提取地表三維形變方法的不斷研究?jī)?yōu)化，可一定程度上實(shí)現(xiàn)對(duì)地表傾斜及水平變形的提取，初步確定房屋建筑的采動(dòng)影響程度。

3.2 InSAR 損害鑒定應(yīng)用實(shí)例

以峰峰礦區(qū)工作面開(kāi)采對(duì)村莊的損害程度進(jìn)行分析，開(kāi)采工作面與村莊的空間位置及地表情況如圖3 所示。工作面平均采深為728 m，煤層厚度1.5 m。

圖3 開(kāi)采工作面與村莊井上下對(duì)照位置關(guān)系Fig.3 The relationship between the mining face and the village

InSAR 監(jiān)測(cè)采用多視精細(xì)寬模式的SLC 數(shù)據(jù)（C 波段RadarSat-2），影像分辨率4.6 m×3.1 m（方位向×距離向）；總共6 景影像，時(shí)間跨度為2021 年9 月至2022 年4 月。InSAR 解譯方法采用SBAS-InSAR 技術(shù)，圖4 為地表形變解譯結(jié)果及劃定的采動(dòng)影響邊界。

圖4 研究區(qū)域內(nèi)地表垂直形變及變形等值線Fig.4 The vertical deformation and deformation contour of the surface in the study area

4 結(jié) 論

（1） 村莊下壓煤開(kāi)采方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)是房屋建筑具有一定的抵抗變形的能力，常規(guī)情況下，開(kāi)采導(dǎo)致的地表移動(dòng)變形具有規(guī)律性，可通過(guò)一定的方法對(duì)地表變形值進(jìn)行預(yù)計(jì)。

（2） 介紹了峰峰礦區(qū)進(jìn)行建下壓煤開(kāi)采的思路和方法。通過(guò)預(yù)先設(shè)定地表移動(dòng)變形限值，借助沉陷預(yù)計(jì)，使得開(kāi)采后引起的地表變形預(yù)計(jì)值低于設(shè)計(jì)限值。

（3） 闡述了峰峰礦區(qū)對(duì)于開(kāi)采導(dǎo)致地面建（構(gòu)） 筑物損害的鑒定方式，并描述了InSAR 技術(shù)在房屋損害鑒定中的3 個(gè)主要應(yīng)用點(diǎn)。本文思路與方法，可為各大礦區(qū)進(jìn)行建筑物下采煤提供借鑒。