浅谈地下采煤对地表建筑物的影响

2010-08-15高文坚

山西建筑 2010年7期

高文坚

我国煤炭资源丰富，目前煤炭工业是我国不可或缺的支柱产业。伴随着地下采煤，诱发大量的采空塌陷和地面裂缝，对矿区内耕地、水环境、交通设施和地面建(构)筑物造成破坏。目前我国因地下采煤引起的地表沉陷已达200 km2/年，造成巨大的经济损失和人员伤亡。在制定煤炭工业可持续发展战略时，一个需要研究的重要课题是资源开发与地面保护的关系问题。必须重视和做好煤炭工业建筑的现代化工作，推动煤炭工业的进一步发展。本文就地下采煤对地表建筑物破坏及解决途径提出了一些见解。

1 采区地表沉陷机理

煤矿采空塌陷与煤层厚度、倾角、采深、采厚、上覆岩层性质及开采方式等有密切关系[1]。开采煤炭资源的同时，在地下形成了开挖空间，破坏了原有岩体的应力平衡状态，引起从开挖地层开始自下而上的覆岩内部依次发生冒落、断裂、裂隙、弯曲等岩层移动过程。地下开采引起的上覆岩层移动和破坏改变了上覆岩土层的工程地质性质，形成了采空区破损岩体地基工程地质条件。当其内部拉应力超过岩层的抗拉强度极限时，直接顶首先断裂、破坏，并冒落下来。而老顶岩层则以某种梁弯曲的形式沿层理面法线方向移动、弯曲，进而产生裂隙、离层。随着工作面的向前推进，受采动影响的岩层范围不断扩大。当开采范围足够大时，岩层移动发展到地表，在地表形成一个下沉盆地，这就是地表沉陷。

2 地面沉陷对地表建(构)筑物的影响

地下采煤对地表的影响主要有垂直方向的移动和变形(下沉、倾斜、曲率)与水平方向的移动和变形(水平移动、拉伸和压缩)等。不同性质的地表移动和变形，对建筑物与构筑物的影响也不相同。

2.1 开采引起地表变形对建筑物的影响

由于地下开采引起的地表变形一般分为地表下沉、地面水平变形、地表倾斜等。一般来说，当建筑物所处位置出现均匀下沉时，对建筑物本身不会产生破坏，因为建筑物和构筑物中不会产生附加应力，但是主要管路的坡度会发生变化，四周的防水坡也可能造成损坏。特别是由于地表下沉使潜水位相对上升，造成建筑物长期积水或过度潮湿时，就会影响建筑的强度，以致影响建筑物的使用。地表倾斜后，建筑物随之歪斜，重心偏移，影响其稳定性，而且承重结构内部将产生附加应力，基础的承压也会发生变化。地表水平变形对建筑物的影响较大。一般建筑物抵抗拉伸变形的能力小，在较小的拉伸变形作用下，建筑物的薄弱部位(如门窗附近)就会出现裂缝，建筑物抗压强度较抗拉强度大，地表压缩变形较小时，建筑物不出现破坏现象。

2.2 建筑物自身的抗变形能力

建筑物一般能够承受一定程度的地表变形而不发生明显损坏。建筑物所能允许的地表变形值，称建筑物临界变形值。通常以地表变形值大小来判断建筑物可能破坏的程度，地表的水平变形到建筑物的底面和侧面，使建筑物受到附加的拉伸和压缩应力。由于建筑物的破坏程度还与其结构类型，建筑质量，建筑物的长、宽、高、使用时间等因素有关，尤其与建筑物长度关系较大，所以有人主张将建筑物所占长度内的地表变形总量作为衡量其破坏程度的指标。

断层对地表移动与变形产生影响的原因在于断层带处岩层的力学强度大大低于周围岩层的力学强度。由于应力的集中作用，故使该处成为岩层变形集中的有利位置;地下煤层开采后，在上覆岩层发生移动与变形的同时，岩层还沿着断层面发生滑动，于是在断层基岩露头处的地表就出现台阶状的破坏。这是地面建筑在选址和施工过程中应该高度重视的问题。

3 解决方法及成效

地下开采引起岩层与地表移动，在其影响范围内建筑物会受到损害或破坏。为充分采出煤炭资源又维持建筑物的安全使用，必须研究建筑物下允许开采的条件和采煤方法。通过地面建筑物加固、建抗变形建筑物、井下采用条带开采、协调开采、离层注浆减沉、合理布置工作面等措施和方法，解决建筑物下采煤问题。这决定于:开采引起的地表变形值;建筑物允许的地表变形值;建筑物加固防护措施和井下开采措施的技术可能性以及经济合理性;地表积水的排泄条件等[2]。

一方面，当深厚比大到一定数值后，地表变形最大值可能小于地面建筑物的允许变形值，此时深厚比称安全开采系数[3]。地表变形要严格控制在安全开采系数内。峰峰矿务局辛寺庄村下采煤，共采煤两层，上层采用多工作面联合开采，下层采用不规则条带开采，地面建筑物未采取任何加固措施，两层煤采后，地面房屋保持完好，成功地完成了峰峰袁洼村的抗变形结构设计;兖州吴官庄村下采煤，采用双对拉450 m长工作面同时推进，使建筑物处于移动盆地平底，只受均匀下沉和动态变形的影响;枣庄矿务局井亭煤矿，采用协调开采、合理布置工作面等措施安全采出了官路口村、杨庄、前黄庄村下压煤;采用条带方法开采了沛县城下压煤;淮北沈庄矿采用全采和条带开采相结合的方法开采工广煤柱获得成功，采出率达到73%。

另一方面，在开采过程中，应安排开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开采边界，以免使建筑物处地表出现较大的永久性变形，如邢台矿建筑物下综合机械化充填采煤技术通过中国煤炭工业协会组织的专家组鉴定，冀中能源集团，在下属35对生产矿井全面推广建筑物下固体充填采煤技术。常用以下措施:充填开采;水砂充填;全柱开采;同时等厚开采;协调开采;条带开采等。