抚顺市老虎台煤矿采沉区地表裂缝带危害性调查及防灾对策研究

2013-12-27陈方颖李东春

防灾减灾学报 2013年2期

陈方颖，王超，李东春，李俏

（辽宁省地震局，辽宁沈阳 110034）

0 引言

抚顺市是一座以燃料、动力、原材料工业为主的综合性重工业城市，该市曾因采煤工业著名而有 “煤都”之称。近几年来，尤其是自1998年以来，随着煤矿开采深度的增加，矿震活动频繁，地表裂缝带不断出现，这两种灾害给煤矿生产和人民生命财产安全带来了危害。下面着重讨论老虎台矿区地表裂缝带的分布特征、房屋破坏的原因和防治对策。

1 抚顺煤田和老虎台矿区的地质构造背景

抚顺煤田包括东露天矿、西露天矿、胜利矿、龙凤矿和老虎台矿等5个矿区或井田区，该煤田处在中朝准地台东北部，所属的三级、四级地质构造单元分别称铁岭—靖宇台拱和抚顺凸起，煤田所在地是长期处于上升剥蚀的地区，抚顺煤田实际上处在凸起上的新生代断陷盆地内，该盆地自中生代开始发育，新生代强烈下陷。在盆地内所出露的地层有太古界鞍山群变质岩系、中生代白垩系砂页岩夹火山岩和老第三系煤系。该煤系自下而上可分为古新统老虎台组、始新统栗子沟组和古城子组，总厚度876m，煤系地层均分布在浑河以南。从地质构造上看，抚顺煤田位于东西向延伸的带状向斜内，与向斜构造伴生的是北东东向浑河断裂。该断裂穿切了向斜北翼，由两条近乎平行的断裂组成，北支称F1A，南支称F1。F1A规模较大，倾向北，倾角70～80°，上盘为太古界变质岩系，下盘为白垩系，属冲断裂；F1断裂倾向北，倾角52～68°，上盘为白垩系，下盘为第三系煤系，为逆断裂［1］。

老虎台矿位于抚顺煤田东部，处在西露天矿和龙凤矿之间，北界为F1断裂，东西长约4.8km，南北宽2km，面积9.8km2。矿区中部发育东西向、南缓北陡的不对称向斜，矿区的东、西、北三面分别被不同方向的断裂所围限①抚顺矿业集团有限责任公司，煤炭科学研究总院抚顺分院，虎台煤业分公司冲击地的发生与防治，2002.。据统计，老虎台矿区断裂构造发育，共有14条规模不等的断裂，主要有NE向和NW向两组，大部分是正断层，少部分为逆断裂（图1）。长期开采煤矿一般都会引起地面沉陷，下面所称的采沉区实际包括老虎台矿区和周边的开采影响区。

图1 抚顺煤田老虎台矿地质构造图Fig.1 The geological structural map of Laohutai Coal Mine in Fushun coalfield

2 采沉区及地表裂缝带的分布特征

采煤沉陷区的大小与开采范围和深度有直接关系［2］。老虎台矿的开采沉降边界经过多次变更，后来确定为西自永宁街以东100m，东至市二粮库西侧围墙，北自公园五路、榆林四路，南至东露天矿北帮，形成闭合的环形，面积约11km2。从实际情况来看，沉降区的北界已到浑河南路以南，与原来划定的北界相比，向北移动了近200m。所以，开采影响区的范围要大于老虎台矿区的面积。

在采沉区内存在一些呈线状展布的地表裂缝带，能说明这些裂缝带存在的依据是：

（1）在采沉区内出现地面塌陷坑。2000年1月22日在榆林苗圃附近的青年路出现了阶梯状断陷，到25日以后形成了一个长约60m、宽40m、深15m的大塌坑，其长轴方向近东西，与青年路大体平行，该陷坑的形成与地表裂缝带有关。

（2）短水准形变测量资料证实，在有断裂通过的测线上下沉量特别明显。有关部门在抚顺的西三、永宁、安康、略阳、榆林和水沟等处布设了6条短水准测线，观测结果表明，凡是下沉量较大的地方，一般都是F1A断裂和其它断裂通过的地段（图2）。在榆林测线上F1A附近的沉降量为380mm，平均下沉速率达110mm／a。这种现象说明，采沉区内原有的断裂在局部应力场的作用下，有重新 “复活”的迹象，地表裂缝带可能由非构造的应力场作用沿原有断裂面重新产生。

图2 老虎台矿采沉区短水准测线高差变化曲线Fig.2 Curves of the short leveling measuring line altitude different changes in Caichen area of Laohutai Coal Mine

（3）人工浅层地震的探测结果证明，采沉区内有些断裂已错切了基岩上的第四系覆盖层，地表裂缝带的产生与断裂关系密切［3］。为了解地表裂缝带与原有断裂的关系，专门在公园街、安康街、扶凤街、略阳街和市电子仪器厂等地布设了人工浅层地震测线，在测线上共发现有10多个切入第四系地层内部的断点（图3），说明沿原有断裂面活动的时代较新。将这些断点连结起来共有3条近东西断裂，分别称F1A、FB和FC断裂（图4）。F1A是浑河断裂的组成部分，其它两条断裂与F1A平行，长度均在2km以上，属于F1A的次级断裂。

图3 人工浅层Fs－5测线显示F1A断裂错切了第四系地层Fig.3 The Fs－5 measuring line of artificial shallow shows that the F1Arupture dislocated the quaternary stratum

图4 抚顺老虎台矿地表裂缝带与建筑物破坏点分布图Fig.4 The distribution of the earth surface crack belts and the breakdown points of the buildings in Fushun Laohutai Coal Mine

由于发现断裂的场地处在浑河一级阶地上，第四纪沉积物应属全新世至晚更新世，按断裂活动性分类的定义属 “活动断裂”。不过在沉陷区以外，也布设了人工浅层地震测线，这些地区的F1A断裂均未穿切上覆的第四纪地层，说明断裂在第四纪没有活动。前述复活的断裂仅分布在采沉区以内，而且与地表裂缝带的位置相一致。以上事实说明，地表裂缝带在采沉区内确实存在，其分布受原有断裂控制，分析是由采空区导致的不均匀沉降造成了以断裂为主要滑动面的地表裂缝带。

3 地表裂缝带危害性调查及灾害形成原因分析

3.1 建筑物破坏情况调查

地表裂缝带所造成的危害除了使地面开裂、沉陷外，主要是对建筑物造成了不同程度的破坏，破坏的形式是房屋倾斜、地基下沉和房墙开裂等。据不完全统计，在老虎台矿北缘的榆林地区遭受破坏的房屋有40多幢，均分布在前述的三条断裂上（图4）。下面介绍比较典型的破坏现象。

（1）抚顺矿务局宿舍为7层砖混结构楼房，建于2000年，该楼房处在F1A断裂上。建房不久，在一单元南西纵墙上出现向东倾斜的雁行裂缝，这些裂缝均出现在两窗之间，单条裂缝长1.5m，宽2cm（图5）。

图5 F1A断裂上矿务局宿舍楼房前墙出现雁行裂缝Fig.5 The echelon fissures appeared on the front wall of mineral bureau dormitory building on F1AFault

（3）榆林三街22－7号为石油二厂90年代建的单层厂房，由于受FC裂缝带的影响，厂房后墙出现一条从房顶到地面的垂直裂缝，长3m，宽2～3cm（图7）。该厂房的山墙也严重开裂，以致被废弃。

图7 FC断裂上石油二厂的单层厂房出现垂直向裂缝Fig.7 A vertical crack appeared the bungalow of No.2 petroleum plant on FCFault

采沉区内有破坏的40多栋房屋均分布在“断裂活动”引起的地表破裂带上。这种现象说明，建筑物的破坏与地表裂缝带紧密相关。

3.2 灾害原因分析

分析建筑物的破坏现象可以看出，在空间上遭受破坏的房屋均集中在采沉区北缘，尤其是局限在原有断裂 “复活”后产生的地裂缝带

图6 FB断裂上略阳街5号楼遭受破坏的4个单元已被拆除Fig.6 The four destroyed units of No.5 building on Lueyang Street have been dismantled on FBFault

（2）略阳街5号楼是2000年建的7层楼房，共有4个单元，一层为钢砼框架结构，二至七层为砖混结构，由于该房处在FB裂缝带上，致使靠北的第二单元房墙开裂，基础下沉，无法居住被迫拆除（图6），该楼附近的围墙下沉，使墙体出现了宽达10cm的裂缝。上。由于断裂规模较大，破碎带较宽，使得沿断裂产生的非构造地裂缝规模较大，破坏强烈。从破坏形式看，墙体上多为垂直裂缝和单侧倾斜的雁行裂缝，而与水平力作用下的 “X”型裂缝有明显差别，说明房屋破坏由垂直力作用引起，另外，房屋的破坏过程是渐进式的，破坏作用可持数月甚至1－2年，与地震瞬间作用造成的破坏有明显不同。

分析以上现象可以看出，采沉区内房屋破坏的直接原因是源于地表裂缝带的活动，即裂缝两侧不均匀的沉降。沉降则由采空区导致的非构造性地裂缝在原有断裂面上的重新 “复活”引起。从更深层次的原因看，房屋的破坏则与地下开采煤矿有关。与露天开采相比，地下开采对地面的破坏作用较大，这种破坏力主要来自采深水平以上那部分岩体强大的重力势能，其次来源于与开采区位置有关的周围岩体的弹性势能，当岩体内部开拓出具有一定规模的空间后，重力势能将转化为使岩体变形和破坏的功。断裂的存在使原有岩体的连续性发生破坏，因开采形成的局部应力使岩体相对位移加速，从而产生了地表裂缝。所以，我们可以将采沉区建筑物的破坏过程作如下归纳，即地下开采造成原有岩体失稳，在断裂处岩体变形加速并产生地表裂缝，地表裂缝的位移和沉陷导致上部建筑物破坏。

4 防治灾害对策

采沉区建筑物的破坏经历了一个较为长期的作用过程，相对于许多突发性灾害，这种灾害的防治比较容易，经初步研究，主要的防治对策有以下几个方面：

（1）以采煤工业为主的城市有相当多的建筑物处在采沉区或者采沉影响区，然而真正发生破坏的房屋只是少数，即使在采沉区，大多数建筑还是安全的。出现破坏的建筑毫无例外的地处在地表裂缝带上。所以，只要能准确地勘察到采沉区 “复活”断裂的准确位置，在设计施工时采取避让措施，则完全可以避免建筑物发生破坏，这是比较简便和易行的防治方法。

（2）地形变测量可以确定断裂的准确位置，虽然在抚顺布设了一些测线，但数量和长度远远不够，测量精度也有待提高，加强市区，尤其是沉陷区地形变测量，找出有与地裂缝有关的隐伏断裂，也是一种避免灾害的有效途径。

（3）有些规模较小的裂缝带不一定能准确探测到，为了避免建筑物发生破坏，对拟建的建筑物可以采用预留缝的办法，将长墙变为短墙，将跨度大的建筑变为短的建筑，避开地表裂缝，以避免因墙体或建筑物过长而造成的破坏。

（4）在采沉区搞建设，对新建工程可采取避让措施，但是，对在裂缝带上已建成的房屋，如何采取防治措施则是一个更为现实的问题。减轻或预防这类灾害的工程对策可以考虑以下几个方面：

①采用基础隔震技术，基础隔震技术是比较成熟而且有效的抗震措施。它的基本原理是在结构基础部位加层橡胶支座，这种支座的水平刚度小，允许结构作有限度的运动。支座使垂直刚度加大，可以保证垂直荷载的有效传递。隔震结构体系水平方向自振周期加长以后，可以避开与天然地震或矿震发生共振。因为处在裂缝带上的房屋已经破损或者有可能破损，如果叠加有矿震或者天然地震的影响，后果将十分严重，利用基础隔震技术对防止已有建筑进一步破坏有很大作用①中国地震局工程力学研究所，抚顺市新抚区站前73－1等房屋倾斜，裂缝原因分析与治理方案项目研究报告，2001.。

针对地裂缝带上已破坏的房屋，可采用调高支座结构体系的办法，以加大底梁和承台梁之间的空间，而且在底梁和承台梁之间采用双面配筋，对已经发生倾斜的房屋，可以同时用几个千斤顶同步将房屋扶正，在支座顶面加薄钢板垫，以保证桩基础和承台梁继续传递应力。将房屋扶正后，同时开始加强监测，一旦出现新的倾斜，则及时采取措施予以校正。

②利用抗震加固技术。根据已有的工程经验，有两种方法可用于已破损房屋的加固，即采用基础托换加隔震垫和纤维布加固法，如果近地表裂缝的房屋已发生破坏或者即将破坏，那么就可以将基础托换加隔震垫和纤维布技术单独或结合使用。

③采用修补技术。当已受损房屋的主体结构已得到修复的情况下，对其它受损部位的修复也显得十分重要，采用的方法是利用钢支撑加固法和裂缝修补法，钢支撑加固要根据破损情况采取不同的加固措施，总的原则是，要防止楼板不致脱落，保证住户安全。裂缝修补效果对建筑使用功能有重要影响，以前的裂缝修补主要是采用水泥砂浆填满抹平，由于水泥砂浆有收缩、渐变的特点，简单的填满抹平效果不很显著，现在对裂缝的修补一般都采用膨胀水泥纤维砂浆抹缝，这样可以弥补普通水泥砂浆收缩渐变的缺陷，另一方面，膨胀水泥纤维砂浆可以使填补的裂缝更加密实。