浅谈煤矿开采塌陷区地表与建筑物的变形分析

■刘红叶 ■江苏省第一工业设计院有限责任公司，江苏 徐州 221006

引 言

在市场经济不断发展过程中，煤矿行业作为我国重要能源之一，也得到了长足性发展.而在经济不断发展中，城市化建设范围越来越大，导致土地资源紧迫，为使其得到有效利用，我国筹建在矿藏采空区内建设各种建筑物。而这些地区由于煤矿开采，导致内部岩体被活化，稳定应力平衡性较弱，其周围岩体出现移动、变形情况;也导致其岩体上层地表发生同样变化;这种变化使地面建筑物受到影响，久而久之使建筑物损坏，威胁人们生命安全。有关研究提出;通过对建筑物重量的影响深度和煤矿采空区中冒落带具体发育高度研究分析，来决定采空区总体稳定性及建筑物安全性。如果想在煤矿开采塌陷区地表上建设物体，必须坚持科学的方法工艺，加强结构的设计，同时，加强建筑物对开采塌陷区地表移动的抵抗能力。

1 煤矿开采塌陷区内部岩体的破坏

在进行采矿工作时，不仅会地其内部的岩体造成破坏，还会造成外部的地表发生变形。因地面岩体的移动引起地表的移动，从而导致了地面的塌陷。在实际的工程中，由于工程进度的不断深入，使被地面覆盖的岩体遭到不断的破坏;首先是岩体的顶部漏露出，使其在地心引力和地面负荷重力的双重作用下，与地面层分离现象，导致其横面出现弯曲现象。对于地面覆盖岩体的总体破坏断裂趋势为自下而上。

图1 覆岩内部三个不同带层结构

在岩层的开采过程中，首先会在其上覆岩层出现弯曲带，冒落带，及裂隙带;对于这三个岩层地质带，从理论上来说;裂隙带和冒落带的破坏比较严重，离层和裂隙程度较深，对煤矿开采过程中的拉，压，及剪的抵抗力度没有原始岩体强度强。若将地表建筑物的重量附加于其上，会导致沉降、塌陷现象发生。相比之下，弯曲带的整体岩层保护较好，受力架构性完整，将其作为基础的持力层是很好的选择。对于煤矿采空区域的整体结构是层状的岩体结构，其主要特点为;在弹塑性地基上用煤柱支撑，且上部完整性较好。在此之中如果煤柱和煤层结构的设计上出现不和谐现象，就会导致岩体失稳，覆岩遭到破坏，从而引起地表塌陷。所以，加强煤柱和煤层的研究设计，对其稳定性进行有效的估算，可相应的防止地面塌陷情况出现。

2 煤矿开采塌陷区地表移动变形原因

2．1 煤矿开采塌陷区的下沉变形

开采塌陷区地表塌陷形式又主要分为坑和盆两种。其下沉的过程有三个阶段:第一个阶段就是开始阶段，此阶段为下沉的起步阶段，速度较慢;第二个阶段为活跃阶段，此阶段为下沉的成熟阶段，速度较快;第三个阶段为衰退阶段，此阶段为地面的沉降已经进入后期，基本的下沉运动都已消失，地层内部和外部的结构也都已趋于稳定。这三个阶段中的下沉都不没有教好的稳定性，变化因素较多。对其下沉的速度是不断增加的，到达顶峰后，在逐渐的减小直到消失。在采矿工作的不断开展中，促使覆岩出现了垮落带，导水断裂带，及下沉带。对于覆岩中的采空冒落带，其在受到覆岩自身重量因素的影响下会变得愈加稳固。但是这种稳定性是需要时间的。而对于采空冒落带而言;其能够导致地表出现残余的变形现象。针对沉降区域内部的残余变形情况主要分为两种;第一是在沉降地表的开采中，其地表移动到衰退期之后的总体变形情况。第二是地基土受到影响后的自身变形情况。

2．2 水文地质构造的影响

对采矿区域内的水文地质情况，对其地表的沉降影响仅次于覆岩的移动作用。当采矿地域中的地下水位下降，会导致地表下沉值和面积不断增加。从矿区水文地质的参数变化和广阔的矿区水文特点角度来讲;地下水位的调整可能会包含溶水岩层，对其释水量不能准确的预计。在煤层开采过程中，容易出行离层现象，在采矿移动的断层中，导致地表出现与地下水走向相同的台阶，有些还会导致拉伸变形问题，出现槽型的沟壑。煤矿开采工作完成后，由于地下水及回采等因素的影响，引起内部的岩体断层发生活化，影响采煤稳定区的地表移动。

3 煤矿开采塌陷区地表及建筑物的变形防治措施

3．1 加强建(构)筑物的基础和上部结构的抗变形

一方面，地基变形是造成建筑物裂缝损坏、倾斜和事故的重要原因，由于增加了上部荷载，地基承载力和可能产生的沉降变形值是关键问题。地基变形特征有沉降量、沉降差、倾斜和局部倾斜。要改良软弱地基土的工程特性，一般的常用处理方法较多，大体可分三类:(1)采用挖除软弱地基，如置换法。(2)人工增大土的密度如强夯法、碾压、振动法等。(3)减少孔隙水压力加速固结如排水法、挤密法等。另一方面，采用合适的结构形式。当上部结构和基础的整体刚度及强度不能适应地基变形时，上部结构就遭致裂损。在其他条件相同的情况下，上部结构连同基础的整体刚度愈大，建筑物的差异沉降就愈小，但在上部结构和基础中产生的附加弯矩就愈大，所以当上部结构柔性大时，基础不宜有相当大的刚度。水池、油罐常采用柔性底板，目的就是使之能适应大量的不均匀沉降。选择结构形式时，对于由地基变形引起的结构物的整体或局部稳定问题必须引起重视。

3．2 场区内的建构筑物按规范中建筑的抗震不利地段设计

首先，考虑结构体系对于地震作用力的抵制效果，并且还要重视对不同的结构体系所采取的抗震措施，不同体系对经济和安全带来的影响。要结合工程的实际情况，做好整个结构体系的优化工作。其次，保留一定的余度，以此来保证某部分结构在遭到破坏之后，其余的架构可以对作用力进行均衡，这样就可以保证部分构件的破坏不会影响到整体的抗震性能。最后，需要把震害的传递路径清晰的标注于结构图当中，以此来保证他们在设计的过程中能够全面的顾及抗震设计的要求，使各个部件都能保证应力传递过程的连续性。

3．3 对场地内的建筑物自建设施工开始至运营期间，应按规范规定进行变形监测

煤矿场地内的建筑物自施工及使用过程中，应做好相应的变形监测工作。而变形监测中最为常用的就是GPS和全站仪，作为最为先进的测量设备，具有设站灵活、速度快及精度高的特点，并可提供三维位置信息，可满足建筑物对形变监测的要求。同时还应按照相关规范来进行变形监测，并根据文件中的规范来操作。

3．4 治理煤矿塌陷

运用土地复垦技术和建筑物抗采动变形技术，对开采沉陷破坏的土地进行整治和利用。主要方法有煤矸石粉煤灰充填法、取土复垦、剥离复垦、综合利用塌陷地、生态养殖型治理塌陷地等。对于煤矿开采塌陷区地表与建筑物的变形最为主要的是防治煤矿开采的塌陷，而对于地面塌陷的治理方法因塌陷区所处地区的地势地貌、水文气象、塌陷对土地的破坏程度不同其复垦治理方法有所不同。对于山地和丘陵地带，只要将局部的塌陷漏斗或塌陷坑、裂缝进行充填并加以平整，即可恢复原来的地形地貌。对于平原地区，若潜水位较低，地区降雨较少，塌陷区不会常年积水，复垦时只需回填和铺垫表土，即可进行种植或作它用。若潜水位较高，或降雨较多，塌陷区会常年积水，复垦时需排除积水，或整治水面及周围环境，用于养殖及游览。塌陷治理不仅要寻求最佳的投资收益比，还要达到治理后矿区生态系统的整体性和协调性。因此，应根据经济合理的原则和自然条件以及土地破坏状态，合理规划，将塌陷治理纳入企业生产建设规划，因地制宜，综合治理。

4 结束语

煤矿开采塌陷区的内在或外在变化，对其上的建筑物影响是多方面的。由于煤矿的开采，导致建筑物地下的岩体中的覆岩层遭到破坏，导致其地表容易发生沉降变形移动。对此问题我们进行了具体的分析，研究加强建筑物的设计方案，使其建筑物、建筑物基础、及地基三者相互配合，达到协调统一的目的，以此来加强建筑物的整体应力作用，从而提升建筑物的整体方采动能力。加强建筑物的整体稳定性，降低其受力变形发生毁坏。

［1］孙建.倾斜煤层底板破坏特征及突水机理研究［D］.北京:中国矿业大学(北京)，2011，15-20.

［2］孟祥瑞，徐铖辉，高召宁.等.采场底板应力分布及破坏机理［J］.煤炭学报，2010，35(11)1188.