开采影响下侯村建筑物异常损坏原因分析

2015-08-31陶海亮李雪强

采矿与岩层控制工程学报 2015年4期

陶海亮，李雪强

(天安煤业股份有限公司，河南平顶山467000)

当井下开采达到一定范围之后，开采空间将传递到地面，使之产生沉陷和变形。在地面沉陷和变形的影响下，地表建筑物会产生不同程度地破坏。开采引起的地面建筑物损坏情况早就引起了广大专家学者的注意，也开展了许多建筑物开采损害方面的研究工作［1－2］。目前，采用移动角和边界角评价开采影响范围的方法已写入《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中［3］，另外，数值模拟法、理论分析法等也被应用于建筑物开采损害评价中［4］。但是，在应用这些方法评价平顶山矿区襄城县十里铺乡侯村开采影响损坏情况时，出现了较大偏差，给工农关系处理带来了较大的不便。本文主要针对侯村区域建筑物开采损坏的特殊原因进行分析。

1 研究区域基本情况

1.1 村庄概况

侯村位于河南省许昌市襄城县西北8.5km处，十里铺乡西南方向。全村分为侯东村和侯西村2个行政村委会，东西长1km多，面积约0.5km2，耕地240hm2。人口近7000人，约1500户。区域建筑物多样，村庄内部多为砖混结构及土坯结构老房，村庄外围区域多为砖混结构平房和二层楼房。

1.2 工作面开采情况

平煤集团十三矿己一采区和己二采区位于矿井东翼第一水平侯村区域，主采二迭系山西组己煤组二1(己15－17)煤层，煤层采厚5.8m左右，采用双翼后退式仰斜长壁综放一次采全高和分层开采2种方法，其中己一采区在侯村周边区域有11020，11022等工作面，己二采区在侯村周边有12010，12011，12012，12031和12032等工作面，工作面开采深度从北向南逐渐由220m过渡到350m，各工作面与村庄对应关系如图1所示。

图1 村庄与工作面位置关系

2 基于传统理论的开采影响范围划分

2.1 开采影响范围的计算和划定

根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中的规定，该区域在划定开采对村庄影响范围时采用移动角进行圈定。在划定的开采影响范围内的建筑物会产生Ⅱ级及Ⅱ级以上的破坏。在边界角与移动角之间的建筑物可能会产生Ⅰ级破坏，建筑物会出现不超过4mm宽的裂缝，不影响建筑物的正常使用。现场在处理工农关系时，为照顾村民利益，避免产生纠纷，通常采用边界角来划定开采影响范围。

平顶山矿区从上世纪50年代起就建立了地表岩移观测站，陆续建立20多个观测站，有50条观测线，其中走向21条，倾向29条，观测资料比较丰富。根据观测资料，结合平顶山矿区地质采矿条件，建立了适用于平顶山矿区的开采影响移动角和边界角计算公式:

走向边界角:

上山方向边界角:

下山方向边界角:

走向移动角:

上山方向移动角:

下山方向移动角:

上述各式中，h为冲积层厚度;α为煤层倾角;m为开采厚度;H0为平均采深;H1为下山方向采深，H2为上山方向采深。

结合平煤集团十三矿己一和己二采区各工作面采深及冲积层情况，按照上述公式可得到本研究区域煤层开采引起的地表移动角及边界角，详见表1。

表1 平煤集团十三矿己一采区边界角及移动角(一般规律)

根据表1中的数据对开采影响的范围进行了计算，得到的计算结果如图2所示。

图2 基于一般规律的开采影响范围计算

2.2 开采影响范围外建筑物破坏情况

依据划定的开采影响范围，平煤集团对受开采影响的建筑物进行了补偿处理，但在开采影响范围外的区域 (图2中区域A)的建筑物出现了明显的破坏。对该区域建筑物进行抽样调查，调查得到的建筑物破坏情况描述如表2所示。

从表2和现场调查建筑物破坏情况中可以看出，调查区域民房破坏程度均较小，仅一处建筑物达到了Ⅱ级破坏，其余建筑物破坏程度均不超过Ⅰ级。建筑物裂缝分布基本处于门上窗下等结构薄弱部分，裂缝形态与开采影响裂缝保持较好的相符性［5］。

表2 侯村民房损坏情况现场调查

现场调查表明，区域不存在不良地基条件，也不存在大面积抽排水等因素的影响，初步认定区域建筑物破坏与井下开采活动相关。

3 引起村庄异常破坏的原因分析

3.1 煤层露头对开采影响范围的影响

研究区域位于煤层露头区，开采对煤层露头影响分析如图3所示。

图3 开采对煤层露头影响

从图3中可以看出，采空区上方岩层在向采空区垮落和弯曲的过程中，位于煤层露头一侧的岩层由于缺少周边岩层的约束，除垮落和弯曲之外，还会向采空区一侧产生滑移，导致在煤层露头区域产生附加空洞区域，这部分附加空洞区域通过冲积层向地表传递时，对地表的影响范围要显著大于不受煤层露头影响的区域［6］。

针对侯村区域，煤层露头的影响主要体现在开采在上山方向，即村庄的北部区域的影响范围有所扩大，上山方向移动角和边界角有所减小。

3.2 断层对开采影响范围的影响

当研究区域存在断层，且开采活动扰动到断层时，断层的存在会显著地改变开采移动变形在岩层中的传递［7］，导致地表出现异常破坏情况。开采影响下断层活化和滑移引起的地表损坏情况在全国各地屡有发现［8］。受断层影响，开采影响区地面建筑物可能产生剧烈破坏，路面出现台阶状破坏，破坏呈条带状分布等特点［9］。但是，平煤集团十三矿侯村区域由于基岩较薄，冲积层较厚，开采引起断层活化导致的地面破坏并未呈现出条带分布的台阶状破坏，反而表现在开采影响范围扩大，但破坏程度并未剧烈增加。以F6断层为例，进行开采扰动下断层活化对地表的影响分析。

F6断层倾角77°，落差52m，11022工作面开采会扰动到该断层。11022工作面开采扰动F6断层示意如图4所示。

图4 开采对F6断层影响

从图4中可以看出，11022工作面开采后，按照移动角划定开采影响边界，该影响边界会扰动到F6断层，引起F6断层产生活化和滑移，从而在断层露头处，即断层与基岩面交界处出现台阶状空洞。但是，由于此区域冲积层较厚，该台阶状空洞区域并不会直接传递到地表，在地表形成塌陷坑。该空洞区域在向地表传递时，以一种类似煤矿开采采空区的形式向地表传递，最终形成一个影响范围远大于没有断层存在状态下的沉陷盆地。在侯村区域，即表现在开采在侯西村西北部的影响范围要远大于不存在断层时的影响范围。

3.3 厚冲积层对开采影响范围的影响

由于侯村周边工作面均接近煤层露头区，区域基岩较薄，第四系冲积层较厚，基岩厚度约70m，冲积层厚度约180m。区域地质采矿条件具有典型的薄基岩厚冲积层特点。

淮南矿区和开滦矿区实测资料表明，在薄基岩厚冲积层矿区，地表移动观测站经常无法测到边界点，房屋受采动影响范围大于《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中实测边界角影响范围，采用传统边界角无法准确确定开采影响范围。

研究表明，在松散层厚度远大于基岩厚度的开采条件下，综合移动角和边界角会明显小于《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》规定的角值。同时，地表水平移动范围要远大于地表下沉范围，因此在薄基岩厚冲积层区域确定开采影响边界角和移动角时，应在矿区非厚冲积层区域实测资料或在《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》规定的最小边界角和移动角的基础上减小5～10°［10］。

3.4 开采影响村庄范围确定

综合考虑断层、冲积层及煤层露头的影响，可得到平煤集团十三矿己一和己二采区在侯村区域的移动角和边界角，如表3所示。其中，根据断层的落差、倾向和倾角等因素，F6断层以西部分考虑断层滑移的影响，F6断层以东部分不考虑断层的影响。

表3 侯村区域开采影响边界角及移动角

采用上述确定的边界角数据对2个采区工作面开采影响范围进行计算，计算及划分结果见图5。

图5 侯村区域工作面开采真实影响范围

从图5可看出，村庄西北区域建筑物位于己一和己二采区的共同影响范围之内，根据开采变形特点，在2个采区工作面双向拉伸变形影响下，村庄西部建筑物可能产生较为明显地破坏。其中，在2个采区共同影响下，移动角影响范围内的建筑物可能产生超过Ⅱ级变形的破坏。边界角影响范围内的建筑物可能产生Ⅰ级变形的破坏，村庄西北部2个采区多次影响的个别建筑物可能产生Ⅱ级破坏。