煤矿采空塌陷区的土建结构设计处理措施

马宇晶

(山西省晋神能源有限公司，山西 忻州 036500)



煤矿采空塌陷区的土建结构设计处理措施

马宇晶

(山西省晋神能源有限公司，山西 忻州 036500)

对我国煤矿采空塌陷区的现状进行分析，阐述了治理采空塌陷区的影响因素，提出了相应的治理技术及施工的结构设计措施。

煤矿；采空区；塌陷区；土建结构

引 言

我国煤矿资源丰富，但大多都是地下资源，需要进行地下采集，所以会出现很多的采空区。采空区上方，由于自然力的影响，往往会引发地面出现裂缝，最终导致采空区塌陷，引起非常严重的后果。本文针对煤矿的采空塌陷区提出了土建结构设计的处理措施。

1 煤矿采空塌陷的现状及制约因素

采空塌陷区在我国的分布主要与各地的产煤量有着直接的关系。在过去的五六十年，采煤量最多的省份为山西，其次有河南、河北、山东、黑龙江等地，这些地区大多用的是井弓方式进行开采，所以，采空区在这些省份的分布较为密集。此外，从目前国家对采矿业的政策来看，其治理方式存在或多或少的问题，大多施行“关小上大”的政策，许多中小企业被迫关闭，而大企业却使劲开采，最终形成大量的采空区。对于采空区的治理，由于各种原因没有进行及时处理，导致很快出现坍塌。在我国的一些资源枯竭型城市，其矿区数量多且大多时间较长，采空区的密度大，实施治理的难度大。即使进行了治理，一段时间后还有可能出现塌陷，最终形成塌陷治理的恶性循环，对当地的经济产生了十分不利的影响。采空塌陷的制约因素具体见表1。

表1 治理采空塌陷的制约因素

2 煤矿采空塌陷区的形成与治理

任何地下矿产在开采后都会对周围的土地、岩层等自然环境产生一定的影响。依照采矿的观点，可以对顶板实行主动措施，有计划地逐步使其全部垮落。这样的开采方式，不仅可以降低矿体的损失、节约资费，而且操作简单、技术含量低。但是，采用这种开采方式对矿体上覆岩层的破坏性强，甚至会影响地面，显然不利于地面工程的稳定施工。

煤层被采空后，由于缺少煤层的支撑，原岩的应力状态不得不重新分布，当应力超过岩体强度时，就会导致岩体破碎垮落，严重时会发生崩塌。对于垮落下来的石块，其大小形态各异，逐渐累积成堆，将采煤后形成的空洞逐步充满。但由于石块间存在空隙，导致碎石块的体积发生膨胀。当采空区被垮落物充满后，岩层由于被堆积物的支撑不再发生垮落。垮落带除了支持上部岩层外，其本身也受到上部岩层的挤压，导致垮落物发生压缩现象。由于开采边界受到垮落带的支撑，在上部岩层的重力作用下，逐渐出现裂缝。裂缝出现的范围就是所谓的裂隙带。受到采煤层厚度、地质条件、冒落带高度等多种因素的影响，裂缝向上岩层的高度存在明显的差异，其厚度一般和垮落带的厚度一致，垮落带与裂隙带不存在明确界线，而是交错过渡，只能进行大致的划分。在裂隙带之上的岩层，由于开采煤层引起的应力没有发生明显的变化，所以不会导致破裂，仍然保持原本的固体特征，只是出现了连续性的弯曲变形，因此被称为弯曲变形带[1]。

缓倾斜煤层在砂岩地带开采深度超过140 m，在页岩地带开采深度超过100 m，采空区的裂隙带不会延伸至地表。裂隙带之上存在弯曲变形带，地表会因此出现一个沉降盆地。如果地面上存在建筑物，出现沉降盆地是一种不良现象。但与地面大裂缝、地面陷坑相比，其对建筑物造成的破坏程度明显降低。沉降盆地的沉降量和范围大小的深浅，一般随开采范围、地质条件不同而存在差异。但是，地面沉降差异小时，地面上的建筑物是可以承受的。否则，地面上的建筑物必须采取相应的加固手段。此外，在这种地面上进行工程建设时，必须检测地下开采是否还会导致地面变形，确定地面场地稳定后才可进行工程建设。

煤炭行业为确保地面工程的建设不会遭到地下开采的破坏，一般采用外来材料对采空区进行充填，充填材料主要是起到承托上覆层的作用。充填材料大多以粗砂、砾石类的粒状材料为主。主要的填充方法有：1) 用砂石料充填采空区，即局部充填。2) 用水砂自流对全部采空区进行充填。3) 用压力将水砂对全部采空区进行充填。4) 用砂石料对全部采空区进行充填。采取这些措施，可以减少地面沉降，但作用的程度有所差别。此外，材料充填的密实程度对填充的效果影响深远。

3 煤矿采空塌陷区的结构设计措施

3.1 地质钻探

可以在采空地带进行地质钻探，对钻探结果进行分析，以确定采空地带的地下岩层是否出现断裂带、岩层是否完整、岩层的稳定性是否受到采空的影响。然后，依据建筑结构的特点实行合理可行的措施。

3.2 主建筑结构型式

矿区主要的建筑有主厂房、洗煤车间、烟囱、污水处理车间。对应的结构型式为：1) 主厂房。企业的主厂房结构是由现浇钢筋混凝土制作的土框排架基本结构。其柱距为6 m，长度为48 m；柱底荷载：弯矩M=350 kN·m，剪力Q=98 kN，轴力N=1 350 kN。另外，气机间的排架2层，部分跨度为12 m，是现浇钢筋混凝土构成的基本框架，其框架檐高为17 m，配有1台吊车，吊车载重为16/3.2 t。2) 洗煤车间。洗煤车间是粉尘污染相当严重的一个流程，在实际的建筑设计中应该采取有效的防尘措施，首先应该对生产工艺及污染源进行明确，除尘系统则使用局部通风除尘、全面通风换气2种技术相互结合的方式。洗煤的除尘系统主要包含对污染源的控制、管道输送、水循环、粉尘吸捕、水膜除尘、排气、风机等。3) 烟囱。烟囱是由钢筋混凝土浇灌的筒状结构，高度大约为80 m，其基础架构是由钢筋混凝土浇筑的筏板基础。4) 污水处理车间。通常情况下，煤矿污水处理车间对于污水的处理都是采用一级反渗透装置，这种装置主要作用就是将水中的有害物质一级阴阳离子进行有效清除。反渗透装置主要包括以下几个部分：除垢剂加药装置、反渗透组件、高压泵、中间水箱、RO清洗装置、保安过滤器。在实际的污水处理中，主要是通过透过性膜后将压力变为动力，通过膜分离技术达到反渗透的目的。通过这种方式，能够有效地除去水中的有机物、有机盐以及微生物，从而达到污水处理的目的。图1为煤矿洗煤车间的除尘工艺流程。

图1 煤矿洗煤车间的除尘工艺流程

3.3 结构的处理措施

实际情况中，往往因为场地的限制而导致其主要建筑不能进行位置的调整。为满足地基变形相关要求，只能采取一定的措施，从基础结构设计的方面入手。由于冷却塔大多是由现浇钢筋混凝土构成的筒状结构，其整体的刚度较大，所以可在采空影响线的内部增设一个土地梁，土地梁高1.5 m、宽0.8 m，由钢筋混凝土浇筑构成。增设之后，可以使其抗弯刚度抗住地基的局部变形，减少对冷却塔及整个矿区的影响。此外，还可以对建筑方案进行修改，实现对结构的有效处理，通过修改方案，尽可能避免准备修建的建筑物在稳定场地以及相对稳定场地的跨越。在修建的过程中，应该尽可能地使建筑物的实用性得到保证，严格控制高差。为了保证建筑物的刚度，对建筑物的层数以及高度也应严格要求，保证建筑物竖向以及平面的规则布置，避免建筑物中楼板出现不连续的现象。否则，有可能导致楼层承载力出现变化。如果建筑物需要跨越稳定场地以及相对稳定的场地，为了减小低级的不均匀沉降，则需要进行沉降缝的设计，降低因地基的不均匀沉降而导致的对建筑物的损害。

4 结束语

为避免出现事故，在对采空塌陷区进行土建工程时应当首先做好研究工作，找出相应的处理措施，逐步改善处理煤矿采空塌陷区的方式，在原有措施的基础上引入新的解决方案。

[1] 邹友峰，柴华彬.建筑荷载作用下采空区顶板岩梁稳定性分析[J].煤炭学报,2014,39(8):1473-1477.

Civil structure design and treatment measures of coal mining subsidence area

MA Yujing

(Shanxi Jinshen Energy Co., Ltd., Xinzhou Shanxi 036500, China)

This paper firstly analyzes current situation of mined-out collapse area of coal mine in China, and elaborates the influence factors of the mined-out area of governance, and puts forward the corresponding treatment technology and construction measures of structural design.

coal mine; mined-out area; subsidence area; civil structure

2016-08-26

马宇晶，男，1984年出生，土建助理工程师。研究方向：煤矿开采与土建施工的协同性。

煤矿工程

10.16525/j.cnki.cn14-1109/tq.2016.05.30

TD35

A

1004-7050(2016)05-0098-02