煤炭开采沉陷区房屋裂缝特征与成因分析

侯建斌

(山西冶金岩土工程勘察有限公司,太原 030002)

山西是煤炭资源大省,煤炭资源开采为国家经济社会的发展做出了巨大贡献,但同时,大量开采煤炭所形成的开采沉陷区也对当地的生态、农业以及经济建设等方面造成了一定的危害[1]。地表建筑物开裂是开采沉陷区造成的重要危害之一。本文以晋南某开采沉陷区房屋裂缝为例,对其房屋裂缝的特征及成因进行分析。

1 地质条件背景

1)地形地貌。房屋建设用地为黄土丘陵沟壑区“高挖低填”整平后的场地。原地貌类型包括黄土梁、峁及沟谷,建设用地所在黄土梁呈北西-南东向展布的长条形黄土峁梁,较平缓,沟谷发育,地表切割剧烈,地形较为破碎。但由于建设用地区域位于沟谷上游近分水岭处,沟谷切割深度较小,崩塌、滑坡不发育。图1为调查区地形地貌变迁影像。

图1 调查区地形地貌变迁Fig.1 Topographical changes in the surveyed area

2)地层岩性。研究区位于河东煤田的南部边缘,区内发育有第四系全新统(Q4)、中上更新统(Q2、Q3)、二叠系上统上石盒子组(P2s)、下统下石盒子组(P1x)、下统山西组(P1s)、石炭系上统太原组(C3t)、中统本溪组(C2b)、奥陶系中统峰峰组(O2f),含煤地层为石炭系上统太原组和二叠系下统山西组,主要可采煤层为山西组下部2号煤层与太原组下部10号煤层。

3)地质构造。研究区位于河东煤田的南缘,区域构造线总体方向为北北东,地层总体走向为北北东,倾向为北西向,倾角平缓(2°～8°)。区域内较大的褶曲和断裂构造主要有西坡背斜,丁家湾背斜和枣树院正断层、干泥坪逆断层等。

2 房屋结构特征

房屋为砖混结构楼房,楼板为现浇混凝土楼板。房屋地基持力层为第四系上更新统Q3黄土,基础为台阶状条形基础,底下有600 mm厚三七灰土垫层。房屋体前设有水泥台阶,院地面为现浇混凝土层。房屋的地基和基础结构如图2所示。

图2 地基和基础示意图Fig.2 Illustration of foundations

3 房屋裂缝特征

受损房屋共计64户,房屋墙体裂缝数量统计如表1所示。房屋的裂缝多种多样,方向上有水平的、竖向的和斜向的,形态上主要有正八字形、倒八字形、缓“S”型、“Y”型、反“Y”型,少数为“X”型或半“X”型。各种裂缝长短不一、宽窄不等,窄的细如蛛丝,最宽的约1.5 cm。裂缝多出现在门顶、窗角、门窗间墙,有的出现在房屋顶层墙体和屋面、纵墙或横墙,有的裂缝从墙脚向墙顶呈阶梯延伸。

表1 房屋墙体裂缝数量统计Table 1 Statistics of the numbers of wall cracksof buildings

4 裂缝成因分析

通过地面调查、采空钻探、地球物理以及对房屋裂缝的调查等方式综合分析,结果表明造成该区域房屋产生裂缝的原因有以下几个方面。

4.1 煤矿开采

煤矿开采是导致该区域房屋裂缝的重要原因,具体又可细分为地下采空、地下水位下降、爆破震动这三个主要因素。

1)地下采空。根据房屋所处区域矿井开采资料,该区域煤矿曾采用巷采方式对2号煤层进行了破坏型开采,采出率高,剩余煤墩或煤柱较少,覆岩原始力学平衡遭到破坏,应力场重新分布,岩体产生变形和移动,并形成冒落带、裂隙带及弯曲带即所谓的“三带”。

据区域调查资料所获取的一般规律经验可知,当某采空区或相邻采空区相加之总长度和总宽度均大于或等于煤层平均埋深时,岩层弯曲变形带于地表形成明显的变形区[2-3]。即采空区范围地表产生整体压缩沉降带,于采空区边界地表向采空区之外地表一定范围内(以岩层裂缝角控制)出现地表裂缝带,且裂缝带的走向与采空区长度或宽度的方向一致,裂缝带之外至下沉盆地边缘之间变形强度逐步减弱。

本次调查房屋所在区域处于采空沉陷区裂隙带与下沉盆地边缘之间,其裂缝的分布位置、形态、走向有一定的规律性,符合采空沉陷区裂隙带至下沉盆地边缘之间区域的房屋开裂特征。采空区地表分区及相应位置房屋受损情况如表2所示。

表2 采空区地表分区及相应位置房屋受损情况Table 2 House damage situation in terms of surface partition and corresponding locationsabovegoaf

2)地下水位下降。开采作业中不断抽排地下水,引发区域内地下水位下降,经调查,受损房屋附近的水井有的水位降低,有的已枯竭。一方面,深部岩层中含水层受开采扰动破坏导致岩层之间的水体流失甚至排空,岩层之间的有效应力减小,上部岩体下沉变形,传递到地表后引发地表沉降变形；另一方面,第四系土层地下水位下降，孔隙水压力降低,有效应力增加,颗粒发生位移,孔隙度降低,便产生固结沉降,引发地表变形。建筑区域地下水位在较短时间内不均匀下降,致使基础产生不均匀沉降,继而导致房屋开裂。

3)爆破震动。井下爆破产生的震动波对地表建筑的影响相当于地震的效果。由爆破、振动引起的裂缝一般呈“X”形,还有水平和垂直裂缝。根据有关的国际标准(联邦德国DIN4150标准和瑞士SN640312标准)的频率范围:10 Hz～80 Hz的短期振动作用下,振动对建筑物的影响(使建筑物不致损坏)速度限值为12 mm/s。本次调查通过物探手段检测到振动波参数小于该规范所限定的范围,不会直接导致房屋开裂,但可能导致已开裂房屋的裂缝扩大、受损加重。

4.2 地基不均匀沉降

地基不均匀沉降是房屋开裂的直接原因。造成该区域地基不均匀沉降的因素主要有两方面,采空区地表变形和黄土不均匀沉降。一方面,房屋位于采空沉陷区裂隙带与下沉盆地边缘之间,地表发生不均匀的变形和沉降,其变形量超过了房屋地基允许的变形沉降范围,导致地基不均匀沉降,引发房屋开裂;另一方面,房屋建设用地为黄土丘陵沟壑区“高挖低填”整平后的场地,开挖整平区域黄土的固结历史长、沉降量小,而填方区域因为黄土夯填而成,填土压实度不足产生固结沉降、蠕变等现象。调查中还发现排水渠有漏水现象,漏水位置路面有裂缝及陷坑,流水下渗入黄土地基,黄土遇水湿陷,导致填土区域地基沉降变形量更大,开挖区与填土区之间变形量差值大导致的地基不均匀沉降更为明显。

根据图3和图4的本地累年和累月平均降雨量数据显示,2014年是近年来降雨量较多的一年,2014年7月的持续降雨,由于排水不畅大气降水渗入地基中,8月、9月房屋发生进一步开裂,虽采取了措施,但成效不大。降雨入渗问题一直未解决,至2017年愈加严重,局部地基土有泥化现象,排水渠漏水位置的路面发生裂缝及陷坑。所以大气降水和生活用水不合理排放下渗到湿陷性黄土地基中引发的不均匀沉降是房屋裂缝的诱因之一。

图3 本地2013-2017年累年平均降雨量Fig.3 Average annual precipitation from 2013 to 2017

图4 本地1958-2010年累年月平均降雨量与气温Fig.4 Average monthly precipitation and temperature from 1958 to 2010

4.3 房屋结构

房屋建成后,均会在自重力作用下产生幅度不等的均匀沉降或不均匀沉降。不均匀沉降所产生的内应力大于墙体的抗剪或抗拉力时，建筑物将会产生裂缝、倾斜甚至破坏,而裂缝的密集型、缝宽、出现的部位主要与房屋的结构差异有关。

1)自然间开间和进深宽度的差异性。房屋由于自然间大小差异,开间和进深较大的东间和西客厅的东、西墙及前窗墙(西客厅)所受荷载较大,不均匀沉降下沉时自重力所产生的内应力会增大,出现裂缝的比例会增高。后东间和后西间的开间进深较小,所受荷载则会大大减小,因不均匀沉降所产生内应力变小使墙体出现裂缝的比例会大为下降。

2)门、窗等结构弱面的特殊性。东间前门、窗墙因荷载主要分布于东、西墙而受力变小,出现裂缝的比例明显小于东、西墙。少数院落前窗墙不均匀沉降较大,且窗户、门的设置造成结构弱面导致墙体抗剪能力下降,故亦会于窗框角和窗框下部出现裂缝。西客厅前窗墙与东、西墙均为主要承重墙,因抗剪能力大幅下降,会于窗框角、窗框下部产生裂缝,且裂缝比例远高于东间前窗墙。后西间后窗墙同样因后窗的设置而使得其抗剪力大幅下降,窗框角及窗框下部出现裂缝。

3)各块后墙倒八字裂缝的规律性。据本次调查,各块均由4个院落组合而成,其后墙为统一砌筑,具有相对独立性,因其两侧地基压实度欠佳,下沉量大于中部,均于东部西斜裂,于西部东斜裂,中部裂缝则明显减少且以垂直型为主,整体呈现倒八字型。

5 结束语

通对晋南某煤炭开采沉陷区内房屋裂缝特征和成因进行调查分析,其结果表明,地下煤炭开采所造成的地表沉陷,直接或间接地导致了该区域房屋开裂,同时也揭露了黄土丘陵沟壑区通过“高挖低填”造地进行房屋建设的一些质量问题。针对上述情况提出几点建议:

1)煤矿进行开采、爆破等作业时,应做好动态监测,通过实时数据分析评估井下作业对地表构筑物、道路、农田等的影响,尤其是要正规开采,保留足够的煤柱,减少对地下含水层的破坏。

2)工业、民用建设应尽量避开开采沉陷影响区域,如果必须在该区域进行建设,在建设前应做好充分的调查和论证,选择沉降变形小、变形可控的区域,不宜选择软土、河道等工程性质不良的区域,对湿陷性黄土地区应进行地基加固,并做好防排水。

3)在采空沉陷或其它有地基不均匀沉降、变形区域进行建设时,要慎重选择建筑结构形式,通过增加特殊构造、增强整体刚度、合理设置沉降缝等方法增强建筑物的安全性,并对建筑物的变形情况进行动态监测。