张集矿区地表建筑物破坏多源因素探析

朱小美

（淮南矿业集团张集煤矿，安徽 淮南 232174）

1 张集矿区地表建筑物破坏区域概况

1.1 张集矿区及其采空沉陷区简介

张集煤矿是淮南矿业集团煤业分公司的现代化主力矿井之一，通过高定位技改及二期工程的建成，总生产能力提高至1230 万t/a。矿井采用综采工艺，顶板采用全部冒落法管理，属于煤层群开采、多煤层的重复采动，因此造成地面沉陷延续时间长、影响程度大。至2019年底，开采活动已在矿区范围内形成面积为3737.47 hm2的采空沉陷区，常年积水面积为2064.93 hm2，下沉深度大于1.5 m 的面积为2466 hm2。采空沉陷区内的住房、学校、铁路、公路等基础设施及农田水利设施、配套工程等农田排灌系统均遭受到不同程度的变形与破坏。

1.2 张集矿区及其采空沉陷区周边活动

张集矿区地处淮河中游，淮北平原区南部河谷及河间平原区，区域地貌类型为河漫滩及河间平地。地势平坦，总体趋势为西南高、东北低，地面标高一般在+21.00～+26.00 m 左右，地势沟渠较多，无大的构筑物、建筑物。塘沿村隶属于安徽省淮南市凤台县岳张集镇，位于岳张集镇政府的南面，村部与张集煤矿北门相邻，南邻寺沟村，北接张集村。2019年塘沿村村民不断反映部分房屋出现开裂变形，给日常生活带来了重大的安全隐患。

2 张集矿区地表建筑物破坏现场调查

根据塘沿村反映的部分房屋出现开裂变形情况，依据张集煤矿采煤沉陷预测图，采煤活动尚未直接影响到塘沿村，因此，矿方联合当地政府多次对房屋变形破坏程度及现场房屋裂缝、地表裂缝进行实地调查、核实，并由技术人员进行地质勘查，绘制准确的井上下对照图，以获得地表下沉趋势图等。本次调查房屋共600 户，现场调查鉴定人员对房屋破坏情况（如裂缝位置、数量、宽度、长度等）进行详细询问并记录，辅以影像资料论证，实行一户一档，并由户主及调查人员最终签字确认。通过综合房屋开裂变形情况，分类别进行梳理，发现塘沿村部分房屋确实发生不同程度的开裂变形破坏现象，部分房屋甚至有明显的往东倾斜现象。塘沿村开裂房屋变形形式均为各种裂缝，主要表现在房屋墙角的结合部、窗台、门梁、横墙、地坪等结构薄弱处，裂缝均在2019年内陆续发生。主要分布规律如下。

1）塘沿村房屋建筑物结构大多较简易，抗变形破坏能力较弱；调查的房屋65%为平房，平房均无地基基础，楼房一般均有地基基础，地坪多为水泥地，部分为地板，承重墙主要为砖墙。其中，20年前建成的房屋裂缝最为严重，无地基的房屋裂缝明显比有地基的房屋裂缝严重，砖石结构房屋裂缝宽度明显大于混凝土结构房屋裂缝宽度。

2）斜裂缝是塘沿村房屋开裂变形最主要的裂缝表现形式之一，大部分发生在门窗等薄弱部位，从房屋长度、高度方向分别看，墙身中部斜裂缝较两端少，下层墙体斜裂缝比上层墙体斜裂缝多；墙身竖向裂缝也较发育，裂缝多发生在建筑物纵墙上，且墙身中部比两端出现的机会多；窗口竖向裂缝一般由窗台从上往下发展，上宽下窄，窗口宽度越大，裂缝宽度越大，并且房屋中部的窗口竖向裂缝较之房屋两端的窗口竖向裂缝多。

3）部分村民在原基础上加盖房屋，开裂变形破坏现象尤为严重。并且破坏变形的房屋大都集中在村庄边缘附近，房屋开裂程度也比较严重。

3 张集矿区地表建筑物破坏因素分析

3.1 采动因素分析

3.1.1 预测模型

目前，我国常用的地表移动变形计算方法有典型曲线法、威布尔函数法、负指数函数法、概率积分法[1]，均能准确地判别地表建筑物是否受开采影响及影响程度。

张集煤矿目前开采煤层倾角均小于40°，故采用适宜于小于45°煤层的概率积分法进行地表移动变形规律预测，更具有参数确定简易、实用性强等优点[2]。

3.1.2 预测参数

参照我国《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》[3]，依据张集矿区的地表移动实际观测数据，采用概率积分法，确定张集矿区沉陷预测参数如下：一是下沉系数η，预测参数值取0.78，若重复采动则取0.91；二是主要影响正切tanβ，预测参数值取1.7；三是水平移动系数b，预测参数值取0.3；四是拐点偏移距S，S1，S2，S3，S4=10 m，H 为采深；五是影响传播角θ，预测参数值取90°-0.6α，α 为煤层倾角。

3.1.3 预测结果

塘沿村受损房屋均位于张集煤矿东一（2）采区西侧，采区内已回采的工作面有1121（3）工作面，收作时间2007年1月；1122（3）工作面，收作时间2014年8月；1123（3）工作面，收作时间2019年4月；1122（1）工作面，收作时间2011年8月。开裂房屋的走向同东一（2）采区系统巷道方向基本一致，距离最近一条系统巷道约560 m。本次预测主要是对靠近村庄的1122（1）和1122（3）的地表移动和变形规律进行定量预测。

预测结果分析：塘沿村受损房屋距离最近的1122（1）和1122（3）收作线800 m，塌陷倾斜方向为向东侧倾斜，1122（1）和1122（3）工作面的地表下沉等值线均为非对称的瓢形，开采后地表塌陷盆地下沉等值线及影响范围见图1。其中1122（1）工作面最大下沉值为1.5 m，下沉10 mm 的最外边缘线距离塘沿村34 m，塘沿村居民区不在采动影响范围；1122（3）工作面最大下沉值为1.8 m，下沉10 mm 的最外边缘线距离塘沿村45 m，塘沿村居民区不在采动影响范围。因此，此次房屋的损坏与张集煤矿的新开采工作面没有直接关系。但因2002年6月—2003月2月回采1211（3）工作面，村庄曾受到采动影响，最大下沉值为0.1 m，因此村庄边缘存在拉动影响。

图1 塘沿村受损区域对应的井上下对照图

3.2 地质构造因素

据张集煤矿《矿井水文地质类型划分报告》及区内钻孔揭露地层资料分析，塘沿村所属研究区位于华北平原南缘的淮南煤田，为近东西向的复向斜构造盆地。该区内地层发育良好，出露地层主要有第四系、三叠系、白垩系、二叠系、奥陶系、石炭系、青白口系、寒武系和下元古界地层，地层出露较全，地层总厚度大于5590 m。据近期地质钻探揭露土层和工程地质条件分析，不易产生区域内岩溶塌陷地质灾害，且研究区内第四系土层沉积较稳定，并无新构造运动及其他有异现象；研究区地处淮北平原区南部河谷及河间平原区，地势平坦，地面以农作物为主，不会发生滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害；同时依据《凤台县志》记载，近代以来该县各地区未发生过较大地震。总体来看，研究区内地质情况较为稳定，但水文地质条件受区域构造及新构造运动的控制，深层地下水、浅层地下水存在明显的差异。

3.3 地下水抽排因素

3.3.1 生活用水

根据现场调查、走访，研究区内50%村民家中和沿街门店均有水井（设有抽水的小型自吸电泵，流量3 m3/h，扬程60～120 m），水井深约20 m。住户均反映自2019年初，水井开泵至出水约2～3 min，目前水井开泵至出水约5～7 min。且从6月开始，水井水质较差，有黑灰等杂质。调查还发现该村存在9 个井深均不低于150 m 的水源井，主要通过加压抽取深层裂隙岩溶水，为深水井，但水质、泵水时间等无明显变化。分析表明：浅层地下水水位因抽水使用，已开始出现水位下降，从而导致砂层、黏土层不均匀沉降。另外受2019年台风“利奇马”影响，凤台县区域降雨量较往年同期减少近70%，无降水日数高达74 d，已成为近40年来最严重的伏秋旱。因此，浅层地下水过度使用和浅层地下水含水层补给量不足造成的不均匀沉陷是造成房屋开裂的原因之一。

3.3.2 工业用水

张集煤矿生活用水系统利用埋深90～120 m 的孔隙承压水作为供水水源，水源井位于工业广场内部，井深182.82 m，深入奥陶纪灰岩100.82 m，地下水开采量为9589 m3/d。通过对张集煤矿含水层钻孔探析，目前抽取第四系孔隙承压水对上覆浅层地下水、区域总地表水资源量及水环境均无直接影响。因此，对塘沿村居民生活用水及浅层地下水水位地层基本没有影响。

矿井受开采破坏的含水层主要为二叠系砂岩裂隙含水层，富水性较弱，单位涌水量为0.000655～0.039000 L/（s·m）。自然状态下，煤系砂岩裂隙含水层与上覆松散含水层和太原组灰岩之间无水力联系。但随着煤炭开采，矿井的疏排水活动促使自然水力场发生改变，从而导致砂岩裂隙含水层产生隆起处，并与松散砂层形成直接接触区，进而产生水力联系。采用裘布依承压-无压水公式进行计算，可得张集煤矿矿井疏排水活动影响半径约为890 m，因此此次塘沿村开裂变形破坏房屋均处于其影响范围之外。

4 结束语

通过对张集矿区塘沿村地表建筑物开裂变形多因素分析，结果表明：房屋开裂变形是由多因素共同造成的，其中年度浅层地下水层补给不足是导致地表房屋开裂变形的自然因素；地下水过度抽排导致地面沉陷、村庄房屋结构简单、抗变形能力差、未处理直接作为基础持力层的地基等均是村庄人为因素所致；而村庄边缘存在已沉稳工作面拉动影响，则是采动因素所致。

矿区建筑物破坏的因素有很多，与采动因素混合在一起时难以进行界定，除了实地调查、掌握开采沉陷规律外[4]，还应加强矿区周边建筑物的地质灾害监测预报工作，加强矿区水源井及矿井疏排水活动对周边水井动态水位的监测，在即将发生采空沉陷破坏的村庄区域设置警告牌或警戒线。当沉陷破坏达到一定程度时，应及时考虑补偿危房租赁费或采用村庄搬迁方式，妥善做好协调和补偿工作。