峰峰矿区村庄下压煤开采及房屋损害鉴定技术

李世超

（河北冀中邯峰矿业有限公司 大淑村矿，河北 邯郸 056300）

0 引 言

长期以来煤炭资源在我国能源供应中处于主体地位，有力促进了社会和经济发展，具有不可替代的作用[1]。我国“三下”压煤储量巨大，尤其是建筑物下压煤约占总压煤的60%，且主要集中在中东部地区[2]。冀中能源峰峰矿区是我国的主要煤炭生产基地之一，目前大部分采煤均涉及建筑物下开采；此外，矿区内村镇、工业建筑、铁路等压覆有大量煤炭资源，若无法科学合理地解放“三下”压煤，将加剧企业进入衰退期的进程。同时，高强度、大范围的村庄下采煤活动也会导致工民用建筑物及生产生活设施损坏，严重影响矿区生态保护和资源型城市的可持续发展[3-4]。因此，如何平衡资源利用和建筑开采保护之间的矛盾，成了亟需解决的问题。

目前，减轻或避免开采影响的有效手段是及时开展采前地表沉陷预计和评估建筑物影响工作。曹海岗[5]采用留煤柱限厚开采方式对某变电所下工作面进行试采研究，并结合概率积分法和数值模拟对地表变形进行预计，最终确定了最佳开采方案；朱尚军[6]利用三维激光扫描技术对淮南矿区地表建筑物进行了实时观测，获取了沉降盆地内建筑物的移动变形值和损坏等级规律；郭文兵等[7]针对电视信号铁塔下安全采煤问题，结合概率积分预计、现场实测等手段分析了采煤引起的铁塔形变特征，并提出了动态调斜保护技术，确保了电视信号塔的安全运行；易四海等[8]基于数值模拟和连续损伤演化理论，研究了水平变形、采动曲率、倾斜变形对沉陷区建筑物的影响；赵宇亮等[9]利用概率积分法预计和数值模拟技术，对芦沟矿某工作面3 种开采方案下的民房受损情况进行比较，在保证房屋安全的前提下，有效提高了煤炭资源采出率；Falcón 等[10]采用了DHH 程序模拟了西班牙Asturias 矿区开采过程中的沉陷问题，根据采集的水准数据来计算地表移动变形值，确定其对地表建筑物的影响；Lamich 等[11]研究了8 个教堂由于开采沉陷而引起的变形，提出利用水平倾斜度来确定采矿对建筑物的影响程度。本文立足峰峰矿区村庄下压煤严重、矿井生产接续紧张的具体实际，结合矿区建筑物下采煤的具体案例，介绍建下压煤开采的思路和方法，阐述对于开采导致地表建构筑物损害的鉴定方式，描述了监测新技术在房屋损害鉴定中的应用。

1 村庄下压煤开采方案设计

开采地下煤炭资源，会打破原始岩体内部的应力状态，导致覆岩破断、垮落和移动变形，当岩体内部的移动变形传递至地表时，就会对地面建筑物造成损害。村庄下压煤开采方案设计的基础是：①房屋建筑具有抵抗变形的能力；②常规情况下，因地下开采导致的地表移动变形具有规律性，可通过一定的方法对地表变形值进行预计。因此，通过预先设定地表移动变形限值，借助于沉陷预计方法，使得开采后引起的地表变形预计值低于设计限值，即可进行压煤开采方案的设计。

1.1 房屋建筑抗变形能力

（1） 峰峰矿区村庄概述。

根据对峰峰矿区村庄建筑质量调查的结果，村庄建筑依据建造年代不同分为新房、旧房和老房，公路两侧和村庄外围多为新房，村庄内部老村址范围内老房居多。老旧房屋建筑年代一般早于十九世纪70 年代，房屋结构以木石为主，房屋质量差、抗变形能力弱；新房基本为1990 年以后所建，以砖混结构为主，预制空心板顶，有少量混浇顶和二层楼房，建筑质量好、抗变形能力强。

（2） 抗变形指标确定。

国家安全监管总局、国家煤矿安监局、国家能源局和国家铁路局2017 年5 月共同颁布的《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》，制定了砖混（石） 结构的建筑物破坏（保护）等级标准。当地表水平变形等于2 mm/m 时，砖墙上出现宽度小于4 mm 的裂缝，属于Ⅰ级破坏，此时对受损房屋仅需简单维修即可，一般来说，房屋承受压缩变形的能力比承受拉伸变形的能力强，结合矿区以往“三下”开采经验，并顾及村庄下采煤的敏感性，确定村庄下压煤开采时房屋建筑的抗变形指标。

1.2 地表变形预计方法

（1） 预计模型。

概率积分法是目前我国应用最为广泛、较成熟的预计方法之一[12]，大量的工程实践表明其适用于峰峰矿区。该方法在随机介质理论的基础上发展而来，移动的变形预计公式见式（1）[13]。

（2） 预计参数。

对峰峰矿区各矿井历年观测结果以及综合分析，选取初次采动时概率积分法沉陷，预计参数如下：下沉系数q=0.78，水平移动系数b=0.3，最大下沉角θ=90o-0.4α，主要影响角正切tanβ=2.50，偏移拐点距S=0.1H。

1.3 开采方案设计

峰峰矿区在建（构） 筑物下采煤中所采取的技术措施主要为严控开采范围，采用局部条带开采部分煤柱，从而控制地表沉陷。以大淑村矿六采区A 村庄煤柱的开采为例进行方案设计说明。矩形区域为设计开采工作面（平均开采厚度5.0 m），采用1.2 节选用的预计模型和参数对拟开采工作面实施开采后的地表变形情况进行预计计算，得到地表变形等值线。其中，下沉等值线如图1（a） 中曲线所示（因篇幅限制未列出倾斜及水平变形等值线），A 村庄范围内最大地表变形的统计结果见表1。

图1 工作面开采设计方案Fig.1 Design scheme of face mining

表1 A 村庄范围内最大地表变形的统计情况Table 1 Statistics of the maximum surface deformation within A village

基于变形预计等值线，根据1.1 节中确定的建筑物抗变形指标，划定A 村庄在地下煤炭资源采出后房屋建筑损害分布情况，如图1（b） 所示。

2 开采后房屋损害鉴定

进行村庄保护煤柱内工作面开采，会对房屋建筑造成一定程度的损害，为使受损村民及时获得合理补偿，需要科学合理地界定采动影响程度和民房破坏等级。峰峰矿区委托有资质的单位，通过现场调查对房屋建筑的损害情况，进行采动损害技术的鉴定工作。

（1） 对村民房屋按户进行现场勘察测量，绘制各户自然间分布位置，并测量面积。

（2） 现场调查房屋损坏程度，包含建造时间、房屋结构、损坏情况的具体描述等方面，典型位置和裂缝拍照留存。

（3） 按《规范》 要求，基于各户的损害描述，进行各自然间损害等级划分。

图2为峰峰矿区对某村庄进行现场调查后，确定的房屋建筑损害统计情况。

图2 现场调查划定的某村房屋建筑损害情况分布图Fig.2 The distribution map of building damage in a village delineated by field investigation

实践证明，基于采前沉陷预计的房屋损害统计情况与现场采动后现场调查的房屋损害情况具有一致性。进一步证明峰峰矿区通过沉陷预计进行开采方案设计和建（构） 筑物采动影响评估的合理性，可为其他矿区建下采煤提供借鉴。

3 监测新技术在房屋损害鉴定中的应用

3.1 监测新技术

通过现场调查受损建筑物墙体的裂缝情况，评定煤矿开采引起地表建筑物的损坏等级是目前开展开采损害技术鉴定的主要方式。但这类方法需要对建筑物进行全覆盖的现场调查，实施难度大，且不易划定采动影响边界。

随着测绘科技的不断进步，特别是具有高频率、全天候、面状监测特点InSAR 技术的迅猛发展，使其在房屋损害技术鉴定工作中逐渐得到应用。其主要应用点体现在以下3 个方面。

（1） 损害原因调查。对于未进入村庄保护煤柱内开采，但地表建筑物却出现异常损害的情况，可利用InSAR 技术借助于历史影像“回溯”地表变形的演变特征，分析损害原因。

（2） 影响边界划定。InSAR 技术具有毫米级地表形变监测能力，基于地表形变的解译结果，借助于GIS 的空间分析功能，可准确提取10 mm 沉降等值线，进而划定采动边界。

（3） 影响程度确定。随着InSAR 提取地表三维形变方法的不断研究优化，可一定程度上实现对地表倾斜及水平变形的提取，初步确定房屋建筑的采动影响程度。

3.2 InSAR 损害鉴定应用实例

以峰峰矿区工作面开采对村庄的损害程度进行分析，开采工作面与村庄的空间位置及地表情况如图3 所示。工作面平均采深为728 m，煤层厚度1.5 m。

图3 开采工作面与村庄井上下对照位置关系Fig.3 The relationship between the mining face and the village

InSAR 监测采用多视精细宽模式的SLC 数据（C 波段RadarSat-2），影像分辨率4.6 m×3.1 m（方位向×距离向）；总共6 景影像，时间跨度为2021 年9 月至2022 年4 月。InSAR 解译方法采用SBAS-InSAR 技术，图4 为地表形变解译结果及划定的采动影响边界。

图4 研究区域内地表垂直形变及变形等值线Fig.4 The vertical deformation and deformation contour of the surface in the study area

4 结 论

（1） 村庄下压煤开采方案设计的基础是房屋建筑具有一定的抵抗变形的能力，常规情况下，开采导致的地表移动变形具有规律性，可通过一定的方法对地表变形值进行预计。

（2） 介绍了峰峰矿区进行建下压煤开采的思路和方法。通过预先设定地表移动变形限值，借助沉陷预计，使得开采后引起的地表变形预计值低于设计限值。

（3） 阐述了峰峰矿区对于开采导致地面建（构） 筑物损害的鉴定方式，并描述了InSAR 技术在房屋损害鉴定中的3 个主要应用点。本文思路与方法，可为各大矿区进行建筑物下采煤提供借鉴。