煤矿采空区地表变形及周边房屋治理分析

康鹏远

(太原市建筑工程质量检测站，山西太原 030002)

随着煤矿的大量开采，煤矿采空区及周边的环境受到严重破坏，尤其对采空区地表及房屋的损害尤为严重。山西省作为煤炭资源大省，地下蕴藏着丰富的煤炭资源，但是随着多年的开采，给周边环境和村庄带来了严重的破坏，同时也使村民与煤炭企业的矛盾日益突出。多年前的煤矿多存在私挖乱采现象，导致地下开采范围极不规则，随着近年来山西省的煤炭整合力度的加大，对采空区环境及村庄治理的问题也变得尤为重要。所以，研究煤矿采空区地表变形及房屋治理的分析对山西煤矿影响地区的治理是非常有实际意义的。

1 研究对象

本论文以一位于采空区的村庄为例进行分析，该村落位于吕梁山脉东侧，属中低山区，地表经长期风化剥蚀，沟谷纵横，梁峁绵延，地形十分复杂。由于受风化侵蚀等地质作用影响，基岩裸露处常形成砂岩陡坎和峭壁，黄土覆盖处可见一些大小不等的滑坡现象。该村总体西北高东南低，最低点位于该区东南部河床，海拔1 076.7 m，最高点位于评价区西北部的梁峁，海拔1 233.8 m，相对高差157.1 m。村落整体为北东向分布，村民房屋基本都建在山坡与狮子河河床接触带的黄土上，其房屋依附的山坡坡度平均大于15°，部分地区的山坡坡度角达20°以上。该村下方有若干煤层，现阶段2+3号和4号煤层已基本采完，8号煤层开始采掘。2+3号和4号煤埋深80 m～120 m，8号煤埋深170 m～200 m。

2 地表残余变形预计

按照2000年5月26日国家煤炭工业局制定颁布的《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》［1］。本次预计采用概率积分法对地表任意点任意方向的垂直和水平移动变形值进行预计，通用预计公式如下:

地表下沉:

地表倾斜:

地表变形曲率:

水平移动:

水平变形:

对于任意形状工作面开采影响的预计，可将任意形状工作面顺煤层走向划分成若干矩形工作面，用一个或多个矩形工作面代替任意形状工作面。

3 地表沉陷预计参数选取

该区域内煤矿在2003年以前采煤方法主要是柱式开采，工作面布置不规则，根据调查，开采工作面宽度大约20.0 m，留设煤柱7 m～8 m，回采率20% ～30%。2003年以后改为单体液压支柱，炮采，工作面长度60 m～80 m，矿井回采率40%左右。

根据地质采矿条件，可以根据等效厚度作为开采厚度，按概率积分法估计地表移动变形，计算时取概率积分参数:

地表残余变形是冒落岩块的继续压实，对于页岩等中硬岩石来讲，其压实后的残余碎胀系数约为1.1，也就是说残余的下沉系数在0.15左右。但由于本区部分煤柱尚未完全失稳，在计算残余沉降时，为安全起见，采用极限沉陷理论，残余下沉系数取0.2。

根据地质采矿条件，按概率积分法估计地表残余移动变形，采用极限沉降预测法，取残余沉降概率积分参数如下:

4 残余移动与变形预计结果

由于村庄建筑物多为单层或多层建筑，所以本次分析主要以残余曲率和残余水平变形两项指标为主，预计结果的残余移动与变形预计最大值见表1。

表1 开采稳定后地表残余移动与变形值

5 地面载荷对采空区的活化分析

5.1 建筑物荷载深度的计算

地面荷载对采动破碎岩体地基的扰动是浅部采动破碎地基或老采空区活化的重要原因之一。在地面附加荷载作用下，地基土体中将产生附加应力，并按一定规律向下传递，改变老采空区上方破裂岩土地基的受力状态，使破裂岩体的应力增加，产生附加压缩沉降。地面建筑物的类型、基础形式、荷载大小不同，其作用于地基上的附加应力的分布形式、地基沉降量、地基扰动深度也不同。建筑物的建造使地基土中原有的应力状态发生变化，从而引起地基变形，出现基础沉降，建筑物荷载影响深度随层数的增加而增大。设建筑物为砖混结构，开间为3.6 m，基础底面宽度为1.8 m，埋深为1.5 m。对1层～4层建筑物荷载影响深度进行了计算，结果见表2，1层影响深度为6.5 m;2层影响深度为10 m。

表2 建筑物荷载影响深度计算

5.2 垮落带和导水裂缝带高度的计算

覆岩破坏高度与许多地质采矿条件有关，但目前尚无统一的多元相关的具体表达式，因此计算大多采用经验公式。根据分析求得的覆岩岩性及煤层埋藏条件，设计采用《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中给出的缓倾斜条件下厚煤层分层开采时的垮落带和导水裂缝带高度的计算公式进行计算。

垮落带高度计算公式如下:

岩性软弱时:

岩性中硬时:

导水裂缝带高度计算公式:

岩性软弱时:

岩性中硬时:

其中，Hm为冒落带高度，m;Hli为导水裂缝带高度为累计采厚，m。

本区域上覆岩层的岩石强度整体按中硬考虑，所采煤层为2+3号，4号，8号，累计开采平均厚度按8.56 m计算，由此计算得垮落带与断裂带(导水裂隙带)的高度之和约为Hli=55 m。

5.3 地面载荷对采空区的活化分析

在采空区垮落断裂带不再因建筑荷载扰动而重新移动时，最小采深(H临)应该不小于垮落断裂带高度(Hli)与建筑荷载影响深度(H影)两者之和，即:

当实际采深大于H临时，建筑荷载不会使垮落断裂带重新移动;当实际采深小于H临时，覆岩和地表会重新移动。

根据前面计算，Hli=55 m，建筑荷载影响深度H影最大为10 m，8号煤层采深为40 m～130 m，由此可见，在采深大于65 m，地表载荷不会使该处地表重新移动。也就是说，在采深大于65 m范围内，如果该处采空区地表沉陷已经稳定，那么在此地表建1层～2层住宅楼，垮落断裂带仍会处于相对稳定状态，不会产生较大的不均匀沉降。但在采深小于65 m范围内，建造1层～2层住宅楼后，可能引起采空区的活化，地表将重新产生移动与变形。

6 地表房屋治理

煤矿大多数位于山区，采空区往往影响其上方及周边村庄。山西省山区村庄的房屋结构形式主要有生土结构和砖砌体结构。此外，村庄房屋均为村民自建房屋，布置及构造相对简单，在遭遇外界破坏作用时，无足够的抗力，极易引起房屋的损坏，甚至倒塌。

通过对山西省采空区影响范围内农村房屋的大量调查及鉴定，生土结构房屋破坏性最大，遭受破坏的生土房屋往往修复难度大，并且修复成本大，甚至是不可修复的。砖砌体结构房屋在同样的破坏条件下，房屋受损程度相对较小，且修复相对容易。对于采空区房屋的治理，应首先考虑房屋所处地表的变形是否稳定，其次鉴定房屋的安全性［2］，这样才能有效的对采空区地表及周边房的治理提出有效可行的治理方案。所以，采空区的房屋治理应该遵循“先勘测，再鉴定，后治理”的原则。

7 结语

1)该采空区地表变形已经趋于稳定，但是由于柱式开采，残余变形可能历时较长，但是不会出现突发性的地表破坏。2)对采空区域内地表稳定性的活化进行了分析，得出采深小于65 m区域内，采空区上方修建地表建筑可能引起已稳定区域地表的重新移动与变形;而采深大于65 m区域内，采空区上方修建地表建筑物，已稳定区域地表仍处于相对稳定状态，地表不会产生不均匀的移动与变形。3)采空区房屋的治理，应首先进行采空区探测，并评价地表稳定性;其次鉴定房屋的安全性，了解房屋损坏程度;最后进行房屋治理方案的研究。

［1］ISBN.7502016627，建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程［S］.

［2］GB 50292-1999，民用建筑可靠性鉴定标准［S］.