煤矿采空塌陷区的土建结构设计及施工

任 勇

(山西中煤华晋能源有限责任公司，山西 河津 043300)

煤矿采空塌陷区的土建结构设计及施工

任 勇

(山西中煤华晋能源有限责任公司，山西 河津 043300)

结合我国煤矿采空塌陷现状，阐述了制约采空塌陷灾害治理的主要因素，分析了塌陷区形成机理及治理技术，并从地质钻探、建筑结构型式、结构处理三方面,提出了煤矿采空塌陷区的施工结构设计措施,可有效改善因采空造成的地质变形带来的不利影响。

煤矿采空区，塌陷，结构设计

1 当前我国煤矿采空塌陷现状

当前我国的很多煤矿都是在地下开采，自然会出现很多的采空区。而采空区的上部的覆岩在一系列自然力的影响下，很容易会引发地面的裂缝，乃至于崩塌，带来严重的后果。而在这些塌陷区之上如何实施土建工程，也是非常值得研究的，这里以煤矿为例说明采空塌陷的治理对策。

1.1 塌陷现状

1)采空区分布。从整体来看，采空区自身的大小其实是和各地的产煤量有着直接的关联的。在过去的半个多世纪当中，贡献原煤产量的省份以山西最多，其次是河南河北，然后是山东和黑龙江。这些产地的产煤量很高，绝大部分都是井工进行开采的，所以这些省份的采空区分布也最为密集。

2)对矿区发展的负面影响呈上升趋势。就当前来看，国家的治理方式存在问题，很多政府都执行“关小上大”的政策，使得小企业关闭，大企业拼命开采，最终导致采空区的不断出现，而原有的采空区并没有及时治理，很快的就发生塌陷。同时在一些资源枯竭型城市，存在很多的老矿区，而几乎处处都是采空区，几乎无法实施治理，即便治理也踏进了“塌陷→搬迁、整治→再塌陷→再搬迁、再整治”的恶性循环，使当地经济陷入困境。

1.2 制约采空塌陷灾害治理的主要因素

第一，在1997年之前，国家并没有将矿区采空区塌陷相关治理纳入到有关制度当中，更没有相应的资金等配套体系，所以这一问题在很多矿区都普遍存在；第二，对于煤炭行业自身的发展来说，其长期的处于一种亏损的状态，很多的企业对于因为采煤造成的塌陷事故无力承担，无力负责。既没有相应的资金，也拿不出足够的人力支持，所以矿区塌陷现象普遍存在；第三则是因为采空区地质灾害并非都发生在采空之时，而是具有相应的滞后性，这样导致了责任人难以追究；尤其是在很多企业矿区，往往都是企业搬走了乃至于被合并了之后发生的塌陷，是很难找寻其中的责任人的；第四，很多煤炭矿区都带起了一个城市的发展，但是两者的发展成本都很高，导致一些资源枯竭型城市的发展举步维艰。

2 塌陷区形成机理及治理技术

随着我国建设事业的发展，地下的矿产资源正在较大量开采，如金属矿、煤矿等。任何地下矿产在被开采之后，都要对矿区自然环境带来一些变化和影响。从采矿的观点看，对顶板采取主动措施，使之有计划地全部垮落下来，这种开采方式经济节约、矿体损失少、技术操作简便。但是这种开采方法显然使矿体的上覆岩层受到很大的破坏，甚至这种破坏和扰动直接影响到地面，这对地面工程场地的稳定性显然不利。

煤层采出后，其上方岩石失去原有煤层的支持，原岩的应力状态在新条件下发生重新分布。凡是应力达到或超过岩体自身强度的那些岩体就要破碎垮落下来。垮落下来的大小不等的块石无序地堆积起来，充填了采煤后的空间，块石之间有连通性的空隙，因而碎石的总体积(连空隙在内)发生膨胀。随着垮落范围向上覆层扩展，垮落物逐渐充满了采空区，其上的岩层受到垮落物的支持就不再继续垮落。垮落的范围称垮落带(冒落带)。薄煤层采空后的垮落带厚度常在煤层厚度的1.7倍以内。

垮落带支撑了上部岩层的同时，本身也在上覆岩层的重力下发生了压缩，在此条件下，上覆岩层将逐渐下沉。在开采边界处受到支撑条件影响，上覆岩层像周边受到支撑的厚板，在上部重力作用下，发生挠曲，因而出现了裂缝。裂缝开展的范围称裂隙带。随着地质条件、采煤层厚度、冒落带高度等不同因素的作用，裂缝向上覆岩层开展的高度也各不相同，其厚度约与垮落带的厚度相等。垮落带与裂隙带交错过渡，没有明确界线，只能大致划分。在裂隙带之上的岩层，由于开采煤层引起的应力变化不大，因而不发生破裂，仍保持原来的连续性固体特征，只是出现了以沉降为主的弯曲变形。通称这一带为弯曲带或连续变形带。

一般说来，缓倾斜煤层在页岩为主的地带开采深度超过110 m，在砂岩为主的地带超过150 m，或者H/M>40以后，采空区冒落带和裂隙带将不会发展到地表。在裂隙带之上，将有连续性弯曲变形带存在，地表会出现一个沉降盆地。对地面上已有建筑物来说，沉降盆地的出现仍然是一种不良现象，但比地面陷坑、地面大裂缝对建筑物的破坏程度大为减轻。沉降盆地的范围大小和沉降量的深浅，随地质条件、开采范围不同而不同。当地面的差异沉降不大时，地面建筑物可以承受，否则，地面建筑物必须采取加固措施。在这样的地面上进行工程建设时，必须充分研究由于地下开采引发的地面变形是否已经完全终止。如果是终止，可以认为场地已经稳定，即可以作为天然地基进行工程建设。

巷道式开采法的横断面有矩形、半圆拱形、梯形等，在巷道相交或分岔处，开采面积较大。一般情况下，这种开采方式多数是集体企业、个人企业在浅层煤矿开采中使用的。如顶板为坚硬岩石(如砂岩)，往往无任何支护；如顶扳为软岩类(如泥页岩)，则用坑木支护。开采结束后，对巷道不作任何处理，任其自然发展。

煤炭行业为了保证地面工程避免地下开采的破坏，采用外来材料充填采空区的方法。充填材料的作用相似于原来煤层所起的承托上覆层的作用。充填材料多数是粗砂、砾石类的粒状材料。充填的方法有以下几种：

1)用外来砂石料对采空区进行带状充填，也就是进行部分充填。2)用砂石料充填全部采空区。3)用水砂自流充填全部采空区。4)用压力将水砂充填全部采空区。5)水砂充填与带状部分开采相结合(回采率约为50%～60%)，形成复合受压层。

这些措施对减少地面沉降都有效果，但程度不同。材料充填的密实程度显著影响充填的效果。

3 基于塌陷的结构设计措施

3.1 地质钻探

为了进一步的探明因为煤矿的采空而带来的影响，并且分析了地下岩层的相应的稳定性，进一步的观察下部的岩层是否存在开裂的情况，我们应该在相应的地域做一个地质钻孔，透过这个钻孔相应的数据，来加以探明该地域的地下岩层是否完整，是否存在一些断裂带，借以相应的数据来表明采空区域是否对地下岩层自身的稳定性带来了相应的影响。

3.2 主要建(构)筑结构型式

1)企业的主厂房是一个高层的现浇钢筋的混凝土相关材料制作成的土框排架的基本结构，这个结构的柱距是6 m，而长度则达到了48 m，在设施当中，汽机间的排架相关部分的跨度则是12 m，跨及两层，是一个现浇钢筋混凝土的基本框架结构，框架的檐高是17 m，在设施上配置了一台载重为16 t/3.2 t的吊车。

柱底荷载:轴力N=1 350 kN，弯矩M=350 kN·m，剪力Q=98 kN。

2)企业的除氧煤仓间是一个7 m的跨现浇钢筋混凝土为主要材料的六层框架结构，结构的檐高是27 m，而标高则达到了12.5 m。在设施上，主要配置了2台容量为75 t的除氧器，仓间的标高是23.5 m，里面主要浇筑了3座容积达到了150 m3的现浇钢筋混凝土材料的煤仓。柱底荷载：轴力N=4 250 kN，弯矩M=256 kN·m，剪力Q=158 kN。

3)企业内部设置的双曲线冷却塔，是一个现浇钢筋混凝土的筒体结构，从整体上来看，淋水面积达到了1 000 m2，檐高则达到了55 m的高度，从基础上来看，钢筋混凝土是一个条形的基本基础。

4)企业的烟囱，也是现浇钢筋混凝土材料制作的筒体结构，其高度达到了80 m，在基础架构上采取了钢筋混凝土的筏板基础。

3.3 结构处理措施

因为场地自身的相关限制，我们主要的建筑是不可以随意的调整其位置的，只能够从基础的结构设计上采取相应的措施，来满足区域的地基变形的相应要求。我们厂区的冷却塔是现浇钢筋混凝土的一个筒体结构，整体的刚度非常大，而如果在采空影响线的内部尝试设置增加一个80 cm宽，150 cm高的钢筋混凝土结构的土地梁，能够使其基础的抗弯刚度恰恰可以扛得住地基的局部变形对于冷却塔乃至于整个采矿片区的不利影响。

经过观察发现，主厂房的①轴～⑦轴之间的区域受塌陷的影响比较小，而⑦轴～⑨轴之间的区域则受塌陷的影响比较大。所以我们应该在⑦轴处这个分界线附近建造一道测试的沉降缝，与此同时还应该在①轴～⑦轴之间采用一些钢筋混凝土的相应的条形基础，以此来增加这一部分的整体性，提高抗灾能力；而在⑦轴～⑨轴 的相关部分则可以采用钢筋混凝土相应结构的独立基础，一般采用的基本的框架结构的体系变为排架的结构，在框架梁的铸造上采用相应的预制构件，同时和框架柱之上的螺栓进行连接，设置梁柱为其中的铰接点，如此这般可以吸收厂区建筑物的地基自身因为变形而可能产生的系列内力。为了保证厂房的整体结构自身的稳定性，可以尝试在每个跨柱中间加设一个基本的柱间支撑。与此相对应的，还应该减轻框架结构当中的部分结构自身的重量，进而进一步的降低地震等自然灾害所可能带来的不利影响，如果将通常所设计的钢筋混凝土的煤斗加以更改，变成一个钢煤斗，则能够最大程度降低柱底的轴力以及自然灾害发生时可能带来的水平的剪力。总而言之，这些措施都能够很好的改善因为采空而造成的地质变形所带来的不利影响。

[1] 盖春平，闫连群，王 治.简约煤矿采空塌陷的地质灾害评估特点[A].中国煤炭学会矿井地质专业委员会2008年学术论坛文集[C].2008.

[2] 李法滨，何文勇，俞仁泉.高密度电法在某采空塌陷区勘察中的应用[A].贵州省岩石力学与工程学会2011年学术年会论文集[C].2011.

[3] 靳双喜，靳慧洁，陈益敏.在焦作市中站区煤矿采空塌陷区提高勘探工程质量的方法与措施[A].河南地球科学通报2010年卷(下册)[C].2010.

The civil engineering structure design and construction in coal mine gob subsidence area

Ren Yong

(ShanxiChinaCoalHuajinEnergyLimitedLiabilityCompany,Hejin043300,China)

Combining with the present situation of coal mine gob subsidence in China,this paper elaborated the main factors restricting gob subsidence disaster governance,analyzed the subsidence forming mechanism and control technology,and from the geological drilling,building structure types,structure treatment three aspects,proposed the construction structure design measures in coal mine gob subsidence area,could effectively improve the adverse effects of geological deformation caused by gob.

coal mine gob area,subsidence,structure design

2015-10-15

任 勇(1982- )，男，工程师

1009-6825(2015)36-0069-02

TU318 < class="emphasis_bold">文献标识码：A

A