济宁-兖州煤田采煤沉陷区建(构)筑物损毁特征分析及防治建议

张岩，张青卉，胡波*，刘昆，黎逢良，张倩，张阳，张帆

(1.山东省鲁南地质工程勘察院(山东省地勘局第二地质大队)，山东 济宁 272100；2.自然资源部采煤沉陷区综合治理工程技术创新中心，山东 济宁 272100；3.青岛市生态环境局平度分局，山东 青岛 266700；4.济宁市自然资源和规划局经济开发区服务中心，山东 济宁 272000)

0 引言

20世纪90年代以来济宁市原煤产量迅速增长，并稳定在7000万t/a左右，境内因采煤引发的地面沉陷区也以前所未有的速度扩大[1]。受历史因素及城市规模不断扩大的影响，部分城乡建筑和市政基础设施进入煤炭开采影响范围，采煤造成的地表弯曲和沉降变形导致诸多房屋破坏、道路损毁，严重影响居住和出行环境[2-4]。前人对山西、辽宁、河南、安徽等矿区地表土地塌陷破坏、地面建(构)筑物损毁评估以及建筑物加固方案等方面进行过深入的研究，本文从研究区实际出发，分析建(构)筑物损毁特征并提出防治建议，以期为建(构)筑物抗采动设计、加固方案提供相应的参考依据。

1 研究区煤炭资源赋存及开发利用概况

济宁市煤炭资源丰富，含煤面积3920km2，占全市总面积的三分之一以上，主要分布于兖州、曲阜、邹城、微山等地，煤层稳定，煤质优良，开发利用价值高，为全国重点开发的八大煤炭基地之一。济宁市现有煤矿45个，分属于济宁煤田、兖州煤田、金乡煤田、汶上煤田、枣滕煤田、巨野煤田，2019年煤炭开采和洗选行业工业总产值达到470.05亿元[5-6]。从1959年第一个矿井投产至20世纪70年代末，济宁市煤炭产量虽然增幅较快，但总量较少；随着大批具有较高年设计生产能力的矿井于90年代陆续投产使用，济宁市的煤炭产量开始突飞猛进，并成为山东省极为重要的产煤区。2010年，济宁市的煤炭产量达到了8809万t，占山东省煤炭产量的56.3%[1]。

济宁-兖州煤田主要位于济宁市任城区、曲阜市、鱼台县、兖州区及邹城市(图1)。区内主要含煤地层为下二叠统山西组和上石炭统太原组，主要含煤地层都在10层以上，可采厚度10m左右，煤系和煤层沉积较稳定，为华北型含煤岩系。主要稳定可采煤层倾角比较平缓，一般小于15°，煤质较好且稳定，煤系之上一般覆盖有上侏罗统和较厚的第四系。

图1 济宁-兖州煤田煤矿分布图

区内现有生产矿山23个，主要开采煤层为3、3上、3下、16、17等煤层，多采用走向长壁后退式采煤，全部垮落法管理顶板。各矿山目前已开采煤层平均厚度0.99～9.12m，埋深190～1300m不等。

截至2019年底，研究区内采煤沉陷区(沉陷深度10mm以上范围)总面积40243.11hm2，主要分布于邹城市、任城区、兖州区、曲阜市等地。采煤损毁地类主要为耕地(55.9%)、水域及水利设施用地(26.8%)和城镇村及工矿用地(9.69%)和交通设施用地(1.67%)。

2 采煤沉陷区建(构)筑物损毁特征

济宁-兖州煤田大多数煤矿主采煤层为3煤，该煤层厚度普遍在3.5m以上，属厚煤层。在全采条件下开采3煤引发的地表沉降变形>1m，远超过《建筑地基基础设计规范》中要求的0.2m的平均沉降量；差异沉降引起的倾斜也足以对建(构)筑物造成结构性损坏，严重影响居住安全。

2.1 沉陷区建(构)筑物损毁机理

随着煤层开采，上覆岩层底部托空，破坏了岩体内部原有的应力平衡，在重力作用下岩体发生剪切破坏，进而产生移动变形并传递至地表岩土体[7]。地表岩土体的变形表现为“沉陷盆地”，为不均匀沉降，且既有竖直向变形又有水平向变形。

“沉陷盆地”范围内的建筑物地基发生不均匀沉降后就会反映在上部结构的内力变化上。某些应力集中区将会产生强烈的剪切或拉张内力，达到一定程度后结构脆弱区便发生剪切或拉张破坏。

线性构筑物在重力和地表沉陷变形的影响下呈现两种不同的受力状态，盆地中心和边缘表现为竖直向下的剪应力和水平向的张应力，其他区域则表现为竖直向下的剪应力和水平向的剪应力。两种不同的受力状态造成道路等线性构筑物呈现下陷裂缝和隆起两种破坏形式。

2.2 沉陷区建筑物损毁特征

建筑物在采煤沉陷影响下易发生损毁的区域包括：砖石结构建筑物转角、纵横墙连接处、门(窗)墙的勒角部分、变形缝周边、新旧房屋连接处、墙体散水、砌体单墙等(照片1)[5]。

照片1 采煤沉陷造成建筑物裂缝典型照片

2.2.1 不同开采方式下建筑物损毁特征

(1)全采条件下，研究区内村庄下煤炭资源开采前均进行搬迁避让。沉陷区中未拆除的建(构)筑物损毁明显，除房屋的门(窗)框的拐角、新旧建筑物交会处、无构造柱的单墙等结构脆弱区外，房屋承重墙、屋顶等区域亦见明显裂缝损毁，裂缝宽度1～15cm不等，裂缝倾角多大于60°，可贯穿整个墙体，不同区域裂缝亦互相贯穿联通。这些裂缝使房屋结构稳定性遭到严重破坏，不宜居住。

(2)条带开采是保留的条带煤柱支撑上覆岩层的荷载,从而使地表移动变形保持在允许范围以内的一种采煤方法，是一种释放资源储量、节约开采成本的折中方案。条带开采是研究区内村庄下煤炭资源的主要手段，采煤沉陷引起的建(构)筑物损毁程度要远小于全采。

较小的地表移动变形多反映在建筑物散水、新旧建筑物交会处、砌体单墙等区域。受采煤影响房屋可见轻微裂缝，裂缝宽度0.1～1cm不等，这些裂缝多发育于无构造柱结构欠稳定的砌体单墙(如屋顶女儿墙、厚度不大的砖墙)，裂缝多近垂直，可贯穿整个墙体；房屋门(窗)框的拐角处裂缝较少且宽度小。较小的裂缝经简单维修后不影响正常居住。

(3)部分矿山开采后采用膏体材料或高水材料对工作面进行了充填，大大减小了采煤造成的地表移动变形，对地表建(构)筑物影响很小[8-9]。

2.2.2 不同开采条件下建筑物损毁特征

(1)在研究区内选取煤层埋深不同、厚度相近、采宽留宽比相近的采煤沉陷区进行研究，分析采煤沉陷影响范围内的1～3层民居裂缝发育情况，以百所房屋发育裂缝数量和裂缝宽度分布统计(表1)。

表1 不同埋深煤层条带开采造成房屋裂缝统计表

由表1可知，条带开采条件下埋深是影响裂缝发育数量和张开程度的重要影响因素之一。采宽留宽比相近时，采深越大对地表建(构)筑物的影响越小。

(2)在研究区内埋深相近、采宽留宽比相近,煤层厚度不同条件下的低矮建筑物损毁统计样本较少，煤层厚度与受损建筑物裂缝发育数量和张开程度相关性规律不明显。

(3)采宽留宽比是影响裂缝发育数量和张开程度的重要因素之一。研究区内条带开采作业采宽留宽比一般在1∶1～1∶2之间，埋深相近、厚度相近,采宽留宽比相同条件下的低矮建筑物损毁统计样本较少，但总体规律是采宽留宽比越大房屋裂缝数量越多。即使不同采深和采厚条件下，采宽留宽比大的区域建筑物受损更为明显。采宽留宽比与房屋损毁强度的相关性比开采深度和开采厚度更为明显(表2)。

表2 不同采宽留宽比条带开采造成房屋裂缝统计表

2.2.3 相同开采条件不同结构形式建筑物损毁规律

(1)同样开采条件下，2～3层建筑物墙体裂缝数量要远少于单层建筑物，6层以上建筑物墙体裂缝基本不发育。单层建筑物多为简单的砌体结构，构造柱数量远少于多层建筑，且基础形式简单，多未采用地梁、圈梁等抗不均匀变形结构；六层以上建筑物在设计时即考虑到地基不均匀沉降产生的后续影响，通过合理设置变形缝和后浇带并采用强度较高的钢筋混凝土结构抵抗了地基不均匀沉降带来的影响[10]。

(2)同样开采条件下非线性、小面积的单体建筑物的裂缝数量要少于长宽比大的复杂建筑物，如小型的机井房、配电室墙体裂缝要少于面积较大的村庄民居、联排房屋。面积大、长宽比大的建筑物跨度大、整体型不强，在不均匀沉降影响下，内力和挠度较大,更易出现局部裂缝而破坏。

2.3 沉陷区线性构筑物损毁特征

2.3.1 不同开采方式下线性构筑物损毁程度

(1)全采条件下路基沉陷变形剧烈，不同的道路表现为不同的破坏形式。

(2)条带开采影响范围内的道路等线性构筑受损较小，对交通影响不大。

2.3.2 不同结构形式线性构筑物损毁程特征

(1)素土路及泥结碎石路破坏形式主要表现为路面裂缝及明显的起伏变化，路面裂缝主要发育在沉陷盆地边缘部位，且在降雨、行车及重力作用下将逐渐填充消失。

(2)水泥混凝土道路在沉陷盆地的中心部位路基下陷与面板脱离，造成底板托空，在行车荷载及重力作用下，水泥面板碎裂破坏，降雨后雨水沿裂缝深入地基，车辆通过时地基土和水一起从裂缝处挤出，由缝中喷溅出稀泥浆(路面唧泥)；在沉陷盆地的边缘部位，水泥路面板在行车荷载作用下易产生横向裂缝，裂缝两侧错台，影响车辆正常行驶；水泥路另一种破坏形式为面板隆起，该处面板受水平向剪应力，刚度较大的路面在剪应力作用下沿胀缩缝断裂，裂缝两侧面板持续受力进而拱起呈“∧”型，隆起错台的区域严重影响交通。水泥混凝土路面初始破坏区多集中在伸缩变形缝或路面交会处或路面与构筑物交会处，局部区域因底托空和行车重压的双重影响，形成大面积路面碎裂(照片2)。

照片2 水泥混凝土路面隆起破坏

(3)沥青道路在采煤沉陷影响下最易发生褶皱隆起(壅包)及横向断裂。沥青材质道路属“柔性路面”，其路面损毁形式既取决于沉陷盆地形态位置，又与路面下方基层抗变形能力关系密切。“白改黑”路面，即原有混凝土路面上加铺沥青混凝土面层，此类道路破坏模式与水泥混凝土路面基本一致；采用半刚性基层(水泥稳定土、水泥稳定粒料类等)的沥青混凝土路面，其破坏时的隆起高度和影响范围要小于“白改黑”路面；采用柔性基层(级配砂砾、级配碎石类等)的沥青混凝土路面，其破坏时的隆起高度、和影响范围要最小，且受行车荷载影响明显。采用柔性基层的沥青混凝土路面受损后清除表面碎裂面层，对交通影响较小。

3 采煤沉陷区建(构)筑物损毁防治建议

(1)源头防治，控制采宽留宽比。对比所采煤层厚度和深度，采出煤层宽度和保留的条带煤柱宽度的比值对房屋损毁强度更为明显。合理确定采宽留宽比是一项专业技术问题，与经济利益、资源高效利用和民生福祉关系密切[11]。

(2)强化设计，针对性预防。建筑物基础应采用整体性较好的现浇钢筋混凝土箱形基础或条形基础，并配置适量的抗裂钢筋，以抵抗不均匀沉陷引起的裂缝，确保基础的整体性，降低对上部结构的影响[12]。尽量不采用砌体结构基础[13]。

在应力集中、结构相对较弱的门、窗框周边，砌体单墙等区域增设加强筋、构造柱等强化措施。上部结构尽量采用静定结构，能随有限的地表沉陷而发生相应变形，并仍保持稳定，避免不均匀沉降引起的内部附加应力[10]。

采煤沉陷区影响范围内的道路尽量采用沥青混凝土面层柔性基层。混凝土面层和半刚性基层在不均匀沉降和行车荷载作用下极易出现面板碎裂、反射裂缝和“∧”型隆起，严重影响交通功能。采用沥青混凝土路面柔性基层可以有效抵抗少量不均匀沉降带来的路面隆起和裂缝问题，确保使用寿命。

(3)补强加固,保障安全、提高使用寿命。对于受损建筑物可采用砂浆或环氧树脂灌缝法、水泥砂浆或混凝土外加层加固法、增设扶壁构造柱和支撑柱法、植入加强钢筋法、现浇混凝土扩大基础等方法进行加强防护、以期提高受损建筑物使用寿命，保障居住安全[14-18]。对于面板大范围碎裂和严重错台的混凝土面层道路需凿除碎裂面板，重新浇筑；路面裂缝可采用沥青油灌缝封堵，防止基层或路基进一步受损；水泥面板隆起破坏，需凿除受损部分重新浇筑面板；沥青混凝土面层隆起破坏，可铣刨隆起部分至平滑后继续使用。

(4)加强监测，通过设置地表和建筑物沉降观测点，获取地表沉陷的变化规律和发展趋势，及时预警突发情况，指导采取安全措施。

4 结语

济宁-兖州煤田开采历史较长，采煤沉陷造成地表建(构)筑物破坏的原因机理较为简单，较复杂的破坏形式取决于不同的开采条件和结构形式。全采条件下，建筑物损毁严重，补强加固意义不大；道路损毁需根据损毁等级采用重新修筑、凿除补强、灌缝、铣刨等手段进行修复。条带开采条件下采出煤层宽度和保留的条带煤柱宽度的比值对房屋损毁强度的影响更为明显，房屋建筑物可选择合理的基础和上部结构形式，优化设计、针对性加强；受损建筑物可采用灌缝、外加层加固法、增设扶壁构造柱和支撑柱、植入加强钢筋等方法进行加强防护；道路构筑物受损不明显。