抚顺西露天矿北帮地质灾害治理及影响区建筑加固

■ 冯东梅 FENG Dongmei 徐大光 XU Daguang

0 引言

露天煤矿开采易引发地质灾害，并进一步作用于露天煤矿周边的影响区，导致周围城区内的建筑出现损害。抚顺西露天矿作为典型的露天型煤矿，虽然已经逐步停止生产，但周围城区内的建筑仍然受到地质灾害影响。2018 年，习近平总书记视察抚顺市西露天矿采煤沉陷区综合治理项目时强调，开展采煤沉陷区综合治理，要本着科学的态度和精神，搞好评估论证，做好整合利用这篇大文章[1]。要改善露天矿影响区周边的居住条件，就需要先改变矿坑对周边的影响，并在此基础上对周边影响区域内的居住建筑进行修复与加固。

1 西露天矿影响区概况

1.1 西露天矿概况

抚顺市地处辽宁省东部丘陵地带，毗邻东北中心城市沈阳，是沈阳经济影响区内重要的战略组成部分。西露天矿即坐落于抚顺市新抚区西南部，位于抚顺煤田西部、浑河南岸、千台山北麓，地跨新抚、望花两大主城区，紧邻城市主要商业街区与传统居住区（图1）[2]。其东西长6.6 km，南北宽 2.2 km，总面积约14.52 km2，于1901 年 开 采，并 于1914 年转为露天开采模式。由于当地煤炭品质良好、埋藏较浅易于开采且矿源储量巨大，西露天矿煤层平均厚度可以达到50 m，开采垂直深度达350 m 以上，是当时少有的特大型煤田，成为国家重要的煤炭产地。百余年的开采使西露天矿煤炭产量日益减少，但因开采引发的地质灾害却愈加明显。自2009 年抚顺市被列入我国第二批“资源枯竭型城市”名单而开始步入转型期，西露天矿也随之减少生产，并于2019 年完成闭矿。

图1 西露天矿地理位置

1.2 地质环境影响

从地理位置来看，西露天矿处于浑河与千台山之间狭长的平原区域内，周边地形平缓、地势较低，地面海平高度约80 m。区域内地形整体趋势呈东北部略高于西南部[3]，内部岩层复杂，地质条件多变（图2）。

图2 典型地质剖面示意图

矿坑露天采场范围大，露天开采的模式改变了周边的地形、地貌，并进一步改变了周边区域的力学条件，对地质环境影响较大；再加上开采生产期间企业管理粗放等因素，使得西露天矿产生了诸多地质环境问题，如滑坡、泥石流、地表塌陷、地裂缝等，对矿区影响区内必要的生产、生活产生了严重威胁，无法保障生命财产安全。

此外，矿区周边居住有大量曾参与西露天建设或伴随煤炭相关产业的居民，其居住环境受西露天矿地质灾害影响严重，居住条件差。

1.3 北帮建筑情况

通过对抚顺市西露天矿北帮影响区域的实地调研发现，其周边建筑物主要分为两大类：①距离矿坑边缘较近的区域多为中小型工业、企业，主要位于整个矿坑边缘200 m 范围内；②居民区距离稍远，低层、多层、高层住宅均有。矿区周边建筑物建设年代跨度较大，从上世纪60 年代一直到本世纪初。其中，建于上世纪六七十年代的建筑多为砖混结构，主要分布在距矿区边界100 m 范围内；建于上世纪80 年代至本世纪初的建筑多为框架结构，主要分布在距矿区边界100～800 m 范围内。

2 西露天矿北帮地质灾害分析与建筑损害分区

2.1 北帮灾害情况梳理

抚顺市早年的城市建设主要为矿区开采服务，城区规划较为混乱。特别是在西露天矿北帮影响区内，各个时期的建筑交错存在，年代久远的工业园区、影响较大的公共基础设施及大量的居住建筑错落分布其中。西露天矿对北帮区域内建筑物产生破坏的地质灾害主要有3 种，即：滑坡、地表沉陷和地裂缝。对这3 种地质灾害引发的周边常见灾害进行事件树分析，从中提取灾害链（表1），并据此绘制灾害链网络模型（图3）。可以看出，这些地质灾害造成的影响时间长、波及范围大、后果较为严重。伴随着地质灾害的发生，影响区内的建筑陆续出现墙体开裂、基础脱离等现象，对居民的生命安全造成了严重威胁。

表1 抚顺西露天矿北帮区域常见的灾害链

图3 西露天矿北帮灾害链网络模型

2.2 建筑损害分区

矿坑北帮影响区内，建筑受地质灾害影响较明显的区域集中在距北帮边缘700 m 内的范围内。根据所受地质灾害的不同，可以将这部分建筑区域划分成3 块，即：滑坡影响区、地表沉陷影响区和地裂缝影响区。

2.2.1 滑坡影响区

滑坡影响区主要范围在北帮距矿坑边缘100 m 以内区域。该区域内建筑主要为上世纪60 年代中期建造的矮层平房，采用当时较为实用的条形基础砖混结构。露天开采后，由于北帮边坡岩体整体强度不高，且各岩层之间无法形成整体，受降水影响，在边坡应力释放的过程中，产生了北帮边坡向坑内方向偏移的现象；当偏移量超过一定限度时，就会发生区域滑坡。伴随偏移滑坡的持续发生，地表受影响区持续扩大，区域内建筑物基础发生下沉现象，长时间的下沉影响甚至会使建筑物出现剪切破坏等现象，从而出现墙柱断裂、倾斜，墙体开裂，以及建筑基体分离（图4）等情况。

图4 建筑基体分离

2.2.2 沉陷影响区

沉陷影响区主要范围在北帮距矿坑边缘100～500 m 区域内，因矿坑滑坡引起区域内地表沉陷而造成危险。该区域内建筑基础主要采用条形基础。根据建筑结构形式的不同，又可以分为两类建筑：一类是以砖混结构为主的老旧建筑，主要分布在该区域西侧，始建于上世纪六七十年代；另一类是以框架结构为主的相对较新的建筑，建造于上世纪八九十年代。影响区内建筑距离边坡较近，在矿坑边缘出现滑坡现象时，带动该区域出现地表沉陷，使沉陷区内的建筑物受到拉力而出现形变，且主要形变类型为水平变形；而伴随形变的发生，区域内部分建筑物出现墙体开裂的现象，具体表现为：建筑外墙出现竖直裂缝、“丁”字裂缝、网状裂缝（图5），以及梁、柱等支撑构件部分产生变形和开裂。

图5 地表沉陷影响区建筑破损情况

2.2.3 地裂缝影响区

西露天矿北帮影响区内对建筑物影响明显的地裂缝主要有两处。一处是抚顺石油一厂、老抚顺发电厂等工业园区，其中，石油一厂的建筑主要为上世纪六七十年代的砖混建筑，受地裂缝影响已停止生产。另一处为西三街、西四街、西七路、解放路等街区范围内的居民住宅，主要修建于上世纪80 年代，因地质环境发生变化，部分住宅的下方就是地裂缝。这部分住宅建筑的长轴与建筑下方的地裂缝相互垂直，当地裂缝整体向矿坑方向发生沉降时，会扩大地裂缝形变，使得地裂缝影响区内部分位于裂缝上方的建筑受到剪切破坏，从而出现墙体开裂、阳台破损（图6）等情况。

图6 住宅阳台破损情况

3 地质灾害治理

根据表1 和图3 的灾害链梳理可知，北帮影响区内的建筑损害均由西露天矿所产生的持续影响造成。因此，在对破损建筑进行修复加固前，需要先进行矿区地质灾害治理，以提高矿区北帮区域的整体安全系数。

根据现有研究成果：西露天矿南帮以玄武岩和凝灰岩为主，强度较高且岩体较稳定，但玄武岩层位中存在一定的片麻岩、破碎带等软弱层结构，容易沿此结构发生滑移[4]；西露天矿北帮为凸起的泥质边坡，转折点在-40 m 标高处，整个边坡呈现上部较缓、下部较陡的状态，整体强度较低，受降水等影响较大。采用极限平衡法计算分析当前条件下北帮边坡的稳定性：当前，北帮区域内边坡稳定性系数均＞1.2，边坡整体处于相对稳定状态。但根据《煤炭工业露天矿设计规范》（GB 50197—2015）及《露天煤矿边坡稳定性年度评价技术规范》（GB/T 37573—2019）规定：边坡上有特别重要建筑物或边坡滑落会造成重大生命财产损失者，且服务年限超过20 年时，边坡稳定性系数应＞1.5。可见当前边坡安全系数并不满足长久边坡的稳定规定，需要进行修复与治理。

为保证西露天矿南帮、北帮稳定不发生滑移，避免矿坑底部现存的污染物污染环境，需要对矿坑底部进行整体回填（可采用尾矿或废石等物料），当回填达到-148 m 标高时，可保证南帮不产生滑移；同时，考虑到北帮泥质边坡的强度和稳定性较差、受降水影响较大，在整体回填的基础上，采用台阶护坡压脚，在-148 ～- 40 m 标高范围内设3个台阶分段内排（内排边坡角16°、单层台阶角30°），以防止降水引起的局部滑坡[5-6]；此外，- 40 m 标高以上边坡受湖水浪蚀及降雨侵蚀作用，需要进行削坡（图7）。

图7 回填压脚方案示意图

进一步采用GEO-SLOPE 对西露天矿进行边坡稳定性验证，结果显示：矿区相关边坡安全系数均达到1.5 以上，满足相关规范要求。

对比治理前后（图8），治理后影响区内各个位置的危险性和风险性明显降低，整体安全性得到较大提升。这说明回填压脚方案对提高西露天矿边坡稳定性、降低周边区域风险性具有很好的效果，能够有效控制滑坡、地表沉降、地裂缝等地质灾害，为后续顺利推进建筑修复和加固奠定了基础。

图8 治理前后风险区域对比

4 影响区内建筑物加固措施

通过对西露天矿的治理，区域内发生地质灾害的可能性大幅度降低，在此基础上，结合矿区周边建筑的结构形式，对3 个影响区内的建筑按照受损害类型与程度，提出针对性加固建议和措施。

4.1 滑坡影响区建筑物加固措施

滑坡影响区内建筑物受滑坡影响，破损形式主要表现为墙体开裂、基体分离，需要重点加固建筑物地基。地基加固方法有多种，这里采用较为实用的注浆加固法。首先设置注浆孔，可以直接对滑坡影响区内建筑基础垂直设置钻孔，也可以使用专门的钻机预先打孔；然后在注浆孔内注入水泥浆液，利用浆液的堵塞、黏结作用，使原有岩土体中的裂隙黏结，从而提高岩土体的力学性能（图9）[7]。通过地基注浆，可提高周边基土的抗形变能力与承载力，使得地基附近产生的沉降和变形显著减小。

图9 注浆法基础加固示意图

4.2 地表沉陷影响区建筑物加固措施

地表沉陷区内建筑物受地表沉陷影响，破损形式主要表现为墙体错动、开裂，需重点加固建筑物墙体及梁柱。可先对建筑物破损开裂处采用水凝砂浆进行填充，以保证墙体不会出现更大的损坏；在此基础上，对梁柱等支撑结构进行加固。加固方法有：在梁柱外侧增加钢结构构件，利用特殊的结构胶将梁柱四侧角钢与原混凝土梁柱黏结在一起承受共同的荷载；或者在梁柱外表面环向或径向包裹韧性更高的碳纤维材料，提高建筑的整体强度（图10）。

图10 梁柱加固示意图

4.3 地裂缝影响区建筑物加固措施

地裂缝影响区内建筑主要为表现为阳台破损和部分墙体开裂，因此，加固重点应放在加固阳台梁及建筑外墙上。首先，在建筑外墙墙体与阳台梁底之间增加三角形支架，可通过化学锚栓将三角架的两个直角边分别与外墙和阳台边缘连接在一起，应保证化学锚栓植入墙体的深度达到要求，且不会破坏墙体结构，以加强阳台底梁与外墙之间的联系；然后，使用环氧树脂胶对三角支架与阳台底梁、外墙之间的缝隙进行灌注，提高建筑强度，以此实现对住宅建筑的加固（图11）。

图11 阳台三角支架加固示意图

5 结语

抚顺西露天矿北帮影响区地质灾害治理与建筑加固是一个系统性工程，以“回填压脚—局部削坡”为核心的地质灾害治理方案，使矿区相关边坡安全系数均提升到1.5 以上，达成了边坡长久稳定的目标，并为建筑物修复加固提供基础条件。在完成治理保证区域稳定的基础上，对影响区内的居住建筑进行加固，其中，滑坡影响区主要加固建筑地基，地表沉陷影响区主要提高建筑墙体及梁柱的强度，地裂缝影响区主要加固建筑外墙和阳台。希望能借此改善影响区内居民居住条件，保障居民生命财产安全；也为其他矿业城市推动矿区治理与建筑修复加固提供参考。