撫順市老虎臺煤礦采沉區(qū)地表裂縫帶危害性調(diào)查及防災(zāi)對策研究

陳方穎，王 超，李東春，李 俏

（遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034）

0 引言

撫順市是一座以燃料、動力、原材料工業(yè)為主的綜合性重工業(yè)城市，該市曾因采煤工業(yè)著名而有 “煤都”之稱。近幾年來，尤其是自1998年以來，隨著煤礦開采深度的增加，礦震活動頻繁，地表裂縫帶不斷出現(xiàn)，這兩種災(zāi)害給煤礦生產(chǎn)和人民生命財產(chǎn)安全帶來了危害。下面著重討論老虎臺礦區(qū)地表裂縫帶的分布特征、房屋破壞的原因和防治對策。

1 撫順煤田和老虎臺礦區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造背景

撫順煤田包括東露天礦、西露天礦、勝利礦、龍鳳礦和老虎臺礦等5個礦區(qū)或井田區(qū)，該煤田處在中朝準(zhǔn)地臺東北部，所屬的三級、四級地質(zhì)構(gòu)造單元分別稱鐵嶺—靖宇臺拱和撫順凸起，煤田所在地是長期處于上升剝蝕的地區(qū)，撫順煤田實際上處在凸起上的新生代斷陷盆地內(nèi)，該盆地自中生代開始發(fā)育，新生代強烈下陷。在盆地內(nèi)所出露的地層有太古界鞍山群變質(zhì)巖系、中生代白堊系砂頁巖夾火山巖和老第三系煤系。該煤系自下而上可分為古新統(tǒng)老虎臺組、始新統(tǒng)栗子溝組和古城子組，總厚度876m，煤系地層均分布在渾河以南。從地質(zhì)構(gòu)造上看，撫順煤田位于東西向延伸的帶狀向斜內(nèi)，與向斜構(gòu)造伴生的是北東東向渾河斷裂。該斷裂穿切了向斜北翼，由兩條近乎平行的斷裂組成，北支稱F1A，南支稱F1。F1A規(guī)模較大，傾向北，傾角70～80°，上盤為太古界變質(zhì)巖系，下盤為白堊系，屬沖斷裂；F1斷裂傾向北，傾角52～68°，上盤為白堊系，下盤為第三系煤系，為逆斷裂［1］。

老虎臺礦位于撫順煤田東部，處在西露天礦和龍鳳礦之間，北界為F1斷裂，東西長約4.8km，南北寬2km，面積9.8km2。礦區(qū)中部發(fā)育東西向、南緩北陡的不對稱向斜，礦區(qū)的東、西、北三面分別被不同方向的斷裂所圍限①撫順礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，煤炭科學(xué)研究總院撫順分院，虎臺煤業(yè)分公司沖擊地的發(fā)生與防治，2002.。據(jù)統(tǒng)計，老虎臺礦區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育，共有14條規(guī)模不等的斷裂，主要有NE向和NW向兩組，大部分是正斷層，少部分為逆斷裂（圖1）。長期開采煤礦一般都會引起地面沉陷，下面所稱的采沉區(qū)實際包括老虎臺礦區(qū)和周邊的開采影響區(qū)。

圖1 撫順煤田老虎臺礦地質(zhì)構(gòu)造圖Fig.1 The geological structural map of Laohutai Coal Mine in Fushun coalfield

2 采沉區(qū)及地表裂縫帶的分布特征

采煤沉陷區(qū)的大小與開采范圍和深度有直接關(guān)系［2］。老虎臺礦的開采沉降邊界經(jīng)過多次變更，后來確定為西自永寧街以東100m，東至市二糧庫西側(cè)圍墻，北自公園五路、榆林四路，南至東露天礦北幫，形成閉合的環(huán)形，面積約11km2。從實際情況來看，沉降區(qū)的北界已到渾河南路以南，與原來劃定的北界相比，向北移動了近200m。所以，開采影響區(qū)的范圍要大于老虎臺礦區(qū)的面積。

在采沉區(qū)內(nèi)存在一些呈線狀展布的地表裂縫帶，能說明這些裂縫帶存在的依據(jù)是：

（1）在采沉區(qū)內(nèi)出現(xiàn)地面塌陷坑。2000年1月22日在榆林苗圃附近的青年路出現(xiàn)了階梯狀斷陷，到25日以后形成了一個長約60m、寬40m、深15m的大塌坑，其長軸方向近東西，與青年路大體平行，該陷坑的形成與地表裂縫帶有關(guān)。

（2）短水準(zhǔn)形變測量資料證實，在有斷裂通過的測線上下沉量特別明顯。有關(guān)部門在撫順的西三、永寧、安康、略陽、榆林和水溝等處布設(shè)了6條短水準(zhǔn)測線，觀測結(jié)果表明，凡是下沉量較大的地方，一般都是F1A斷裂和其它斷裂通過的地段（圖2）。在榆林測線上F1A附近的沉降量為380mm，平均下沉速率達(dá)110mm／a。這種現(xiàn)象說明，采沉區(qū)內(nèi)原有的斷裂在局部應(yīng)力場的作用下，有重新 “復(fù)活”的跡象，地表裂縫帶可能由非構(gòu)造的應(yīng)力場作用沿原有斷裂面重新產(chǎn)生。

圖2 老虎臺礦采沉區(qū)短水準(zhǔn)測線高差變化曲線Fig.2 Curves of the short leveling measuring line altitude different changes in Caichen area of Laohutai Coal Mine

（3）人工淺層地震的探測結(jié)果證明，采沉區(qū)內(nèi)有些斷裂已錯切了基巖上的第四系覆蓋層，地表裂縫帶的產(chǎn)生與斷裂關(guān)系密切［3］。為了解地表裂縫帶與原有斷裂的關(guān)系，專門在公園街、安康街、扶鳳街、略陽街和市電子儀器廠等地布設(shè)了人工淺層地震測線，在測線上共發(fā)現(xiàn)有10多個切入第四系地層內(nèi)部的斷點（圖3），說明沿原有斷裂面活動的時代較新。將這些斷點連結(jié)起來共有3條近東西斷裂，分別稱F1A、FB和FC斷裂（圖4）。F1A是渾河斷裂的組成部分，其它兩條斷裂與F1A平行，長度均在2km以上，屬于F1A的次級斷裂。

圖3 人工淺層Fs－5測線顯示F1A斷裂錯切了第四系地層Fig.3 The Fs－5 measuring line of artificial shallow shows that the F1Arupture dislocated the quaternary stratum

圖4 撫順老虎臺礦地表裂縫帶與建筑物破壞點分布圖Fig.4 The distribution of the earth surface crack belts and the breakdown points of the buildings in Fushun Laohutai Coal Mine

由于發(fā)現(xiàn)斷裂的場地處在渾河一級階地上，第四紀(jì)沉積物應(yīng)屬全新世至晚更新世，按斷裂活動性分類的定義屬 “活動斷裂”。不過在沉陷區(qū)以外，也布設(shè)了人工淺層地震測線，這些地區(qū)的F1A斷裂均未穿切上覆的第四紀(jì)地層，說明斷裂在第四紀(jì)沒有活動。前述復(fù)活的斷裂僅分布在采沉區(qū)以內(nèi)，而且與地表裂縫帶的位置相一致。以上事實說明，地表裂縫帶在采沉區(qū)內(nèi)確實存在，其分布受原有斷裂控制，分析是由采空區(qū)導(dǎo)致的不均勻沉降造成了以斷裂為主要滑動面的地表裂縫帶。

3 地表裂縫帶危害性調(diào)查及災(zāi)害形成原因分析

3.1 建筑物破壞情況調(diào)查

地表裂縫帶所造成的危害除了使地面開裂、沉陷外，主要是對建筑物造成了不同程度的破壞，破壞的形式是房屋傾斜、地基下沉和房墻開裂等。據(jù)不完全統(tǒng)計，在老虎臺礦北緣的榆林地區(qū)遭受破壞的房屋有40多幢，均分布在前述的三條斷裂上（圖4）。下面介紹比較典型的破壞現(xiàn)象。

（1）撫順礦務(wù)局宿舍為7層磚混結(jié)構(gòu)樓房，建于2000年，該樓房處在F1A斷裂上。建房不久，在一單元南西縱墻上出現(xiàn)向東傾斜的雁行裂縫，這些裂縫均出現(xiàn)在兩窗之間，單條裂縫長1.5m，寬2cm（圖5）。

圖5 F1A斷裂上礦務(wù)局宿舍樓房前墻出現(xiàn)雁行裂縫Fig.5 The echelon fissures appeared on the front wall of mineral bureau dormitory building on F1AFault

（3）榆林三街22－7號為石油二廠90年代建的單層廠房，由于受FC裂縫帶的影響，廠房后墻出現(xiàn)一條從房頂?shù)降孛娴拇怪绷芽p，長3m，寬2～3cm（圖7）。該廠房的山墻也嚴(yán)重開裂，以致被廢棄。

圖7 FC斷裂上石油二廠的單層廠房出現(xiàn)垂直向裂縫Fig.7 A vertical crack appeared the bungalow of No.2 petroleum plant on FCFault

采沉區(qū)內(nèi)有破壞的40多棟房屋均分布在“斷裂活動”引起的地表破裂帶上。這種現(xiàn)象說明，建筑物的破壞與地表裂縫帶緊密相關(guān)。

3.2 災(zāi)害原因分析

分析建筑物的破壞現(xiàn)象可以看出，在空間上遭受破壞的房屋均集中在采沉區(qū)北緣，尤其是局限在原有斷裂 “復(fù)活”后產(chǎn)生的地裂縫帶

圖6 FB斷裂上略陽街5號樓遭受破壞的4個單元已被拆除Fig.6 The four destroyed units of No.5 building on Lueyang Street have been dismantled on FBFault

（2）略陽街5號樓是2000年建的7層樓房，共有4個單元，一層為鋼砼框架結(jié)構(gòu)，二至七層為磚混結(jié)構(gòu)，由于該房處在FB裂縫帶上，致使靠北的第二單元房墻開裂，基礎(chǔ)下沉，無法居住被迫拆除（圖6），該樓附近的圍墻下沉，使墻體出現(xiàn)了寬達(dá)10cm的裂縫。上。由于斷裂規(guī)模較大，破碎帶較寬，使得沿斷裂產(chǎn)生的非構(gòu)造地裂縫規(guī)模較大，破壞強烈。從破壞形式看，墻體上多為垂直裂縫和單側(cè)傾斜的雁行裂縫，而與水平力作用下的 “X”型裂縫有明顯差別，說明房屋破壞由垂直力作用引起，另外，房屋的破壞過程是漸進(jìn)式的，破壞作用可持?jǐn)?shù)月甚至1－2年，與地震瞬間作用造成的破壞有明顯不同。

分析以上現(xiàn)象可以看出，采沉區(qū)內(nèi)房屋破壞的直接原因是源于地表裂縫帶的活動，即裂縫兩側(cè)不均勻的沉降。沉降則由采空區(qū)導(dǎo)致的非構(gòu)造性地裂縫在原有斷裂面上的重新 “復(fù)活”引起。從更深層次的原因看，房屋的破壞則與地下開采煤礦有關(guān)。與露天開采相比，地下開采對地面的破壞作用較大，這種破壞力主要來自采深水平以上那部分巖體強大的重力勢能，其次來源于與開采區(qū)位置有關(guān)的周圍巖體的彈性勢能，當(dāng)巖體內(nèi)部開拓出具有一定規(guī)模的空間后，重力勢能將轉(zhuǎn)化為使巖體變形和破壞的功。斷裂的存在使原有巖體的連續(xù)性發(fā)生破壞，因開采形成的局部應(yīng)力使巖體相對位移加速，從而產(chǎn)生了地表裂縫。所以，我們可以將采沉區(qū)建筑物的破壞過程作如下歸納，即地下開采造成原有巖體失穩(wěn)，在斷裂處巖體變形加速并產(chǎn)生地表裂縫，地表裂縫的位移和沉陷導(dǎo)致上部建筑物破壞。

4 防治災(zāi)害對策

采沉區(qū)建筑物的破壞經(jīng)歷了一個較為長期的作用過程，相對于許多突發(fā)性災(zāi)害，這種災(zāi)害的防治比較容易，經(jīng)初步研究，主要的防治對策有以下幾個方面：

（1）以采煤工業(yè)為主的城市有相當(dāng)多的建筑物處在采沉區(qū)或者采沉影響區(qū)，然而真正發(fā)生破壞的房屋只是少數(shù)，即使在采沉區(qū)，大多數(shù)建筑還是安全的。出現(xiàn)破壞的建筑毫無例外的地處在地表裂縫帶上。所以，只要能準(zhǔn)確地勘察到采沉區(qū) “復(fù)活”斷裂的準(zhǔn)確位置，在設(shè)計施工時采取避讓措施，則完全可以避免建筑物發(fā)生破壞，這是比較簡便和易行的防治方法。

（2）地形變測量可以確定斷裂的準(zhǔn)確位置，雖然在撫順布設(shè)了一些測線，但數(shù)量和長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，測量精度也有待提高，加強市區(qū)，尤其是沉陷區(qū)地形變測量，找出有與地裂縫有關(guān)的隱伏斷裂，也是一種避免災(zāi)害的有效途徑。

（3）有些規(guī)模較小的裂縫帶不一定能準(zhǔn)確探測到，為了避免建筑物發(fā)生破壞，對擬建的建筑物可以采用預(yù)留縫的辦法，將長墻變?yōu)槎虊?，將跨度大的建筑變?yōu)槎痰慕ㄖ?，避開地表裂縫，以避免因墻體或建筑物過長而造成的破壞。

（4）在采沉區(qū)搞建設(shè)，對新建工程可采取避讓措施，但是，對在裂縫帶上已建成的房屋，如何采取防治措施則是一個更為現(xiàn)實的問題。減輕或預(yù)防這類災(zāi)害的工程對策可以考慮以下幾個方面：

①采用基礎(chǔ)隔震技術(shù)，基礎(chǔ)隔震技術(shù)是比較成熟而且有效的抗震措施。它的基本原理是在結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)部位加層橡膠支座，這種支座的水平剛度小，允許結(jié)構(gòu)作有限度的運動。支座使垂直剛度加大，可以保證垂直荷載的有效傳遞。隔震結(jié)構(gòu)體系水平方向自振周期加長以后，可以避開與天然地震或礦震發(fā)生共振。因為處在裂縫帶上的房屋已經(jīng)破損或者有可能破損，如果疊加有礦震或者天然地震的影響，后果將十分嚴(yán)重，利用基礎(chǔ)隔震技術(shù)對防止已有建筑進(jìn)一步破壞有很大作用①中國地震局工程力學(xué)研究所，撫順市新?lián)釁^(qū)站前73－1等房屋傾斜，裂縫原因分析與治理方案項目研究報告，2001.。

針對地裂縫帶上已破壞的房屋，可采用調(diào)高支座結(jié)構(gòu)體系的辦法，以加大底梁和承臺梁之間的空間，而且在底梁和承臺梁之間采用雙面配筋，對已經(jīng)發(fā)生傾斜的房屋，可以同時用幾個千斤頂同步將房屋扶正，在支座頂面加薄鋼板墊，以保證樁基礎(chǔ)和承臺梁繼續(xù)傳遞應(yīng)力。將房屋扶正后，同時開始加強監(jiān)測，一旦出現(xiàn)新的傾斜，則及時采取措施予以校正。

②利用抗震加固技術(shù)。根據(jù)已有的工程經(jīng)驗，有兩種方法可用于已破損房屋的加固，即采用基礎(chǔ)托換加隔震墊和纖維布加固法，如果近地表裂縫的房屋已發(fā)生破壞或者即將破壞，那么就可以將基礎(chǔ)托換加隔震墊和纖維布技術(shù)單獨或結(jié)合使用。

③采用修補技術(shù)。當(dāng)已受損房屋的主體結(jié)構(gòu)已得到修復(fù)的情況下，對其它受損部位的修復(fù)也顯得十分重要，采用的方法是利用鋼支撐加固法和裂縫修補法，鋼支撐加固要根據(jù)破損情況采取不同的加固措施，總的原則是，要防止樓板不致脫落，保證住戶安全。裂縫修補效果對建筑使用功能有重要影響，以前的裂縫修補主要是采用水泥砂漿填滿抹平，由于水泥砂漿有收縮、漸變的特點，簡單的填滿抹平效果不很顯著，現(xiàn)在對裂縫的修補一般都采用膨脹水泥纖維砂漿抹縫，這樣可以彌補普通水泥砂漿收縮漸變的缺陷，另一方面，膨脹水泥纖維砂漿可以使填補的裂縫更加密實。

5 結(jié)論

通過對撫順老虎臺礦地表裂縫帶成因、房屋破壞原因及防治對策的研究，可以得到以下幾點認(rèn)識：

（1）撫順煤田處在由渾河斷裂所構(gòu)成的新生代斷陷內(nèi)，老虎臺礦區(qū)是煤田的組成部分，該礦區(qū)地層構(gòu)造復(fù)雜，有多組斷裂穿切，但以近東西向斷裂比較發(fā)育，該方向的斷裂是產(chǎn)生地表裂縫帶必要條件。

（2）老虎臺礦的地表縫裂帶主要分布在采沉區(qū)的北緣，目前在3條近東西向的地裂縫帶上已有40多座建筑破損，房屋破壞由地表裂縫帶的位移和沉陷造成，而地表裂縫帶的產(chǎn)生則與地下開采造成的不均勻沉降并沿斷裂帶發(fā)生滑移有關(guān)。

（3）地表裂縫帶上建筑物發(fā)生破壞有兩個原因，一是建筑物跨越了地表裂縫帶，二是地裂縫兩側(cè)有相對位移或下陷。針對這一情況，防治這類災(zāi)害的主要對策是，避開地裂縫帶；對新建工程采取予留縫的辦法；對地裂縫帶上已有的建筑采用基礎(chǔ)隔震技術(shù)、抗震加固技術(shù)和修補技術(shù)等。

［1］李衍久，等.渾河斷裂活動性與撫順市安全性［M］.北京：地震出版社，1994.

［2］盧良玉，等.渾河斷裂現(xiàn)今活動性及撫順城區(qū)段的活動規(guī)律研究［J］.東北地震研究，2001，17（2）.

［3］白云，鐘以章，等.地震S波反射法在城市活斷層探測中的應(yīng)用與效果研究 ［J］.東北地震研究，2001，17（2）：69－74.