松散沙層煤礦區(qū)采動影響試驗

劉立忠 李虎民 姜 升

(1.中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.陜西華電榆橫煤電有限責(zé)任公司小紀(jì)汗煤礦，陜西 榆林 719000)

松散沙層煤礦區(qū)采動影響試驗

劉立忠1李虎民2姜 升1

(1.中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.陜西華電榆橫煤電有限責(zé)任公司小紀(jì)汗煤礦，陜西 榆林 719000)

村莊壓煤問題嚴(yán)重制約著村莊密集型煤礦的發(fā)展和生產(chǎn)接續(xù)，亟待解決。目前的解決方法是對涉及到的村莊進(jìn)行搬遷，但這樣做有成本高、用地指標(biāo)緊張和農(nóng)民不愿搬離原址等弊端。因此，充分利用擬沉陷區(qū)進(jìn)行村莊采前就地重建為村莊壓煤問題的解決提供了新思路。通過小紀(jì)汗煤礦抗變形結(jié)構(gòu)試驗房和地表移動變形觀測站，進(jìn)行建筑物變形觀測和地表移動變形觀測，開展采動區(qū)影響和不搬遷開采試驗研究。結(jié)果表明：采取相應(yīng)抗變形結(jié)構(gòu)的民房可以抵抗該礦的采動影響，可以進(jìn)行該地區(qū)的不搬遷開采推廣，具有很好的應(yīng)用價值。

抗變形試驗房 建筑物變形觀測 不搬遷開采 地表移動變形觀測

我國煤礦區(qū)內(nèi)廣布的村莊壓覆著豐富的煤炭資源，煤炭開采后，民房一般都將遭受嚴(yán)重的開采損害，甚至成為危房，使人民群眾的生命財產(chǎn)安全處于威脅之中；而留設(shè)保護(hù)煤柱，又會造成嚴(yán)重的資源浪費。村莊壓煤問題嚴(yán)重制約著村莊密集型煤礦的發(fā)展和生產(chǎn)接續(xù)，亟待解決。目前，在陜北地區(qū)，解決該問題的一般做法是對涉及到的村莊進(jìn)行搬遷，但這樣做有極大的弊端：一是將花費巨大的代價，給煤礦企業(yè)帶來極大的負(fù)擔(dān)，尤其是對于村莊較為密集的煤礦區(qū)；二是由于井田范圍一般較大，搬遷距離遠(yuǎn)，一般在5～10 km，對搬遷農(nóng)戶日后生活和生產(chǎn)帶來極大不便，農(nóng)民不愿遠(yuǎn)地搬遷，工農(nóng)關(guān)系日趨緊張[1]；三是政府沒有足夠多的用地指標(biāo)作為搬遷目的地。因此，充分利用擬沉陷區(qū)進(jìn)行村莊采前就地重建，有較好的市場前景[2-8]。

在煤礦區(qū)進(jìn)行采前就地重建村莊，意味著重建的民房將經(jīng)歷地表沉陷的初始期、活躍期和穩(wěn)沉期變形的全過程，并面臨地表動態(tài)變形和采空區(qū)的威脅，這在技術(shù)上有較大的難度，需要對地基、新建建筑物采取一系列的抗變形技術(shù)措施，才能保障建筑安全[1]。

小紀(jì)汗煤礦位于我國陜北地區(qū)，為沙漠灘地區(qū)，井田內(nèi)村莊廣布，主要涉及的村莊為小紀(jì)汗鄉(xiāng)、岔河則鄉(xiāng)和牛家梁鎮(zhèn)的10個行政村、47個自然村，共計1 988戶、8 411人；其中，井田首采盤區(qū)11盤區(qū)內(nèi)涉及5個自然村，437戶，1 717人。小紀(jì)汗煤礦在井田首采盤區(qū)11盤區(qū)進(jìn)行不搬遷開采，即在村莊原址進(jìn)行采前就地重建，由于涉及村莊及人口多，為安全起見，先在該盤區(qū)的11205工作面上方地表建設(shè)與擬建民房相同的試驗房，進(jìn)行采動區(qū)影響試驗研究。目前，試驗房已經(jīng)經(jīng)歷地表移動變形全過程，試驗房保持完好，安全可靠，可以繼續(xù)居住。試驗證明，采取相應(yīng)抗變形結(jié)構(gòu)的民房可以抵抗該礦的采動影響，并且是經(jīng)歷從采前開始至采動影響結(jié)束的全過程。因此，可以對影響到的村莊進(jìn)行采前就地重建，這樣既不影響當(dāng)?shù)鼐用竦娜粘Ｉa(chǎn)生活，又能解決搬遷投資大、搬遷距離遠(yuǎn)、用地指標(biāo)緊張等難題?？梢詾樵摰貐^(qū)的征遷、搬遷工作提供一個新的思路，為構(gòu)建和諧社會開辟新的方式。

1 試驗房概況與地質(zhì)采礦條件

1.1 試驗房概況

試驗房為一獨棟建筑，位于11205工作面地表中部。建筑層數(shù)為地上2層，局部4層，室內(nèi)外高差300 mm，上部結(jié)構(gòu)體系為磚混，采用抗變形結(jié)構(gòu)建設(shè)，煤矸石墊層處理地基，占地面積為64.08 m2，外墻尺寸最大為長9.6 m，寬7.1 m。

試驗房所在區(qū)域地處毛烏素沙漠與陜北黃土高原接壤地帶，地表為松散沙層，較為平整，地面平均高程為+1 222 m。井田內(nèi)水系不發(fā)育，除東部的榆溪河外，僅東北角有自西北向東南流向的白河。由于植被稀少，夏季多暴雨(日降水量最高65.5 mm)，河水流量變化較大，雨季常猛漲成災(zāi)。試驗房所在區(qū)域距離河流較遠(yuǎn)，不受河流流量變化等影響。

1.2 地質(zhì)采礦條件

小紀(jì)汗井田內(nèi)地表大部分被第四系風(fēng)成沙及黃土所覆蓋。井田內(nèi)地層由老至新依次為侏羅系下統(tǒng)富縣組、中統(tǒng)延安組、直羅組、安定組，白堊系下統(tǒng)洛河組、第四系，斷層及各種構(gòu)造基本不發(fā)育。地層分述如下。

(1)侏羅系下統(tǒng)富縣組：巖性組合復(fù)雜，沉積厚度和巖性變化較大，局部地段被剝蝕，厚度16.73～78.10 m。

(2)侏羅系中統(tǒng)延安組：為井田內(nèi)的含煤地層，巖性主要為粗粒長石砂巖、深灰色泥巖、粉砂巖夾黑色炭質(zhì)泥巖、煤層(線)的沉積組合，厚度214.72～283.77 m，平均244.64 m。

(3)侏羅系中統(tǒng)直羅組：巖性主要為灰白色長石砂巖和灰色、蘭灰色厚層狀泥巖及粉砂巖、狀泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖及褐黃色細(xì)粒長石石英砂巖，試驗房區(qū)域厚度109 m。

(4)侏羅系中統(tǒng)安定組：巖性下部為淺紫紅色中厚層狀中細(xì)粒長石砂巖，上部為紫、暗紫紅色中細(xì)粒長石砂巖夾紫紅、灰綠色粉砂巖和泥巖韻律層，頂部常夾有泥灰?guī)r薄層，試驗房區(qū)域厚度108 m。

(5)白堊系下統(tǒng)洛河組：巖性單一，為紫紅色、磚紅色塊狀中細(xì)粒長石砂巖，試驗房區(qū)域厚度50 m。

(6)第四系：地表多以現(xiàn)代風(fēng)積沙為主，黃土零星出露，試驗房區(qū)域厚度為50 m。

小紀(jì)汗煤礦的主要可采煤層自上而下為2、4-2、5、7號煤層等共4層，采用下行式開采，自2013年8月開始首采2號煤層，平均采厚約為2.6 m，屬穩(wěn)定型中厚煤層，煤層傾角0.5°左右，平均埋深360 m。采用走向長壁綜合機(jī)械化一次采全高采煤法，全部垮落法管理頂板。煤層直接頂板以泥巖、粉砂質(zhì)泥巖為主，次為中—細(xì)粒長石砂巖，少量炭質(zhì)泥巖，直接底板為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，次為泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、細(xì)粒長石砂巖。煤層與其頂?shù)装寰鶠槊黠@接觸。由于2煤層的分布穩(wěn)定，開采時間長，距離下一煤層4-2煤層的開采時間久遠(yuǎn)，因此，本次試驗研究僅考慮2煤層的采動影響。

2 試驗房觀測設(shè)計

試驗房位于小紀(jì)汗煤礦首采的11盤區(qū)上方地表，11盤區(qū)目前已開采工作面為11203、11205和11207工作面，采厚2.6 m，采厚均勻，試驗房位于11205工作面中部上方，所處位置可以保證經(jīng)歷地表最劇烈的變形，其具體位置見圖1。本次試驗研究中，為了更好地研究試驗房的變形情況以及試驗房所在區(qū)域的地表變形情況，分別設(shè)置了建筑物變形觀測點和地表移動變形觀測站。

2.1 建筑物變形觀測點

建筑物變形觀測點一般布置在建筑物的角部、縱墻和橫墻連接處、承重柱和窗間墻的勒腳部位。為了觀測變形縫、緩沖溝受采動影響的變化，在其兩側(cè)設(shè)置觀測點。在可能發(fā)生最大變形處，最大動荷載的周圍以及地質(zhì)條件不利處都應(yīng)設(shè)置觀測點。建筑物每側(cè)上的觀測點不應(yīng)少于3個，相鄰點之間的距離一般為3～10 m，觀測點一般設(shè)置于建筑物墻壁上或基礎(chǔ)圈梁上。同時，在建筑物墻壁點對應(yīng)的外圍地表，設(shè)置土壤點。墻壁點與對應(yīng)的土壤點之間的距離不宜小于建筑物基礎(chǔ)深度，為1.5 m，同時也要盡量布置為一條直線，相鄰點之間的距離大致相等。

圖1 試驗房與工作面位置關(guān)系

考慮到本次試驗研究的試驗房情況，在試驗房布置17個墻壁點，并在對應(yīng)的地表布置17個土壤點，土壤點和對應(yīng)墻壁點之間的距離為1.5 m。建筑物變形觀測點布置見圖2。

圖2 試驗房變形觀測點布置

墻壁點采用φ18 mm的鋼筋做成，全長200 mm，一端做成燕尾或其他形式錨爪；另一端向上彎起，端面要平整并刻劃寬為0.5 mm左右的十字絲。用C20混凝土將測點埋在砌體內(nèi)，如圖3所示。墻壁點布置在鋼筋混凝土柱里時，應(yīng)注意避開受力鋼筋。

圖3 墻壁點埋置示意

土壤點用φ18 mm的鋼筋做成，一段錨固在混凝土中，另一端要平整，刻劃十字絲，并露出墩面10 mm。埋設(shè)的測點必須用經(jīng)緯儀按設(shè)計要求標(biāo)定，并應(yīng)盡可能使觀測點中心位于觀測線的方向上。為了保證觀測點的可靠性，對觀測點采取了一定的保護(hù)措施，使之免遭破壞。

2.2 地表移動變形觀測站

本區(qū)域地勢較為平坦，地面標(biāo)高+1 215～+1 230 m，在11205工作面上方布設(shè)走向觀測線和傾向觀測線各1條，觀測線均設(shè)在地表移動的主斷面上，傾向觀測線全長752 m，共布置工作測點25個，控制點3個；走向觀測線全長1 501 m，共布置工作測點55個，控制點3個，詳見表1及圖1。

表1 11205工作面地表移動變形觀測站基本情況

3 建筑抗變形設(shè)計

3.1 地基加固處理

復(fù)墾區(qū)預(yù)填高主要物料為煤矸石，地基加固主要采用矸石分層回填碾壓處理，大量研究和實踐證明該方法為矸石回填地基處理之最佳方法[1]。開挖至0.000下-3.900 m，原土夯實，使用煤矸石墊層2.0 m厚，外放1.2 m，分層5～6層換填，每層不超過0.4 m厚，含水率8%～12%，并在第3、4層之間加1層厚0.1 m的砂層，并壓實，煤矸石層每層壓實系數(shù)不小于0.95，處理后地基承載力特征值不小于140 kPa。

3.2 基礎(chǔ)抗變形措施

煤矸石地基處理后，在地基和基礎(chǔ)之間鋪設(shè)均勻的碎石墊層，0.1 m厚，基礎(chǔ)采用條形毛石基礎(chǔ)，寬0.6 m，高1.2 m，剖面呈臺階狀，呈三級臺階，單級臺階高0.4 m，寬0.2 m，基礎(chǔ)埋深為1.5 m 。在毛石基礎(chǔ)和基礎(chǔ)圈梁之間設(shè)置水平滑動層，滑動層采用2層油氈中夾滑石粉構(gòu)成?；A(chǔ)圈梁為鋼筋混凝土材質(zhì)，根據(jù)位置不同分370 mm×450 mm、240 mm×450 mm 2種規(guī)格，內(nèi)配置φ6 mm×200 mm的鋼筋。

3.3 上部結(jié)構(gòu)抗變形措施

主要包括檐口圈梁、構(gòu)造柱以及墻內(nèi)的拉結(jié)筋。所有基礎(chǔ)圈梁均設(shè)在同一水平，所有檐口圈梁設(shè)在同一水平，圈梁均形成連續(xù)閉合圈。構(gòu)造柱主要設(shè)在建筑的四角，變形大的區(qū)域、建筑單體相對較長的建筑還設(shè)置了中構(gòu)造柱和雙中構(gòu)造柱，構(gòu)造柱與圈梁整體澆筑，柱兩端鋼筋在圈梁內(nèi)錨固。墻體內(nèi)根據(jù)需要鋪設(shè)拉結(jié)筋，以提高墻的強(qiáng)度。

與基礎(chǔ)相關(guān)聯(lián)的抗變形措施示意圖見圖4。

圖4 抗變形措施示意

4 試驗房觀測成果及影響分析

試驗房以及相關(guān)的觀測點、觀測線自2014年7月建成，8月開始觀測，此時11205工作面的推進(jìn)位置距離最近的觀測點380 m，該觀測點處于臨界不受擾動狀態(tài)。工作面的推進(jìn)速度約為11 m/d，至11205工作面推進(jìn)完畢，持續(xù)觀測時間為136 d。通過對建筑物變形觀測和地表移動變形觀測，總結(jié)分析建筑物的變形和地表移動變形的成果，并從中驗證抗變形建筑物可以抵抗的變形等級。

4.1 建筑物變形觀測成果

建筑物變形觀測由17個墻壁點和17個土壤點構(gòu)成12對觀測邊(見圖2)，先記錄建筑物變形前的邊長和高程初始值，然后按照相關(guān)觀測要求觀測記錄地表移動變形過程中各個邊長出現(xiàn)的最大值，并由此計算地表出現(xiàn)的最大水平拉伸變形值，該變形值相當(dāng)于建筑物地基出現(xiàn)的最大水平拉伸變形值，也即建筑物已經(jīng)抵抗的變形值，其觀測成果整理見表2。

4.2 地表移動變形觀測站成果

在采動過程中，定期重復(fù)地測定地表變形觀測站各測點在不同時期內(nèi)空間位置的變化。地表移動觀測站的觀測工作可分為連接測量、全面測量和單獨進(jìn)行的水準(zhǔn)測量。

表2 建筑物變形觀測結(jié)果

觀測結(jié)束后，進(jìn)行資料整理和成果分析。在進(jìn)行內(nèi)業(yè)整理計算之前，對野外觀測成果再次檢查，然后進(jìn)行各種改正數(shù)的計算和平差計算。觀測成果整理如下：試驗房附近受開采影響最大下沉值為2 039 mm，最大傾斜為10.5 mm/m，位于南北方向；最大水平拉伸變形為4.8 mm/m，位于南北方向，最大曲率為0.08×10-3/m。詳見表3。

表3 試驗房附近地表最大變形值

4.3 影響分析

由建筑物變形觀測可知，建筑物地基經(jīng)受的水平變形拉伸值為3.72～3.90 mm/m；由地表移動變形觀測站成果可知，建筑物附近地表的最大下沉值為2 039 mm，最大水平拉伸變形為4.8 mm/m。建筑物地基經(jīng)受的水平變形拉伸值略小于附近地表的水平拉伸變形值，經(jīng)分析，是由于靠近建筑物時的邊界效應(yīng)引起的。

因此，按照預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)修建的試驗房至少可以抵抗地表下沉為2 039 mm，水平變形拉伸為3.72 mm/m，傾斜為10.5 mm/m，曲率為0.08×10-3/m的地表變形，按照該標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的民房是安全的，可以進(jìn)行該地區(qū)的不搬遷開采推廣。

5 結(jié) 論

(1)建筑物抗變形技術(shù)措施自上而下包括地基加固處理、基礎(chǔ)抗變形措施和上部結(jié)構(gòu)抗變形措施。

(2)通過修建抗變形試驗房來進(jìn)行采動區(qū)影響和不搬遷開采試驗研究，結(jié)果表明：采取相應(yīng)抗變形結(jié)構(gòu)的民房可以抵抗小紀(jì)汗煤礦的采動變形影響，按照該標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)民房是安全的。

(3)在煤礦區(qū)進(jìn)行村莊就地重建的采動區(qū)影響和不搬遷開采試驗研究，在陜北地區(qū)尚無先例。該不搬遷開采方式的推廣，為解決小紀(jì)汗煤礦和本地區(qū)其他煤礦搬遷開采所面臨的征用地與批地困難、百姓不愿搬離原址等問題提供了思路，具有很好的參考和推廣應(yīng)用價值。

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(責(zé)任編輯 徐志宏)

Experimental Study on Mining Influence in Coal Mining Area with Loose Sand Bed

Liu Lizhong1Li Humin2Jiang Sheng1

(1.TangshanResearchInstitute，ChinaCoalTechnologyandEngineeringGroup，Tangshan063012，China;2.XiaojihanCoalMine，ShaanxiHuadianYuhengCoalIndustryGroupCo.，Ltd.，Yulin719000，China)

The development and sustainability of intensive coal mines are restricted seriously by the coal mining under villages，which needed to be addressed.The current method is to relocate the involved villages，but there are some disadvantages such as high cost，lack of land and the residents′ reluctance to move.Therefore，reconstruction of the villagers′ houses before mining in the would-be subsidence area serves as a new way to prevent the coal mining under villages.In Xiaojihan Coal Mine，the observation of building anti-deformation and surface movement are made respectively in the testing building and the observation stations in order to make experimental study on the mining effect and mining without relocation.The result shows that the villagers′ houses with anti-deformation structure could be resistant to the mining influence.It is feasible to make mining without relocation in the mining area with good application value.

Anti-deformation testing building，Building formation observation，Mining without relocation，Surface movement observation

2015-01-28

中國煤炭科工集團(tuán)有限公司科技創(chuàng)新基金項目(編號：2014MS036)。

劉立忠(1983—)，男，助理研究員。

TD325

A

1001-1250(2015)-04-127-05