開采影響下侯村建筑物異常損壞原因分析

陶海亮，李雪強

(天安煤業(yè)股份有限公司，河南平頂山467000)

當井下開采達到一定范圍之后，開采空間將傳遞到地面，使之產生沉陷和變形。在地面沉陷和變形的影響下，地表建筑物會產生不同程度地破壞。開采引起的地面建筑物損壞情況早就引起了廣大專家學者的注意，也開展了許多建筑物開采損害方面的研究工作［1－2］。目前，采用移動角和邊界角評價開采影響范圍的方法已寫入《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》中［3］，另外，數(shù)值模擬法、理論分析法等也被應用于建筑物開采損害評價中［4］。但是，在應用這些方法評價平頂山礦區(qū)襄城縣十里鋪鄉(xiāng)侯村開采影響損壞情況時，出現(xiàn)了較大偏差，給工農關系處理帶來了較大的不便。本文主要針對侯村區(qū)域建筑物開采損壞的特殊原因進行分析。

1 研究區(qū)域基本情況

1.1 村莊概況

侯村位于河南省許昌市襄城縣西北8.5km處，十里鋪鄉(xiāng)西南方向。全村分為侯東村和侯西村2個行政村委會，東西長1km多，面積約0.5km2，耕地240hm2。人口近7000人，約1500戶。區(qū)域建筑物多樣，村莊內部多為磚混結構及土坯結構老房，村莊外圍區(qū)域多為磚混結構平房和二層樓房。

1.2 工作面開采情況

平煤集團十三礦己一采區(qū)和己二采區(qū)位于礦井東翼第一水平侯村區(qū)域，主采二迭系山西組己煤組二1(己15－17)煤層，煤層采厚5.8m左右，采用雙翼后退式仰斜長壁綜放一次采全高和分層開采2種方法，其中己一采區(qū)在侯村周邊區(qū)域有11020，11022等工作面，己二采區(qū)在侯村周邊有12010，12011，12012，12031和12032等工作面，工作面開采深度從北向南逐漸由220m過渡到350m，各工作面與村莊對應關系如圖1所示。

圖1 村莊與工作面位置關系

2 基于傳統(tǒng)理論的開采影響范圍劃分

2.1 開采影響范圍的計算和劃定

根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》中的規(guī)定，該區(qū)域在劃定開采對村莊影響范圍時采用移動角進行圈定。在劃定的開采影響范圍內的建筑物會產生Ⅱ級及Ⅱ級以上的破壞。在邊界角與移動角之間的建筑物可能會產生Ⅰ級破壞，建筑物會出現(xiàn)不超過4mm寬的裂縫，不影響建筑物的正常使用?，F(xiàn)場在處理工農關系時，為照顧村民利益，避免產生糾紛，通常采用邊界角來劃定開采影響范圍。

平頂山礦區(qū)從上世紀50年代起就建立了地表巖移觀測站，陸續(xù)建立20多個觀測站，有50條觀測線，其中走向21條，傾向29條，觀測資料比較豐富。根據(jù)觀測資料，結合平頂山礦區(qū)地質采礦條件，建立了適用于平頂山礦區(qū)的開采影響移動角和邊界角計算公式:

走向邊界角:

上山方向邊界角:

下山方向邊界角:

走向移動角:

上山方向移動角:

下山方向移動角:

上述各式中，h為沖積層厚度;α為煤層傾角;m為開采厚度;H0為平均采深;H1為下山方向采深，H2為上山方向采深。

結合平煤集團十三礦己一和己二采區(qū)各工作面采深及沖積層情況，按照上述公式可得到本研究區(qū)域煤層開采引起的地表移動角及邊界角，詳見表1。

表1 平煤集團十三礦己一采區(qū)邊界角及移動角(一般規(guī)律)

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)對開采影響的范圍進行了計算，得到的計算結果如圖2所示。

圖2 基于一般規(guī)律的開采影響范圍計算

2.2 開采影響范圍外建筑物破壞情況

依據(jù)劃定的開采影響范圍，平煤集團對受開采影響的建筑物進行了補償處理，但在開采影響范圍外的區(qū)域 (圖2中區(qū)域A)的建筑物出現(xiàn)了明顯的破壞。對該區(qū)域建筑物進行抽樣調查，調查得到的建筑物破壞情況描述如表2所示。

從表2和現(xiàn)場調查建筑物破壞情況中可以看出，調查區(qū)域民房破壞程度均較小，僅一處建筑物達到了Ⅱ級破壞，其余建筑物破壞程度均不超過Ⅰ級。建筑物裂縫分布基本處于門上窗下等結構薄弱部分，裂縫形態(tài)與開采影響裂縫保持較好的相符性［5］。

表2 侯村民房損壞情況現(xiàn)場調查

現(xiàn)場調查表明，區(qū)域不存在不良地基條件，也不存在大面積抽排水等因素的影響，初步認定區(qū)域建筑物破壞與井下開采活動相關。

3 引起村莊異常破壞的原因分析

3.1 煤層露頭對開采影響范圍的影響

研究區(qū)域位于煤層露頭區(qū)，開采對煤層露頭影響分析如圖3所示。

圖3 開采對煤層露頭影響

從圖3中可以看出，采空區(qū)上方巖層在向采空區(qū)垮落和彎曲的過程中，位于煤層露頭一側的巖層由于缺少周邊巖層的約束，除垮落和彎曲之外，還會向采空區(qū)一側產生滑移，導致在煤層露頭區(qū)域產生附加空洞區(qū)域，這部分附加空洞區(qū)域通過沖積層向地表傳遞時，對地表的影響范圍要顯著大于不受煤層露頭影響的區(qū)域［6］。

針對侯村區(qū)域，煤層露頭的影響主要體現(xiàn)在開采在上山方向，即村莊的北部區(qū)域的影響范圍有所擴大，上山方向移動角和邊界角有所減小。

3.2 斷層對開采影響范圍的影響

當研究區(qū)域存在斷層，且開采活動擾動到斷層時，斷層的存在會顯著地改變開采移動變形在巖層中的傳遞［7］，導致地表出現(xiàn)異常破壞情況。開采影響下斷層活化和滑移引起的地表損壞情況在全國各地屢有發(fā)現(xiàn)［8］。受斷層影響，開采影響區(qū)地面建筑物可能產生劇烈破壞，路面出現(xiàn)臺階狀破壞，破壞呈條帶狀分布等特點［9］。但是，平煤集團十三礦侯村區(qū)域由于基巖較薄，沖積層較厚，開采引起斷層活化導致的地面破壞并未呈現(xiàn)出條帶分布的臺階狀破壞，反而表現(xiàn)在開采影響范圍擴大，但破壞程度并未劇烈增加。以F6斷層為例，進行開采擾動下斷層活化對地表的影響分析。

F6斷層傾角77°，落差52m，11022工作面開采會擾動到該斷層。11022工作面開采擾動F6斷層示意如圖4所示。

圖4 開采對F6斷層影響

從圖4中可以看出，11022工作面開采后，按照移動角劃定開采影響邊界，該影響邊界會擾動到F6斷層，引起F6斷層產生活化和滑移，從而在斷層露頭處，即斷層與基巖面交界處出現(xiàn)臺階狀空洞。但是，由于此區(qū)域沖積層較厚，該臺階狀空洞區(qū)域并不會直接傳遞到地表，在地表形成塌陷坑。該空洞區(qū)域在向地表傳遞時，以一種類似煤礦開采采空區(qū)的形式向地表傳遞，最終形成一個影響范圍遠大于沒有斷層存在狀態(tài)下的沉陷盆地。在侯村區(qū)域，即表現(xiàn)在開采在侯西村西北部的影響范圍要遠大于不存在斷層時的影響范圍。

3.3 厚沖積層對開采影響范圍的影響

由于侯村周邊工作面均接近煤層露頭區(qū)，區(qū)域基巖較薄，第四系沖積層較厚，基巖厚度約70m，沖積層厚度約180m。區(qū)域地質采礦條件具有典型的薄基巖厚沖積層特點。

淮南礦區(qū)和開灤礦區(qū)實測資料表明，在薄基巖厚沖積層礦區(qū)，地表移動觀測站經常無法測到邊界點，房屋受采動影響范圍大于《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》中實測邊界角影響范圍，采用傳統(tǒng)邊界角無法準確確定開采影響范圍。

研究表明，在松散層厚度遠大于基巖厚度的開采條件下，綜合移動角和邊界角會明顯小于《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》規(guī)定的角值。同時，地表水平移動范圍要遠大于地表下沉范圍，因此在薄基巖厚沖積層區(qū)域確定開采影響邊界角和移動角時，應在礦區(qū)非厚沖積層區(qū)域實測資料或在《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》規(guī)定的最小邊界角和移動角的基礎上減小5～10°［10］。

3.4 開采影響村莊范圍確定

綜合考慮斷層、沖積層及煤層露頭的影響，可得到平煤集團十三礦己一和己二采區(qū)在侯村區(qū)域的移動角和邊界角，如表3所示。其中，根據(jù)斷層的落差、傾向和傾角等因素，F(xiàn)6斷層以西部分考慮斷層滑移的影響，F(xiàn)6斷層以東部分不考慮斷層的影響。

表3 侯村區(qū)域開采影響邊界角及移動角

采用上述確定的邊界角數(shù)據(jù)對2個采區(qū)工作面開采影響范圍進行計算，計算及劃分結果見圖5。

圖5 侯村區(qū)域工作面開采真實影響范圍

從圖5可看出，村莊西北區(qū)域建筑物位于己一和己二采區(qū)的共同影響范圍之內，根據(jù)開采變形特點，在2個采區(qū)工作面雙向拉伸變形影響下，村莊西部建筑物可能產生較為明顯地破壞。其中，在2個采區(qū)共同影響下，移動角影響范圍內的建筑物可能產生超過Ⅱ級變形的破壞。邊界角影響范圍內的建筑物可能產生Ⅰ級變形的破壞，村莊西北部2個采區(qū)多次影響的個別建筑物可能產生Ⅱ級破壞。

4 主要結論

本文針對侯村民房在傳統(tǒng)方法認定的開采影響范圍外產生的破壞現(xiàn)象進行研究，結合現(xiàn)場調查和理論分析，得到如下主要結論:

(1)產生異常破壞區(qū)域的建筑物破壞特征符合開采損壞特征，屬開采影響所致。

(2)區(qū)域的煤層露頭結構、斷層結構和薄基巖厚沖積層構造會導致開采影響范圍的異常擴大，分析計算了考慮區(qū)域特殊地質構造的開采影響范圍。

(3)采用綜合各種因素計算得到的邊界角對開采影響范圍進行了劃分，劃分的開采影響范圍與現(xiàn)場調查的建筑物損壞范圍保持較好的一致性。

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