淺談煤礦采空塌陷區(qū)治理及地表建筑物構(gòu)建對策

王冠群

【摘要】本文主要研究了煤礦井工開采對采空區(qū)上部地層巖體的結(jié)構(gòu)破壞情況，分析主要的破壞特征、地表移動變化，及對上層建筑物的影響，并對煤礦采空塌陷區(qū)的治理和利用，以及地表建筑物的構(gòu)建，提出一些建議和想法，對于煤礦企業(yè)“三下”采煤具有較強的指導(dǎo)作用。

【關(guān)鍵詞】采空塌陷區(qū)；防治；地表建筑；影響分析

part of the formation rock mined-out area of structural damage， the analysis of the main characteristics of the destruction， change of surface movement， and its influence on the superstructure， and the treatment and utilization of coal mined area and construct surface buildings， some suggestions and ideas for the coal mining enterprises of "under three" mining has a strong guiding role.

【Key words】Mining subsidence area；Prevention；Surface Buildings；Impact analysis

1. 當(dāng)前我國煤炭行業(yè)采礦塌陷現(xiàn)狀分析

1.1我國煤炭采礦塌陷現(xiàn)狀分析。我國是世界上產(chǎn)煤最多的國家，探明煤炭儲量3326.4×109t左右。與此同時，我國也是世界上因采煤塌陷面積最大的國家之一。根據(jù)典型調(diào)查和書面問卷調(diào)查，研究人員測算出我國采空區(qū)平均塌陷系數(shù)為0.24（公頃/萬噸），測算直接損失系數(shù)為1～1.5（元/噸），僅2015年我國新增采空塌陷面積就高達(dá)1.3萬公頃，直接經(jīng)濟損失約達(dá)10億元以上。而我國目前因采空塌陷造成的經(jīng)濟損失累計已近600億元。就山東省而言，作為我國煤炭產(chǎn)量較大的省份，根據(jù)今后的煤炭開發(fā)規(guī)劃，省國土資源廳預(yù)計，全省每年將新增采煤塌陷地約5萬畝，采空塌陷災(zāi)害也較為嚴(yán)重。

1.2采礦塌陷對地表建筑影響研究的意義。隨著市場經(jīng)濟不斷發(fā)展，城市化建設(shè)范圍越來越大，受采空塌陷區(qū)的影響，導(dǎo)致土地資源緊迫，為使其得到有效利用，我國籌建在礦藏采空區(qū)內(nèi)建設(shè)各種建筑物。而這些區(qū)域由于煤礦開采，導(dǎo)致內(nèi)部巖體活化，穩(wěn)定應(yīng)力平衡性較弱，周圍巖體出現(xiàn)移動、變形等情況，從而導(dǎo)致其巖體上層地表發(fā)生變化，地表建筑物受到影響，使之受到破壞。有關(guān)研究提出：通過對建筑物重量的影響深度和煤礦采空區(qū)中冒落帶具體發(fā)育高度研究分析，來決定采空區(qū)總體穩(wěn)定性及建筑物安全性。

1.3煤炭開采塌陷區(qū)的形成機理及其影響。從原理上看，當(dāng)?shù)叵虏擅簩颖徊沙鲋?，采空區(qū)的頂板巖層在自身的重力和其上覆蓋巖層的壓力作用下，產(chǎn)生向下的彎曲和移動。當(dāng)頂板巖層內(nèi)部所形成的拉張應(yīng)力超過該巖層層抗拉強度極限時，直接層板發(fā)生破碎和斷裂并相繼冒落，接著上覆巖層相繼向下彎曲、移動進(jìn)而發(fā)生斷裂和離層。隨著采煤工作面向前推進(jìn)，受到采動影響的巖層也不斷擴大。當(dāng)采煤層開采擴大到一定時，在地表就會形成一個比采空區(qū)大得多的近似橢圓形的塌陷盆地。此外，因礦區(qū)占用農(nóng)田，使當(dāng)?shù)馗販p少，農(nóng)民就在25°以上陡坡耕作，從而加劇礦區(qū)水土流失。

1.4從表現(xiàn)形式來看，受煤層賦存條件和自然地理位置以及開采技術(shù)等因素的影響，地表沉陷呈現(xiàn)出不同的破環(huán)特征，主要可分為以下四種基本類型：

（1）形成地表下沉盆地。煤礦地下煤層采出后，頂板巖層開始斷裂、冒落，形成冒落帶。冒落帶上部巖層也隨后斷裂，使上部巖層發(fā)生彎曲。當(dāng)影響到地表以后，地表就會從原有標(biāo)高下沉，在采空區(qū)上方形成一個比采空區(qū)面積大的洼地。在下沉盆地形成的過程中，地表原有形態(tài)均發(fā)生不同程度變化，主要是出現(xiàn)坡度，高低以及水平位置的變化，其對耕地的影響主要是產(chǎn)生坡地，積水和凹凸不平等直接造成耕地退化，并且嚴(yán)重的破壞了地表道路，管道、溝渠以及建筑物的正常狀態(tài)，影響人們的正常生產(chǎn)和生活活動。

（2）產(chǎn)生裂縫及臺階。在開采緩傾斜煤層時，在移動盆地的外邊緣區(qū)，由于受水平拉伸變形，地表可能出現(xiàn)裂縫，裂縫的發(fā)生及其寬度、深度與表土的塑粘性大小及表土受到的拉伸變形大小密切相關(guān)。塑性大的粘性土，一般在地表拉伸變形值超過6～10mm/M時才發(fā)生裂縫；塑性小的砂質(zhì)粘土，粘土質(zhì)砂或巖石，但地表拉伸變形達(dá)到2～3mm/M時，就發(fā)生裂縫。地表裂縫破壞了土地的連續(xù)性和自然特性，引起已發(fā)展成為地表耕層土壤水肥下移的通道，給土地耕種帶來了困難，加劇了水土流失。

（3）造成山體滑坡。在山地礦區(qū)，這種局域性大位移的土地破壞經(jīng)常發(fā)生。因地下開采引起巖層移動變形，導(dǎo)致山體因失去穩(wěn)定性，從而在弱面形成滑移，最終造成山體滑坡。山體滑坡造成的危害極大，不但直接破壞山地資源，還因其壓占而破壞其周圍的土地的資源，且引起突發(fā)性強，很難預(yù)測預(yù)防。

（4）出現(xiàn)塌陷坑。對于開采厚煤層的煤礦，大面積的采空區(qū)地面下沉就會形成塌陷坑式破壞，就會大幅度地改變原有地形地貌，由于受積水、侵蝕等影響，導(dǎo)致耕地資源易耕性大跌，難以直接有效利用。塌陷坑多出現(xiàn)在極傾斜煤層開采的地區(qū)，但在淺部緩傾斜或傾斜煤層開采時，地表亦可能出現(xiàn)漏斗狀塌陷坑。這種不規(guī)范橢圓形或矩形塌陷坑多發(fā)生于小型煤礦采空區(qū)上方，塌陷坑按其形狀可分為漏斗狀塌陷坑和槽形塌陷坑兩種形式，地表漏斗使地表腐殖土潰入井下或流失，破壞了土地的營養(yǎng)成分。常對地表建筑物產(chǎn)生破壞性影響。

2. 煤礦采空塌陷區(qū)地表建筑物的影響分析及對策

（1）采空區(qū)塌陷對地表建筑物的影響與危害。采空區(qū)塌陷，必須會加劇地表建筑物基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)的變形破壞。一方面，地基變形是造成建筑物損壞、傾斜和事故的重要原因，由于增加了上部載荷，地基承載力和可能產(chǎn)生的沉降變形隨著采空塌陷區(qū)的逐步形成將不斷減弱。另一方面，當(dāng)上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的整體剛度及強度不能適應(yīng)地基變形時，上部結(jié)構(gòu)就遭致裂損，甚至出現(xiàn)建筑物整體倒塌、人員傷亡等嚴(yán)重后果。

（2）地表建筑防范采空區(qū)塌陷危害的應(yīng)對措施。消除采空區(qū)塌陷對地表建筑的危害，一是必須要改良軟弱地基上的工程特性。一般的常用處理方法較多，大體可采用挖除軟弱地基，人工增大土的密度，減少孔隙水壓力加速固結(jié)等方式，加強地表建筑物基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)的抗變形能力。二是必須采用合適的結(jié)構(gòu)形式。在其相同的條件下，上部結(jié)構(gòu)連同基礎(chǔ)的整體剛度愈大，建筑物的差異沉降就越小。選擇結(jié)構(gòu)形式是，對于由于地基變形引起的結(jié)構(gòu)物的整體或局部穩(wěn)定問題必須引起重視。三是對采空塌陷區(qū)內(nèi)的建筑物自建設(shè)施工開始至運營期間，應(yīng)按規(guī)范規(guī)定進(jìn)行變形監(jiān)測。煤礦場地內(nèi)的建筑物自施工及使用過程中，應(yīng)做好相應(yīng)的變形監(jiān)測工作。而變形監(jiān)測中最為常用的就是GPS和全站儀，作為最為先進(jìn)的測量設(shè)備，具有設(shè)站靈活、速度快及精度高的特點，并可提供三維位置信息，可滿足建筑物對變形監(jiān)測的要求。同時還應(yīng)按照相關(guān)規(guī)范來進(jìn)行變形監(jiān)測，并根據(jù)文件中的規(guī)范來操作。四是必須抓好源頭治理，加強采煤塌陷區(qū)整治，從根本上消除危險源。

3. 采煤塌陷區(qū)整治原則與實施目標(biāo)

（1）明確采煤塌陷區(qū)整治原則。抓好采空塌陷區(qū)的治理，應(yīng)堅持“因地制宜，量力而行，典型引路，先易后難，綜合治理，科技先行”的原則。一是要做到因地制宜。采空塌陷區(qū)的治理應(yīng)和經(jīng)濟發(fā)展、城市建設(shè)相結(jié)合、宜林則林，宜草則草，宜水則水，適當(dāng)發(fā)展建筑性用地，以緩解城市用地緊張狀況。二是做到典型引路。成功的經(jīng)驗可以在采區(qū)相同類型的采空塌陷區(qū)進(jìn)行推廣應(yīng)用，先易后難，由淺入深。三是要做到科技先行。充分發(fā)揮科技人員的作用，廣泛開展采空塌陷區(qū)綜合治理技術(shù)研究，是采空塌陷區(qū)治理工作更加規(guī)范化、科學(xué)化。

（2）明確采煤塌陷區(qū)實施目標(biāo)。目標(biāo)管理是煤礦采空塌陷區(qū)治理的有效方法。實施采空塌陷區(qū)整治，應(yīng)采取遠(yuǎn)期目標(biāo)與近期目標(biāo)相結(jié)合，近期目標(biāo)是基礎(chǔ)，遠(yuǎn)期目標(biāo)是方向，重點放在近期實施的重大整治工程上。首先，是近期目標(biāo)。采空塌陷區(qū)近期整治目標(biāo)是選擇條件較成熟，且已具備進(jìn)行整治條件的采空塌陷區(qū)作為整治的重點。其次，是遠(yuǎn)期目標(biāo)。采空塌陷區(qū)遠(yuǎn)期整治目標(biāo)的重點應(yīng)放在新選和新造的排矸、排灰場的治理上，并結(jié)合地下開采程序進(jìn)行有計劃的整治、規(guī)劃設(shè)計，以最小的投資取得最佳的經(jīng)濟效益、生態(tài)環(huán)境效益和社會效益。

4. 采煤塌陷區(qū)的治理和利用方法

（1）塌陷坑填堵。一般用于塌陷坑較淺小時的處理。當(dāng)陷坑內(nèi)有基巖出露時，首先在坑內(nèi)填入塊石、碎石做成反濾層，或采用地下巖石爆破回填，然后上覆粘土夯實。陷坑內(nèi)未出露基石，塌陷坑危害較小時，可回填塊石或用粘土直接回填夯實。

（2）塌陷坑跨越。是用于塌陷坑較大，而回填又困難的陷坑的處理方法。一般以梁板跨越，兩端支承在可靠的巖、土體上，每邊支承長度不小于1.0～1.5米。

（3）地表強夯法。通常的強夯法是把10～20噸的夯錘起吊到一定高度（L～40米），然后讓其自由落下，造成較大的沖擊對土體強力夯實。

（4）充填灌注法。把灌注材料通過鉆孔或巖溶洞口進(jìn)行注漿，其目的是強化土洞或洞穴充填物、填充巖溶洞隙、攔截地下水流、加固建筑物地基。

（5）深基礎(chǔ)柱基。對一些深度較大，同時跨越結(jié)構(gòu)又無能為力的塌陷坑，通常是采用柱基，將荷載傳遞到基巖上。

（6）控制抽排水強度。由于抽排水使地下水位下降，常常造成地面塌陷，礦山井下強排疏干時，影響就更顯著。因此，合理地控制抽排水的強度，是減少塌陷產(chǎn)生的一個重要途徑。

我國是一個耕地資源十分緊缺的國家。抓好煤礦采煤塌陷區(qū)的治理和利用，是節(jié)約土地資源的有效途徑，具有很大推廣價值和發(fā)展前景，必須要堅持科學(xué)規(guī)劃、系統(tǒng)推進(jìn)的原則，綜合施策方可取得良好實效。

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