張集礦區(qū)地表建筑物破壞多源因素探析

朱小美

（淮南礦業(yè)集團(tuán)張集煤礦，安徽 淮南 232174）

1 張集礦區(qū)地表建筑物破壞區(qū)域概況

1.1 張集礦區(qū)及其采空沉陷區(qū)簡(jiǎn)介

張集煤礦是淮南礦業(yè)集團(tuán)煤業(yè)分公司的現(xiàn)代化主力礦井之一，通過(guò)高定位技改及二期工程的建成，總生產(chǎn)能力提高至1230 萬(wàn)t/a。礦井采用綜采工藝，頂板采用全部冒落法管理，屬于煤層群開(kāi)采、多煤層的重復(fù)采動(dòng)，因此造成地面沉陷延續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、影響程度大。至2019年底，開(kāi)采活動(dòng)已在礦區(qū)范圍內(nèi)形成面積為3737.47 hm2的采空沉陷區(qū)，常年積水面積為2064.93 hm2，下沉深度大于1.5 m 的面積為2466 hm2。采空沉陷區(qū)內(nèi)的住房、學(xué)校、鐵路、公路等基礎(chǔ)設(shè)施及農(nóng)田水利設(shè)施、配套工程等農(nóng)田排灌系統(tǒng)均遭受到不同程度的變形與破壞。

1.2 張集礦區(qū)及其采空沉陷區(qū)周邊活動(dòng)

張集礦區(qū)地處淮河中游，淮北平原區(qū)南部河谷及河間平原區(qū)，區(qū)域地貌類型為河漫灘及河間平地。地勢(shì)平坦，總體趨勢(shì)為西南高、東北低，地面標(biāo)高一般在+21.00～+26.00 m 左右，地勢(shì)溝渠較多，無(wú)大的構(gòu)筑物、建筑物。塘沿村隸屬于安徽省淮南市鳳臺(tái)縣岳張集鎮(zhèn)，位于岳張集鎮(zhèn)政府的南面，村部與張集煤礦北門相鄰，南鄰寺溝村，北接張集村。2019年塘沿村村民不斷反映部分房屋出現(xiàn)開(kāi)裂變形，給日常生活帶來(lái)了重大的安全隱患。

2 張集礦區(qū)地表建筑物破壞現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查

根據(jù)塘沿村反映的部分房屋出現(xiàn)開(kāi)裂變形情況，依據(jù)張集煤礦采煤沉陷預(yù)測(cè)圖，采煤活動(dòng)尚未直接影響到塘沿村，因此，礦方聯(lián)合當(dāng)?shù)卣啻螌?duì)房屋變形破壞程度及現(xiàn)場(chǎng)房屋裂縫、地表裂縫進(jìn)行實(shí)地調(diào)查、核實(shí)，并由技術(shù)人員進(jìn)行地質(zhì)勘查，繪制準(zhǔn)確的井上下對(duì)照?qǐng)D，以獲得地表下沉趨勢(shì)圖等。本次調(diào)查房屋共600 戶，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查鑒定人員對(duì)房屋破壞情況（如裂縫位置、數(shù)量、寬度、長(zhǎng)度等）進(jìn)行詳細(xì)詢問(wèn)并記錄，輔以影像資料論證，實(shí)行一戶一檔，并由戶主及調(diào)查人員最終簽字確認(rèn)。通過(guò)綜合房屋開(kāi)裂變形情況，分類別進(jìn)行梳理，發(fā)現(xiàn)塘沿村部分房屋確實(shí)發(fā)生不同程度的開(kāi)裂變形破壞現(xiàn)象，部分房屋甚至有明顯的往東傾斜現(xiàn)象。塘沿村開(kāi)裂房屋變形形式均為各種裂縫，主要表現(xiàn)在房屋墻角的結(jié)合部、窗臺(tái)、門梁、橫墻、地坪等結(jié)構(gòu)薄弱處，裂縫均在2019年內(nèi)陸續(xù)發(fā)生。主要分布規(guī)律如下。

1）塘沿村房屋建筑物結(jié)構(gòu)大多較簡(jiǎn)易，抗變形破壞能力較弱；調(diào)查的房屋65%為平房，平房均無(wú)地基基礎(chǔ)，樓房一般均有地基基礎(chǔ)，地坪多為水泥地，部分為地板，承重墻主要為磚墻。其中，20年前建成的房屋裂縫最為嚴(yán)重，無(wú)地基的房屋裂縫明顯比有地基的房屋裂縫嚴(yán)重，磚石結(jié)構(gòu)房屋裂縫寬度明顯大于混凝土結(jié)構(gòu)房屋裂縫寬度。

2）斜裂縫是塘沿村房屋開(kāi)裂變形最主要的裂縫表現(xiàn)形式之一，大部分發(fā)生在門窗等薄弱部位，從房屋長(zhǎng)度、高度方向分別看，墻身中部斜裂縫較兩端少，下層墻體斜裂縫比上層墻體斜裂縫多；墻身豎向裂縫也較發(fā)育，裂縫多發(fā)生在建筑物縱墻上，且墻身中部比兩端出現(xiàn)的機(jī)會(huì)多；窗口豎向裂縫一般由窗臺(tái)從上往下發(fā)展，上寬下窄，窗口寬度越大，裂縫寬度越大，并且房屋中部的窗口豎向裂縫較之房屋兩端的窗口豎向裂縫多。

3）部分村民在原基礎(chǔ)上加蓋房屋，開(kāi)裂變形破壞現(xiàn)象尤為嚴(yán)重。并且破壞變形的房屋大都集中在村莊邊緣附近，房屋開(kāi)裂程度也比較嚴(yán)重。

3 張集礦區(qū)地表建筑物破壞因素分析

3.1 采動(dòng)因素分析

3.1.1 預(yù)測(cè)模型

目前，我國(guó)常用的地表移動(dòng)變形計(jì)算方法有典型曲線法、威布爾函數(shù)法、負(fù)指數(shù)函數(shù)法、概率積分法[1]，均能準(zhǔn)確地判別地表建筑物是否受開(kāi)采影響及影響程度。

張集煤礦目前開(kāi)采煤層傾角均小于40°，故采用適宜于小于45°煤層的概率積分法進(jìn)行地表移動(dòng)變形規(guī)律預(yù)測(cè)，更具有參數(shù)確定簡(jiǎn)易、實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[2]。

3.1.2 預(yù)測(cè)參數(shù)

參照我國(guó)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)范》[3]，依據(jù)張集礦區(qū)的地表移動(dòng)實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)，采用概率積分法，確定張集礦區(qū)沉陷預(yù)測(cè)參數(shù)如下：一是下沉系數(shù)η，預(yù)測(cè)參數(shù)值取0.78，若重復(fù)采動(dòng)則取0.91；二是主要影響正切tanβ，預(yù)測(cè)參數(shù)值取1.7；三是水平移動(dòng)系數(shù)b，預(yù)測(cè)參數(shù)值取0.3；四是拐點(diǎn)偏移距S，S1，S2，S3，S4=10 m，H 為采深；五是影響傳播角θ，預(yù)測(cè)參數(shù)值取90°-0.6α，α 為煤層傾角。

3.1.3 預(yù)測(cè)結(jié)果

塘沿村受損房屋均位于張集煤礦東一（2）采區(qū)西側(cè)，采區(qū)內(nèi)已回采的工作面有1121（3）工作面，收作時(shí)間2007年1月；1122（3）工作面，收作時(shí)間2014年8月；1123（3）工作面，收作時(shí)間2019年4月；1122（1）工作面，收作時(shí)間2011年8月。開(kāi)裂房屋的走向同東一（2）采區(qū)系統(tǒng)巷道方向基本一致，距離最近一條系統(tǒng)巷道約560 m。本次預(yù)測(cè)主要是對(duì)靠近村莊的1122（1）和1122（3）的地表移動(dòng)和變形規(guī)律進(jìn)行定量預(yù)測(cè)。

預(yù)測(cè)結(jié)果分析：塘沿村受損房屋距離最近的1122（1）和1122（3）收作線800 m，塌陷傾斜方向?yàn)橄驏|側(cè)傾斜，1122（1）和1122（3）工作面的地表下沉等值線均為非對(duì)稱的瓢形，開(kāi)采后地表塌陷盆地下沉等值線及影響范圍見(jiàn)圖1。其中1122（1）工作面最大下沉值為1.5 m，下沉10 mm 的最外邊緣線距離塘沿村34 m，塘沿村居民區(qū)不在采動(dòng)影響范圍；1122（3）工作面最大下沉值為1.8 m，下沉10 mm 的最外邊緣線距離塘沿村45 m，塘沿村居民區(qū)不在采動(dòng)影響范圍。因此，此次房屋的損壞與張集煤礦的新開(kāi)采工作面沒(méi)有直接關(guān)系。但因2002年6月—2003月2月回采1211（3）工作面，村莊曾受到采動(dòng)影響，最大下沉值為0.1 m，因此村莊邊緣存在拉動(dòng)影響。

圖1 塘沿村受損區(qū)域?qū)?yīng)的井上下對(duì)照?qǐng)D

3.2 地質(zhì)構(gòu)造因素

據(jù)張集煤礦《礦井水文地質(zhì)類型劃分報(bào)告》及區(qū)內(nèi)鉆孔揭露地層資料分析，塘沿村所屬研究區(qū)位于華北平原南緣的淮南煤田，為近東西向的復(fù)向斜構(gòu)造盆地。該區(qū)內(nèi)地層發(fā)育良好，出露地層主要有第四系、三疊系、白堊系、二疊系、奧陶系、石炭系、青白口系、寒武系和下元古界地層，地層出露較全，地層總厚度大于5590 m。據(jù)近期地質(zhì)鉆探揭露土層和工程地質(zhì)條件分析，不易產(chǎn)生區(qū)域內(nèi)巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害，且研究區(qū)內(nèi)第四系土層沉積較穩(wěn)定，并無(wú)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及其他有異現(xiàn)象；研究區(qū)地處淮北平原區(qū)南部河谷及河間平原區(qū)，地勢(shì)平坦，地面以農(nóng)作物為主，不會(huì)發(fā)生滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害；同時(shí)依據(jù)《鳳臺(tái)縣志》記載，近代以來(lái)該縣各地區(qū)未發(fā)生過(guò)較大地震。總體來(lái)看，研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)情況較為穩(wěn)定，但水文地質(zhì)條件受區(qū)域構(gòu)造及新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的控制，深層地下水、淺層地下水存在明顯的差異。

3.3 地下水抽排因素

3.3.1 生活用水

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、走訪，研究區(qū)內(nèi)50%村民家中和沿街門店均有水井（設(shè)有抽水的小型自吸電泵，流量3 m3/h，揚(yáng)程60～120 m），水井深約20 m。住戶均反映自2019年初，水井開(kāi)泵至出水約2～3 min，目前水井開(kāi)泵至出水約5～7 min。且從6月開(kāi)始，水井水質(zhì)較差，有黑灰等雜質(zhì)。調(diào)查還發(fā)現(xiàn)該村存在9 個(gè)井深均不低于150 m 的水源井，主要通過(guò)加壓抽取深層裂隙巖溶水，為深水井，但水質(zhì)、泵水時(shí)間等無(wú)明顯變化。分析表明：淺層地下水水位因抽水使用，已開(kāi)始出現(xiàn)水位下降，從而導(dǎo)致砂層、黏土層不均勻沉降。另外受2019年臺(tái)風(fēng)“利奇馬”影響，鳳臺(tái)縣區(qū)域降雨量較往年同期減少近70%，無(wú)降水日數(shù)高達(dá)74 d，已成為近40年來(lái)最嚴(yán)重的伏秋旱。因此，淺層地下水過(guò)度使用和淺層地下水含水層補(bǔ)給量不足造成的不均勻沉陷是造成房屋開(kāi)裂的原因之一。

3.3.2 工業(yè)用水

張集煤礦生活用水系統(tǒng)利用埋深90～120 m 的孔隙承壓水作為供水水源，水源井位于工業(yè)廣場(chǎng)內(nèi)部，井深182.82 m，深入奧陶紀(jì)灰?guī)r100.82 m，地下水開(kāi)采量為9589 m3/d。通過(guò)對(duì)張集煤礦含水層鉆孔探析，目前抽取第四系孔隙承壓水對(duì)上覆淺層地下水、區(qū)域總地表水資源量及水環(huán)境均無(wú)直接影響。因此，對(duì)塘沿村居民生活用水及淺層地下水水位地層基本沒(méi)有影響。

礦井受開(kāi)采破壞的含水層主要為二疊系砂巖裂隙含水層，富水性較弱，單位涌水量為0.000655～0.039000 L/（s·m）。自然狀態(tài)下，煤系砂巖裂隙含水層與上覆松散含水層和太原組灰?guī)r之間無(wú)水力聯(lián)系。但隨著煤炭開(kāi)采，礦井的疏排水活動(dòng)促使自然水力場(chǎng)發(fā)生改變，從而導(dǎo)致砂巖裂隙含水層產(chǎn)生隆起處，并與松散砂層形成直接接觸區(qū)，進(jìn)而產(chǎn)生水力聯(lián)系。采用裘布依承壓-無(wú)壓水公式進(jìn)行計(jì)算，可得張集煤礦礦井疏排水活動(dòng)影響半徑約為890 m，因此此次塘沿村開(kāi)裂變形破壞房屋均處于其影響范圍之外。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)張集礦區(qū)塘沿村地表建筑物開(kāi)裂變形多因素分析，結(jié)果表明：房屋開(kāi)裂變形是由多因素共同造成的，其中年度淺層地下水層補(bǔ)給不足是導(dǎo)致地表房屋開(kāi)裂變形的自然因素；地下水過(guò)度抽排導(dǎo)致地面沉陷、村莊房屋結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗變形能力差、未處理直接作為基礎(chǔ)持力層的地基等均是村莊人為因素所致；而村莊邊緣存在已沉穩(wěn)工作面拉動(dòng)影響，則是采動(dòng)因素所致。

礦區(qū)建筑物破壞的因素有很多，與采動(dòng)因素混合在一起時(shí)難以進(jìn)行界定，除了實(shí)地調(diào)查、掌握開(kāi)采沉陷規(guī)律外[4]，還應(yīng)加強(qiáng)礦區(qū)周邊建筑物的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)工作，加強(qiáng)礦區(qū)水源井及礦井疏排水活動(dòng)對(duì)周邊水井動(dòng)態(tài)水位的監(jiān)測(cè)，在即將發(fā)生采空沉陷破壞的村莊區(qū)域設(shè)置警告牌或警戒線。當(dāng)沉陷破壞達(dá)到一定程度時(shí)，應(yīng)及時(shí)考慮補(bǔ)償危房租賃費(fèi)或采用村莊搬遷方式，妥善做好協(xié)調(diào)和補(bǔ)償工作。