峰峰礦區(qū)村莊下壓煤開采及房屋損害鑒定技術

李世超

（河北冀中邯峰礦業(yè)有限公司 大淑村礦，河北 邯鄲 056300）

0 引 言

長期以來煤炭資源在我國能源供應中處于主體地位，有力促進了社會和經濟發(fā)展，具有不可替代的作用[1]。我國“三下”壓煤儲量巨大，尤其是建筑物下壓煤約占總壓煤的60%，且主要集中在中東部地區(qū)[2]。冀中能源峰峰礦區(qū)是我國的主要煤炭生產基地之一，目前大部分采煤均涉及建筑物下開采；此外，礦區(qū)內村鎮(zhèn)、工業(yè)建筑、鐵路等壓覆有大量煤炭資源，若無法科學合理地解放“三下”壓煤，將加劇企業(yè)進入衰退期的進程。同時，高強度、大范圍的村莊下采煤活動也會導致工民用建筑物及生產生活設施損壞，嚴重影響礦區(qū)生態(tài)保護和資源型城市的可持續(xù)發(fā)展[3-4]。因此，如何平衡資源利用和建筑開采保護之間的矛盾，成了亟需解決的問題。

目前，減輕或避免開采影響的有效手段是及時開展采前地表沉陷預計和評估建筑物影響工作。曹海崗[5]采用留煤柱限厚開采方式對某變電所下工作面進行試采研究，并結合概率積分法和數(shù)值模擬對地表變形進行預計，最終確定了最佳開采方案；朱尚軍[6]利用三維激光掃描技術對淮南礦區(qū)地表建筑物進行了實時觀測，獲取了沉降盆地內建筑物的移動變形值和損壞等級規(guī)律；郭文兵等[7]針對電視信號鐵塔下安全采煤問題，結合概率積分預計、現(xiàn)場實測等手段分析了采煤引起的鐵塔形變特征，并提出了動態(tài)調斜保護技術，確保了電視信號塔的安全運行；易四海等[8]基于數(shù)值模擬和連續(xù)損傷演化理論，研究了水平變形、采動曲率、傾斜變形對沉陷區(qū)建筑物的影響；趙宇亮等[9]利用概率積分法預計和數(shù)值模擬技術，對蘆溝礦某工作面3 種開采方案下的民房受損情況進行比較，在保證房屋安全的前提下，有效提高了煤炭資源采出率；Falcón 等[10]采用了DHH 程序模擬了西班牙Asturias 礦區(qū)開采過程中的沉陷問題，根據(jù)采集的水準數(shù)據(jù)來計算地表移動變形值，確定其對地表建筑物的影響；Lamich 等[11]研究了8 個教堂由于開采沉陷而引起的變形，提出利用水平傾斜度來確定采礦對建筑物的影響程度。本文立足峰峰礦區(qū)村莊下壓煤嚴重、礦井生產接續(xù)緊張的具體實際，結合礦區(qū)建筑物下采煤的具體案例，介紹建下壓煤開采的思路和方法，闡述對于開采導致地表建構筑物損害的鑒定方式，描述了監(jiān)測新技術在房屋損害鑒定中的應用。

1 村莊下壓煤開采方案設計

開采地下煤炭資源，會打破原始巖體內部的應力狀態(tài)，導致覆巖破斷、垮落和移動變形，當巖體內部的移動變形傳遞至地表時，就會對地面建筑物造成損害。村莊下壓煤開采方案設計的基礎是：①房屋建筑具有抵抗變形的能力；②常規(guī)情況下，因地下開采導致的地表移動變形具有規(guī)律性，可通過一定的方法對地表變形值進行預計。因此，通過預先設定地表移動變形限值，借助于沉陷預計方法，使得開采后引起的地表變形預計值低于設計限值，即可進行壓煤開采方案的設計。

1.1 房屋建筑抗變形能力

（1） 峰峰礦區(qū)村莊概述。

根據(jù)對峰峰礦區(qū)村莊建筑質量調查的結果，村莊建筑依據(jù)建造年代不同分為新房、舊房和老房，公路兩側和村莊外圍多為新房，村莊內部老村址范圍內老房居多。老舊房屋建筑年代一般早于十九世紀70 年代，房屋結構以木石為主，房屋質量差、抗變形能力弱；新房基本為1990 年以后所建，以磚混結構為主，預制空心板頂，有少量混澆頂和二層樓房，建筑質量好、抗變形能力強。

（2） 抗變形指標確定。

國家安全監(jiān)管總局、國家煤礦安監(jiān)局、國家能源局和國家鐵路局2017 年5 月共同頒布的《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)范》，制定了磚混（石） 結構的建筑物破壞（保護）等級標準。當?shù)乇硭阶冃蔚扔? mm/m 時，磚墻上出現(xiàn)寬度小于4 mm 的裂縫，屬于Ⅰ級破壞，此時對受損房屋僅需簡單維修即可，一般來說，房屋承受壓縮變形的能力比承受拉伸變形的能力強，結合礦區(qū)以往“三下”開采經驗，并顧及村莊下采煤的敏感性，確定村莊下壓煤開采時房屋建筑的抗變形指標。

1.2 地表變形預計方法

（1） 預計模型。

概率積分法是目前我國應用最為廣泛、較成熟的預計方法之一[12]，大量的工程實踐表明其適用于峰峰礦區(qū)。該方法在隨機介質理論的基礎上發(fā)展而來，移動的變形預計公式見式（1）[13]。

（2） 預計參數(shù)。

對峰峰礦區(qū)各礦井歷年觀測結果以及綜合分析，選取初次采動時概率積分法沉陷，預計參數(shù)如下：下沉系數(shù)q=0.78，水平移動系數(shù)b=0.3，最大下沉角θ=90o-0.4α，主要影響角正切tanβ=2.50，偏移拐點距S=0.1H。

1.3 開采方案設計

峰峰礦區(qū)在建（構） 筑物下采煤中所采取的技術措施主要為嚴控開采范圍，采用局部條帶開采部分煤柱，從而控制地表沉陷。以大淑村礦六采區(qū)A 村莊煤柱的開采為例進行方案設計說明。矩形區(qū)域為設計開采工作面（平均開采厚度5.0 m），采用1.2 節(jié)選用的預計模型和參數(shù)對擬開采工作面實施開采后的地表變形情況進行預計計算，得到地表變形等值線。其中，下沉等值線如圖1（a） 中曲線所示（因篇幅限制未列出傾斜及水平變形等值線），A 村莊范圍內最大地表變形的統(tǒng)計結果見表1。

圖1 工作面開采設計方案Fig.1 Design scheme of face mining

表1 A 村莊范圍內最大地表變形的統(tǒng)計情況Table 1 Statistics of the maximum surface deformation within A village

基于變形預計等值線，根據(jù)1.1 節(jié)中確定的建筑物抗變形指標，劃定A 村莊在地下煤炭資源采出后房屋建筑損害分布情況，如圖1（b） 所示。

2 開采后房屋損害鑒定

進行村莊保護煤柱內工作面開采，會對房屋建筑造成一定程度的損害，為使受損村民及時獲得合理補償，需要科學合理地界定采動影響程度和民房破壞等級。峰峰礦區(qū)委托有資質的單位，通過現(xiàn)場調查對房屋建筑的損害情況，進行采動損害技術的鑒定工作。

（1） 對村民房屋按戶進行現(xiàn)場勘察測量，繪制各戶自然間分布位置，并測量面積。

（2） 現(xiàn)場調查房屋損壞程度，包含建造時間、房屋結構、損壞情況的具體描述等方面，典型位置和裂縫拍照留存。

（3） 按《規(guī)范》 要求，基于各戶的損害描述，進行各自然間損害等級劃分。

圖2為峰峰礦區(qū)對某村莊進行現(xiàn)場調查后，確定的房屋建筑損害統(tǒng)計情況。

圖2 現(xiàn)場調查劃定的某村房屋建筑損害情況分布圖Fig.2 The distribution map of building damage in a village delineated by field investigation

實踐證明，基于采前沉陷預計的房屋損害統(tǒng)計情況與現(xiàn)場采動后現(xiàn)場調查的房屋損害情況具有一致性。進一步證明峰峰礦區(qū)通過沉陷預計進行開采方案設計和建（構） 筑物采動影響評估的合理性，可為其他礦區(qū)建下采煤提供借鑒。

3 監(jiān)測新技術在房屋損害鑒定中的應用

3.1 監(jiān)測新技術

通過現(xiàn)場調查受損建筑物墻體的裂縫情況，評定煤礦開采引起地表建筑物的損壞等級是目前開展開采損害技術鑒定的主要方式。但這類方法需要對建筑物進行全覆蓋的現(xiàn)場調查，實施難度大，且不易劃定采動影響邊界。

隨著測繪科技的不斷進步，特別是具有高頻率、全天候、面狀監(jiān)測特點InSAR 技術的迅猛發(fā)展，使其在房屋損害技術鑒定工作中逐漸得到應用。其主要應用點體現(xiàn)在以下3 個方面。

（1） 損害原因調查。對于未進入村莊保護煤柱內開采，但地表建筑物卻出現(xiàn)異常損害的情況，可利用InSAR 技術借助于歷史影像“回溯”地表變形的演變特征，分析損害原因。

（2） 影響邊界劃定。InSAR 技術具有毫米級地表形變監(jiān)測能力，基于地表形變的解譯結果，借助于GIS 的空間分析功能，可準確提取10 mm 沉降等值線，進而劃定采動邊界。

（3） 影響程度確定。隨著InSAR 提取地表三維形變方法的不斷研究優(yōu)化，可一定程度上實現(xiàn)對地表傾斜及水平變形的提取，初步確定房屋建筑的采動影響程度。

3.2 InSAR 損害鑒定應用實例

以峰峰礦區(qū)工作面開采對村莊的損害程度進行分析，開采工作面與村莊的空間位置及地表情況如圖3 所示。工作面平均采深為728 m，煤層厚度1.5 m。

圖3 開采工作面與村莊井上下對照位置關系Fig.3 The relationship between the mining face and the village

InSAR 監(jiān)測采用多視精細寬模式的SLC 數(shù)據(jù)（C 波段RadarSat-2），影像分辨率4.6 m×3.1 m（方位向×距離向）；總共6 景影像，時間跨度為2021 年9 月至2022 年4 月。InSAR 解譯方法采用SBAS-InSAR 技術，圖4 為地表形變解譯結果及劃定的采動影響邊界。

圖4 研究區(qū)域內地表垂直形變及變形等值線Fig.4 The vertical deformation and deformation contour of the surface in the study area

4 結 論

（1） 村莊下壓煤開采方案設計的基礎是房屋建筑具有一定的抵抗變形的能力，常規(guī)情況下，開采導致的地表移動變形具有規(guī)律性，可通過一定的方法對地表變形值進行預計。

（2） 介紹了峰峰礦區(qū)進行建下壓煤開采的思路和方法。通過預先設定地表移動變形限值，借助沉陷預計，使得開采后引起的地表變形預計值低于設計限值。

（3） 闡述了峰峰礦區(qū)對于開采導致地面建（構） 筑物損害的鑒定方式，并描述了InSAR 技術在房屋損害鑒定中的3 個主要應用點。本文思路與方法，可為各大礦區(qū)進行建筑物下采煤提供借鑒。