小型煤矿采动影响区房屋地质灾害特征与成因分析

小型煤矿采动影响区房屋地质灾害特征与成因分析

目前，我国按照矿井设计生产能力，将矿井划分为大型、中型、小型三种类型，其中0.3mt/a及以下的矿井称为小型矿井，俗称“小煤矿”。与大型煤矿相比，小煤矿多地处煤层稀薄地带，尤其当小煤矿在急倾斜煤层开采或开采工艺不合理时，易引起地表沉陷、开裂破坏，严重时出现突陷，造成采空区内大批的建筑物等设施遭到严重破坏，严重影响矿区经济的可持续发展。但随着我国煤炭事业的发展，大型煤矿开采后的剩余煤炭量逐渐增加，剩余煤炭同样影响国家煤炭的储量。若因煤层垮落而不将其开采出来，势必会造成煤炭资源的浪费，因此小型煤矿的存在具有其必要性。本文研究区地处原有老矿区，以采老矿区边角煤为主，采区范围内存在有大矿老采空区，采动会引起老采空区“二次沉陷”问题。

1 九二煤矿开采区概况

1.1 地质概况

九二煤矿位于淮南市大通区九龙岗镇境内，区内有小煤矿九龙岗二公司，属淮南矿区煤层赋存边缘地带。经几十年的开采沉陷，矿区及周边地形有了很大变化，塌陷不断形成许多塌陷区。该矿井田东部有断层f7、f8，煤层平均厚度3.5m，煤层倾角平均为70°，为急倾斜煤层。

1.2 开采概况

经过整合技改后的九二煤矿主要可采煤层有7层，目前主采n3和s6煤层，煤层平均厚度分别为4m，煤层倾角平均为70°，为急倾斜煤层，采用小碴假顶采煤法，工作面用风镐和手镐落煤，人工攉煤，根据煤层厚度不同工作面分别采用木支柱和摩擦支柱铰接顶梁支护，机械回柱，全部陷落法管理顶板。

2 房屋地质灾害特征分析

通过走访采空影响区周边居民，拍照、测量和填表等方式获得房屋受损资料，经过统计分析，对照国家煤炭工业局2000年5月26日颁发的《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》划分出开采影响区房屋受损程度。

根据采空影响区135户房屋受本文由论文联盟收集整理损情况调查整理和分类显示，位于采动区盆地边缘的居民房屋出现了不同程度的损毁，涉及面积为118448m2，主要表现为沿煤层开采方向的房屋和地表裂缝发育明显。以九龙岗镇利民村的房屋为例：受拉伸变形影响显著的有65户，受压缩变形影响显著的有42户，受拉伸和挤压变形显著的有28户，大致的点位分布范围是向西为受压变形显著，向东受拉变形显著，于两者之间的房屋是受拉和受压都比较显著的，房屋破坏比较严重。房屋墙体裂缝主要为“东西走向”，地面裂缝主要为“南北走向”，且大致为“南偏西45°”，这与煤层开采方向相吻合。其中，有部分房屋出现“正（倒）八字”现象，房梁与墙体分离现象，这些现象多出现在门头，窗台；房屋墙体呈“菱形”等现象，大部分裂缝及裂隙从地基发育，经墙体、窗口门洞延伸至房顶。由于压缩引起地面鼓起，拉伸引起地基出现裂缝。

从受损建筑物和地裂缝产生的时间上来看，由于该矿区历史开采时间比较久远，存在有老采空区，建筑物和地面有老裂缝存在。但大多数裂缝是近半年时间产生的，这与该矿的井下开采时间和烈度是一致的，所以可以判定为新裂缝是由井下煤层开采引起的。

3 煤矿采动因素分析

由于在急倾斜煤层开采条件下，开采沉陷将引起地表形成塌陷槽和大面积的地表沉陷、开裂破坏，严重时会出现突陷，会造成区内的建（构）筑物设施遭到严重破坏。所以针对急倾斜煤层开采的九二公司矿井，在缺少地面实际监测资料情况下，采用开采沉陷预计方法对已按计划开采的采掘工作面，根据其地质采矿条件，选用适当的预计函数、参数，预计出受此开采影响的地表移动和变形，定量分析采空区地表及建筑物是否受九二公司井下开采沉陷影响及影响程度。

3.1 开采沉陷预计

依据井下测绘及调查结果，对目前采掘工作面迎头位置最靠近矿井东边界，同时也是有可能造成地面建筑物损害的的n3槽煤层-195m水平（240m水平）上三道采场，采用概率积分法进行沉陷预计。预计结果显示：井下开采所引起的地面沉陷涉及面积为118448m2，其最大下沉值为1.6m。沉陷过程中的最大拉伸变形值为+5.12mm/m，地面最大水平移动为+240mm，最小水平移动为-203mm，走向主断面上的最大正曲率变形值为+0.14mm/m2、最大负曲率为-0.26mm/m2，倾斜方向的最大拉伸水平变形值为+2.4mm/m，压缩水平变形值为-1.2mm/m。综合地面显现特征调查结果，参照《规程》中对砖混、土筑的建筑物破坏等级标准，对建筑物受损的数量和损害程度进行分类统计，见表1。

4 其他地质灾害因素分析

4.1 九二矿区区域构造因素

九二矿原有的区域构造形态对采空区沉陷有直接影响。淮南煤田位于秦岭纬向构造带南亚带的北缘，东与新华夏系郯城一庐江断裂反接，西连周口凹陷，北接蚌埠隆起，南邻合肥凹陷。由于原九龙岗矿开采下部a、b、c组煤层，经几十年的开采塌陷，地形有了很大变化，因此会不断塌陷形成许多塌陷区。

4.2 矿区老采空区因素

现有九二矿的采煤工作面是在原有工作面的基础上二次开掘形成的。原采煤工作面在开掘的过程中已经对当地的地质构造造成破坏，形成塌陷区。二次开掘使得原来已经稳定的塌陷区的地质构造再次发生破坏，形成二次塌陷，因此现有的塌陷区面积较广，破坏程度较严重。

4.3 房屋建筑结构和地基稳定性因素

由于九二煤矿地处原报废矿区，当地大多数房屋采用“砖木”结构建造，并且多建造于上个世纪五十年代。“砖木”结构建筑成本较低，但稳定性较差。采煤工作面进行作业时，地下的扰动会延伸至地表，不稳定的“砖木”结构对此反应灵敏，主要表现为房屋地基开裂，裂缝穿过墙体延伸至屋顶，或者墙体呈“拉扯”状裂缝。

从区域地质资料可知，调查区内地质构造较简单；调查区内地基土组成较简单，从本次钻探揭示岩土层可以看出，场地内上部松散层主要由粘性土（上部杂填土除外）组成，下部为二叠系煤系地层（煤岩、粘土岩、砂岩等），整体看土层分布稳定。松散层成因上主要为冲洪积成因，主要为更新统临泉组粘性土，其强度高（fak=240～280 kpa），变形性较小（es=14.0～16.0mpa），作为建筑场地是适宜的，正常情况下不会对上部建筑稳定造成明显影响。

4.4 边坡稳定性因素

在研究区西侧由于采空塌陷形成东高西低的地形特点，人为形成一个边坡，据现场测绘的沉陷区剖面图量算，塌陷坑边坡坡度大约在5°左右。依据《工程地质手册》中土质边坡稳定性分析计算方法，对于土质边坡允许坡度值如表2：

从研究区边坡坡度及场地内地基岩土组成及其物理、力学性质特点可知：研究区内边坡坡度较小（小于5°），且地基土主要为强度高（с值为70kpa、ф值为28°）、压缩性低的老粘土，经分析计算，塌陷坑边坡是稳定的，正常情况下不会造成其上建筑物产生拉裂变形。但随着采空塌陷进一步发展，坡度逐渐变大，同时由于地表水下渗会对岩土体产生软化作用，一定程度上会造成岩土体发生侧向蠕变。

4.5 熔岩构造因素

由于在研究区内不存在明显的碳酸盐岩，且上部松散层厚度较大（通常大于20m），调查区内不存在岩溶塌陷的危险性。同时由于岩土体赋水性较差，且由于煤矿长期疏干水，地下水位较低，不会产生地面沉降的危险。

5 结束语

5.1 对小型煤矿开采区域因，急倾斜厚煤层开采导致了较大范围的地表变形，采动影响区房屋的变形损害主要由西侧的矿井开采因素所致；采动影响区内其他地质灾害特征不够显著。地质勘探及地质调查表明，房屋受损区的地下为煤系地层，不具备岩溶塌陷地质灾害条件；上部的土层厚度较薄且全部为变形性较小强度高的塑性粘土，不具备因地下水位下降而引起的地面沉降。

5.2 针对小型煤矿开采环境的复杂性，只进行损害后的技术分析是远远不够的，起不到保护当地生态环境的作用。因此，应在小型煤矿开采区域加强老采空区及周边地面和建筑物的地质灾害监测预报工作，并在可能会造成塌陷破坏的区域设立警示线或警示标志。如果损害达到严重程度时，应及时考虑拆除搬迁。