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【摘要】本文主要研究了煤矿井工开采对采空区上部地层岩体的结构破坏情况，分析主要的破坏特征、地表移动变化，及对上层建筑物的影响，并对煤矿采空塌陷区的治理和利用，以及地表建筑物的构建，提出一些建议和想法，对于煤矿企业“三下”采煤具有较强的指导作用。
【关键词】采空塌陷区；防治；地表建筑；影响分析
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. 当前我国煤炭行业采矿塌陷现状分析
1.1我国煤炭采矿塌陷现状分析。我国是世界上产煤最多的国家，探明煤炭储量3326.4×109t左右。与此同时，我国也是世界上因采煤塌陷面积最大的国家之一。根据典型调查和书面问卷调查，研究人员测算出我国采空区平均塌陷系数为0.24（公顷/万吨），测算直接损失系数为1～1.5（元/吨），仅2015年我国新增采空塌陷面积就高达1.3万公顷，直接经济损失约达10亿元以上。而我国目前因采空塌陷造成的经济损失累计已近600亿元。就山东省而言，作为我国煤炭产量较大的省份，根据今后的煤炭开发规划，省国土资源厅预计，全省每年将新增采煤塌陷地约5万亩，采空塌陷灾害也较为严重。
1.2采矿塌陷对地表建筑影响研究的意义。随着市场经济不断发展，城市化建设范围越来越大，受采空塌陷区的影响，导致土地资源紧迫，为使其得到有效利用，我国筹建在矿藏采空区内建设各种建筑物。而这些区域由于煤矿开采，导致内部岩体活化，稳定应力平衡性较弱，周围岩体出现移动、变形等情况，从而导致其岩体上层地表发生变化，地表建筑物受到影响，使之受到破坏。有关研究提出：通过对建筑物重量的影响深度和煤矿采空区中冒落带具体发育高度研究分析，来决定采空区总体稳定性及建筑物安全性。
1.3煤炭开采塌陷区的形成机理及其影响。从原理上看，当地下采煤层被采出之后，采空区的顶板岩层在自身的重力和其上覆盖岩层的压力作用下，产生向下的弯曲和移动。当顶板岩层内部所形成的拉张应力超过该岩层层抗拉强度极限时，直接层板发生破碎和断裂并相继冒落，接着上覆岩层相继向下弯曲、移动进而发生断裂和离层。随着采煤工作面向前推进，受到采动影响的岩层也不断扩大。当采煤层开采扩大到一定时，在地表就会形成一个比采空区大得多的近似椭圆形的塌陷盆地。此外，因矿区占用农田，使当地耕地减少，农民就在25°以上陡坡耕作，从而加剧矿区水土流失。
1.4从表现形式来看，受煤层赋存条件和自然地理位置以及开采技术等因素的影响，地表沉陷呈现出不同的破环特征，主要可分为以下四种基本类型：
（1）形成地表下沉盆地。煤矿地下煤层采出后，顶板岩层开始断裂、冒落，形成冒落带。冒落带上部岩层也随后断裂，使上部岩层发生弯曲。当影响到地表以后，地表就会从原有标高下沉，在采空区上方形成一个比采空区面积大的洼地。在下沉盆地形成的过程中，地表原有形态均发生不同程度变化，主要是出现坡度，高低以及水平位置的变化，其对耕地的影响主要是产生坡地，积水和凹凸不平等直接造成耕地退化，并且严重的破坏了地表道路，管道、沟渠以及建筑物的正常状态，影响人们的正常生产和生活活动。
（2）产生裂缝及台阶。在开采缓倾斜煤层时，在移动盆地的外边缘区，由于受水平拉伸变形，地表可能出现裂缝，裂缝的发生及其宽度、深度与表土的塑粘性大小及表土受到的拉伸变形大小密切相关。塑性大的粘性土，一般在地表拉伸变形值超过6～10mm/M时才发生裂缝；塑性小的砂质粘土，粘土质砂或岩石，但地表拉伸变形达到2～3mm/M时，就发生裂缝。地表裂缝破坏了土地的连续性和自然特性，引起已发展成为地表耕层土壤水肥下移的通道，给土地耕种带来了困难，加剧了水土流失。
（3）造成山体滑坡。在山地矿区，这种局域性大位移的土地破坏经常发生。因地下开采引起岩层移动变形，导致山体因失去稳定性，从而在弱面形成滑移，最终造成山体滑坡。山体滑坡造成的危害极大，不但直接破坏山地资源，还因其压占而破坏其周围的土地的资源，且引起突发性强，很难预测预防。
（4）出现塌陷坑。对于开采厚煤层的煤矿，大面积的采空区地面下沉就会形成塌陷坑式破坏，就会大幅度地改变原有地形地貌，由于受积水、侵蚀等影响，导致耕地资源易耕性大跌，难以直接有效利用。塌陷坑多出现在极倾斜煤层开采的地区，但在浅部缓倾斜或倾斜煤层开采时，地表亦可能出现漏斗状塌陷坑。这种不规范椭圆形或矩形塌陷坑多发生于小型煤矿采空区上方，塌陷坑按其形状可分为漏斗状塌陷坑和槽形塌陷坑两种形式，地表漏斗使地表腐殖土溃入井下或流失，破坏了土地的营养成分。常对地表建筑物产生破坏性影响。
2. 煤矿采空塌陷区地表建筑物的影响分析及对策
（1）采空区塌陷对地表建筑物的影响与危害。采空区塌陷，必须会加剧地表建筑物基础和上部结构的变形破坏。一方面，地基变形是造成建筑物损坏、倾斜和事故的重要原因，由于增加了上部载荷，地基承载力和可能产生的沉降变形随着采空塌陷区的逐步形成将不断减弱。另一方面，当上部结构和基础的整体刚度及强度不能适应地基变形时，上部结构就遭致裂损，甚至出现建筑物整体倒塌、人员伤亡等严重后果。 （2）地表建筑防范采空区塌陷危害的应对措施。消除采空区塌陷对地表建筑的危害，一是必须要改良软弱地基上的工程特性。一般的常用处理方法较多，大体可采用挖除软弱地基，人工增大土的密度，减少孔隙水压力加速固结等方式，加强地表建筑物基础和上部结构的抗变形能力。二是必须采用合适的结构形式。在其相同的条件下，上部结构连同基础的整体刚度愈大，建筑物的差异沉降就越小。选择结构形式是，对于由于地基变形引起的结构物的整体或局部稳定问题必须引起重视。三是对采空塌陷区内的建筑物自建设施工开始至运营期间，应按规范规定进行变形监测。煤矿场地内的建筑物自施工及使用过程中，应做好相应的变形监测工作。而变形监测中最为常用的就是GPS和全站仪，作为最为先进的测量设备，具有设站灵活、速度快及精度高的特点，并可提供三维位置信息，可满足建筑物对变形监测的要求。同时还应按照相关规范来进行变形监测，并根据文件中的规范来操作。四是必须抓好源头治理，加强采煤塌陷区整治，从根本上消除危险源。
3. 采煤塌陷区整治原则与实施目标
（1）明确采煤塌陷区整治原则。抓好采空塌陷区的治理，应坚持“因地制宜，量力而行，典型引路，先易后难，综合治理，科技先行”的原则。一是要做到因地制宜。采空塌陷区的治理应和经济发展、城市建设相结合、宜林则林，宜草则草，宜水则水，适当发展建筑性用地，以缓解城市用地紧张状况。二是做到典型引路。成功的经验可以在采区相同类型的采空塌陷区进行推广应用，先易后难，由浅入深。三是要做到科技先行。充分发挥科技人员的作用，广泛开展采空塌陷区综合治理技术研究，是采空塌陷区治理工作更加规范化、科学化。
（2）明确采煤塌陷区实施目标。目标管理是煤矿采空塌陷区治理的有效方法。实施采空塌陷区整治，应采取远期目标与近期目标相结合，近期目标是基础，远期目标是方向，重点放在近期实施的重大整治工程上。首先，是近期目标。采空塌陷区近期整治目标是选择条件较成熟，且已具备进行整治条件的采空塌陷区作为整治的重点。其次，是远期目标。采空塌陷区远期整治目标的重点应放在新选和新造的排矸、排灰场的治理上，并结合地下开采程序进行有计划的整治、规划设计，以最小的投资取得最佳的经济效益、生态环境效益和社会效益。
4. 采煤塌陷区的治理和利用方法
（1）塌陷坑填堵。一般用于塌陷坑较浅小时的处理。当陷坑内有基岩出露时，首先在坑内填入块石、碎石做成反滤层，或采用地下岩石爆破回填，然后上覆粘土夯实。陷坑内未出露基石，塌陷坑危害较小时，可回填块石或用粘土直接回填夯实。
（2）塌陷坑跨越。是用于塌陷坑较大，而回填又困难的陷坑的处理方法。一般以梁板跨越，两端支承在可靠的岩、土体上，每边支承长度不小于1.0～1.5米。
（3）地表强夯法。通常的强夯法是把10～20吨的夯锤起吊到一定高度（L～40米），然后让其自由落下，造成较大的冲击对土体强力夯实。
（4）充填灌注法。把灌注材料通过钻孔或岩溶洞口进行注浆，其目的是强化土洞或洞穴充填物、填充岩溶洞隙、拦截地下水流、加固建筑物地基。
（5）深基础柱基。对一些深度较大，同时跨越结构又无能为力的塌陷坑，通常是采用柱基，将荷载传递到基岩上。
（6）控制抽排水强度。由于抽排水使地下水位下降，常常造成地面塌陷，矿山井下强排疏干时，影响就更显著。因此，合理地控制抽排水的强度，是减少塌陷产生的一个重要途径。
我国是一个耕地资源十分紧缺的国家。抓好煤矿采煤塌陷区的治理和利用，是节约土地资源的有效途径，具有很大推广价值和发展前景，必须要坚持科学规划、系统推进的原则，综合施策方可取得良好实效。
参考文献
[1]中华人民共和国国家统计局统计年鉴.2006中国统计年鉴[M].中国统计出版社，2006.
[2]陈忠华.采煤塌陷70万公顷国土[J].瞭望，2004（47）：30～31.
[3]《国土资源管理理论与实践》编委会.国土资源管理理论与实践[M].北京：中国大地出版社，2003.
[4]郝举，蔡齐.论我国矿产资源所有权[J].中国矿业，2006（9）：1～4.
[5]沈克宁.建筑现象学理论概述[J].建筑师，1996.
[6]胡振琪.采煤沉陷地的土地资源管理与复垦[M].北京：煤炭工业出版社，1995.
【关键词】采空塌陷区；防治；地表建筑；影响分析
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. 当前我国煤炭行业采矿塌陷现状分析
1.1我国煤炭采矿塌陷现状分析。我国是世界上产煤最多的国家，探明煤炭储量3326.4×109t左右。与此同时，我国也是世界上因采煤塌陷面积最大的国家之一。根据典型调查和书面问卷调查，研究人员测算出我国采空区平均塌陷系数为0.24（公顷/万吨），测算直接损失系数为1～1.5（元/吨），仅2015年我国新增采空塌陷面积就高达1.3万公顷，直接经济损失约达10亿元以上。而我国目前因采空塌陷造成的经济损失累计已近600亿元。就山东省而言，作为我国煤炭产量较大的省份，根据今后的煤炭开发规划，省国土资源厅预计，全省每年将新增采煤塌陷地约5万亩，采空塌陷灾害也较为严重。
1.2采矿塌陷对地表建筑影响研究的意义。随着市场经济不断发展，城市化建设范围越来越大，受采空塌陷区的影响，导致土地资源紧迫，为使其得到有效利用，我国筹建在矿藏采空区内建设各种建筑物。而这些区域由于煤矿开采，导致内部岩体活化，稳定应力平衡性较弱，周围岩体出现移动、变形等情况，从而导致其岩体上层地表发生变化，地表建筑物受到影响，使之受到破坏。有关研究提出：通过对建筑物重量的影响深度和煤矿采空区中冒落带具体发育高度研究分析，来决定采空区总体稳定性及建筑物安全性。
1.3煤炭开采塌陷区的形成机理及其影响。从原理上看，当地下采煤层被采出之后，采空区的顶板岩层在自身的重力和其上覆盖岩层的压力作用下，产生向下的弯曲和移动。当顶板岩层内部所形成的拉张应力超过该岩层层抗拉强度极限时，直接层板发生破碎和断裂并相继冒落，接着上覆岩层相继向下弯曲、移动进而发生断裂和离层。随着采煤工作面向前推进，受到采动影响的岩层也不断扩大。当采煤层开采扩大到一定时，在地表就会形成一个比采空区大得多的近似椭圆形的塌陷盆地。此外，因矿区占用农田，使当地耕地减少，农民就在25°以上陡坡耕作，从而加剧矿区水土流失。
1.4从表现形式来看，受煤层赋存条件和自然地理位置以及开采技术等因素的影响，地表沉陷呈现出不同的破环特征，主要可分为以下四种基本类型：
（1）形成地表下沉盆地。煤矿地下煤层采出后，顶板岩层开始断裂、冒落，形成冒落带。冒落带上部岩层也随后断裂，使上部岩层发生弯曲。当影响到地表以后，地表就会从原有标高下沉，在采空区上方形成一个比采空区面积大的洼地。在下沉盆地形成的过程中，地表原有形态均发生不同程度变化，主要是出现坡度，高低以及水平位置的变化，其对耕地的影响主要是产生坡地，积水和凹凸不平等直接造成耕地退化，并且严重的破坏了地表道路，管道、沟渠以及建筑物的正常状态，影响人们的正常生产和生活活动。
（2）产生裂缝及台阶。在开采缓倾斜煤层时，在移动盆地的外边缘区，由于受水平拉伸变形，地表可能出现裂缝，裂缝的发生及其宽度、深度与表土的塑粘性大小及表土受到的拉伸变形大小密切相关。塑性大的粘性土，一般在地表拉伸变形值超过6～10mm/M时才发生裂缝；塑性小的砂质粘土，粘土质砂或岩石，但地表拉伸变形达到2～3mm/M时，就发生裂缝。地表裂缝破坏了土地的连续性和自然特性，引起已发展成为地表耕层土壤水肥下移的通道，给土地耕种带来了困难，加剧了水土流失。
（3）造成山体滑坡。在山地矿区，这种局域性大位移的土地破坏经常发生。因地下开采引起岩层移动变形，导致山体因失去稳定性，从而在弱面形成滑移，最终造成山体滑坡。山体滑坡造成的危害极大，不但直接破坏山地资源，还因其压占而破坏其周围的土地的资源，且引起突发性强，很难预测预防。
（4）出现塌陷坑。对于开采厚煤层的煤矿，大面积的采空区地面下沉就会形成塌陷坑式破坏，就会大幅度地改变原有地形地貌，由于受积水、侵蚀等影响，导致耕地资源易耕性大跌，难以直接有效利用。塌陷坑多出现在极倾斜煤层开采的地区，但在浅部缓倾斜或倾斜煤层开采时，地表亦可能出现漏斗状塌陷坑。这种不规范椭圆形或矩形塌陷坑多发生于小型煤矿采空区上方，塌陷坑按其形状可分为漏斗状塌陷坑和槽形塌陷坑两种形式，地表漏斗使地表腐殖土溃入井下或流失，破坏了土地的营养成分。常对地表建筑物产生破坏性影响。
2. 煤矿采空塌陷区地表建筑物的影响分析及对策
（1）采空区塌陷对地表建筑物的影响与危害。采空区塌陷，必须会加剧地表建筑物基础和上部结构的变形破坏。一方面，地基变形是造成建筑物损坏、倾斜和事故的重要原因，由于增加了上部载荷，地基承载力和可能产生的沉降变形随着采空塌陷区的逐步形成将不断减弱。另一方面，当上部结构和基础的整体刚度及强度不能适应地基变形时，上部结构就遭致裂损，甚至出现建筑物整体倒塌、人员伤亡等严重后果。 （2）地表建筑防范采空区塌陷危害的应对措施。消除采空区塌陷对地表建筑的危害，一是必须要改良软弱地基上的工程特性。一般的常用处理方法较多，大体可采用挖除软弱地基，人工增大土的密度，减少孔隙水压力加速固结等方式，加强地表建筑物基础和上部结构的抗变形能力。二是必须采用合适的结构形式。在其相同的条件下，上部结构连同基础的整体刚度愈大，建筑物的差异沉降就越小。选择结构形式是，对于由于地基变形引起的结构物的整体或局部稳定问题必须引起重视。三是对采空塌陷区内的建筑物自建设施工开始至运营期间，应按规范规定进行变形监测。煤矿场地内的建筑物自施工及使用过程中，应做好相应的变形监测工作。而变形监测中最为常用的就是GPS和全站仪，作为最为先进的测量设备，具有设站灵活、速度快及精度高的特点，并可提供三维位置信息，可满足建筑物对变形监测的要求。同时还应按照相关规范来进行变形监测，并根据文件中的规范来操作。四是必须抓好源头治理，加强采煤塌陷区整治，从根本上消除危险源。
3. 采煤塌陷区整治原则与实施目标
（1）明确采煤塌陷区整治原则。抓好采空塌陷区的治理，应坚持“因地制宜，量力而行，典型引路，先易后难，综合治理，科技先行”的原则。一是要做到因地制宜。采空塌陷区的治理应和经济发展、城市建设相结合、宜林则林，宜草则草，宜水则水，适当发展建筑性用地，以缓解城市用地紧张状况。二是做到典型引路。成功的经验可以在采区相同类型的采空塌陷区进行推广应用，先易后难，由浅入深。三是要做到科技先行。充分发挥科技人员的作用，广泛开展采空塌陷区综合治理技术研究，是采空塌陷区治理工作更加规范化、科学化。
（2）明确采煤塌陷区实施目标。目标管理是煤矿采空塌陷区治理的有效方法。实施采空塌陷区整治，应采取远期目标与近期目标相结合，近期目标是基础，远期目标是方向，重点放在近期实施的重大整治工程上。首先，是近期目标。采空塌陷区近期整治目标是选择条件较成熟，且已具备进行整治条件的采空塌陷区作为整治的重点。其次，是远期目标。采空塌陷区远期整治目标的重点应放在新选和新造的排矸、排灰场的治理上，并结合地下开采程序进行有计划的整治、规划设计，以最小的投资取得最佳的经济效益、生态环境效益和社会效益。
4. 采煤塌陷区的治理和利用方法
（1）塌陷坑填堵。一般用于塌陷坑较浅小时的处理。当陷坑内有基岩出露时，首先在坑内填入块石、碎石做成反滤层，或采用地下岩石爆破回填，然后上覆粘土夯实。陷坑内未出露基石，塌陷坑危害较小时，可回填块石或用粘土直接回填夯实。
（2）塌陷坑跨越。是用于塌陷坑较大，而回填又困难的陷坑的处理方法。一般以梁板跨越，两端支承在可靠的岩、土体上，每边支承长度不小于1.0～1.5米。
（3）地表强夯法。通常的强夯法是把10～20吨的夯锤起吊到一定高度（L～40米），然后让其自由落下，造成较大的冲击对土体强力夯实。
（4）充填灌注法。把灌注材料通过钻孔或岩溶洞口进行注浆，其目的是强化土洞或洞穴充填物、填充岩溶洞隙、拦截地下水流、加固建筑物地基。
（5）深基础柱基。对一些深度较大，同时跨越结构又无能为力的塌陷坑，通常是采用柱基，将荷载传递到基岩上。
（6）控制抽排水强度。由于抽排水使地下水位下降，常常造成地面塌陷，矿山井下强排疏干时，影响就更显著。因此，合理地控制抽排水的强度，是减少塌陷产生的一个重要途径。
我国是一个耕地资源十分紧缺的国家。抓好煤矿采煤塌陷区的治理和利用，是节约土地资源的有效途径，具有很大推广价值和发展前景，必须要坚持科学规划、系统推进的原则，综合施策方可取得良好实效。
参考文献
[1]中华人民共和国国家统计局统计年鉴.2006中国统计年鉴[M].中国统计出版社，2006.
[2]陈忠华.采煤塌陷70万公顷国土[J].瞭望，2004（47）：30～31.
[3]《国土资源管理理论与实践》编委会.国土资源管理理论与实践[M].北京：中国大地出版社，2003.
[4]郝举，蔡齐.论我国矿产资源所有权[J].中国矿业，2006（9）：1～4.
[5]沈克宁.建筑现象学理论概述[J].建筑师，1996.
[6]胡振琪.采煤沉陷地的土地资源管理与复垦[M].北京：煤炭工业出版社，1995.