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摘要：针对不同的地质条件及地表建筑物的情况应采用合适的开采方法，并对采空区及时采取措施，本文结合辽源煤矿采空区的实例对采空区对地表稳定性的影响进行了探讨。
关键词：地质；地表；采空区；稳定性
地下矿层采空后形成的空间称为采空区。在地下开采影响下，地表建筑物发生的变形与破坏是由于地表移动与变形作用于建筑物的基础，导致建筑物受到附加的作用而产生的。在不同的煤矿、不同的地质构造及不同岩层内，采用不同采煤方法，发生不同的地表移动变形，建筑物就会受到不同的影响。
辽源煤矿自1911年开始，开采历史已近百年，其先后经历了煤田开发之初的农商合办时期、日伪开采时期和解放后正规开采、回采阶段。辽源煤矿开采给这个以煤炭工业为基础发展起来的城市带来了一系列的地质问题：地面沉陷、岩层移动、地裂缝、矿震等，严重影响了地面的稳定性，导致地表建筑物的变形破坏，给国家和人民的生命财产造成较大的损失及安全隐患。
一、矿采空区的基本情况
（一）煤田地质
辽源煤田位于吉林省东南部。煤田长约8KM，宽约4KM。
辽源煤田的大地构造位于辽东台背斜北翼铁岭台凸的边缘，赤谓新华夏系第二隆起带那丹哈达岭西南端与东西向天山—阴山构造带的复合交接部位，为一北西向坳陷盆地。辽源煤田为向斜构造，由于基底在沉积之前或在沉积过程中受小规模缓慢的小型地壳运动所致而形成幅度不大波状复式背向斜，煤层倾角一般为10-35度，向斜东北翼较陡35-85度，西南翼较缓25-45度，向斜轴及两翼0-10度。
辽源煤田北翼断层比较多，大断层有23条，以北西走向断层为主。见图（1）。
图（1）辽源煤矿地质图
辽源市区主要有两大矿区：西安矿、泰信矿
西安矿位于辽源煤田的西北端，呈南东西方向。东西走向3.7KM，南北倾斜宽1KM，井田面积3.7平方千米。覆盖煤层的岩种主要是页岩和少数砂岩，整个煤系曲折，断层变化很大，可采煤层主要有两层，上部煤层厚约4-10米，下部煤层厚约6-30米。上煤层顶板为页岩、砂岩，容易冒落，下煤层底板为凝灰岩。
西安煤田地质构造复杂，以正断层最为发育，较大断层有13条以上。
泰信矿位于辽源煤田的西南端，井田走向长度1.2KM，倾斜宽度2.0KM，面积2.4平方千米，呈椭圆状。见辽源矿区位置平面图见图（2）
（二）采煤技术与方法
目前我国的采煤技术，按其明显的特征主要可以分为旱采和水采两大类。水采在上个世纪五十年代到八十年代有一些矿井大规模采用过，从现有采空区总量来看，相对量比较少。旱采有20种左右采煤方法，按其技术上的不同特点，主要分为壁氏采煤方法和柱氏采煤方法两大类。壁氏采煤方法的工作面较长，少则 30-40米，多则200米以上，甚至更长；柱氏采煤方法的工作面较短，一般均在30-40米以下，有的只有5-10米。辽源矿采煤初期采用水采方法，1965年后干采比逐年增加。
图（2）辽源矿区位置示意图
（三）采空区状态
采煤技术、采煤方法的不同形成的采空区也不同，目前可能有如下几种采空区状态
1、长壁工作面全部垮落法所形成的采空区（倾斜或缓倾斜煤层），其特征是采空区上的岩层的破坏具有明显的垮落带、断裂带和弯曲带。
2、回采改造面全部充填或局部充填法所形成的采空區，工作面顶板只有部分下沉。
3、短壁半垮落条带回采工作面所形成的采空区，其特征是回采时顶板不垮落。
4、短壁非垮落条带回采工作面所形成的采空区，其特征是顶板相当完整，煤层坚硬，采宽小，采留比小，煤柱能形成长久支撑
实践表明，短壁工作面、水采工作面所形成的采空区，将处于长期的不稳定状态。
（四）采煤形成的几大采空区
从解放初期到现在，辽源煤矿先后形成了几大采煤区，有大成矿、富国矿、泰信矿、西安矿等。此外，在不同的历史时期，辽源煤田的四周先后有四五十个小矿进行浅部开采。由于煤田特别是小矿浅部的开采，其采煤技术落后，采深小于安全深度，在地层自重及建筑物产生的附加应力的影响下产生不均匀沉降，严重影响了地面的稳定性，对地面上的建筑物的安全构成了威胁。
二、采空区形成的各种状态对地表的影响
（一）断层对地表移动与变形的影响
断层对地表移动与变形产生影响的原因在于：断层是地层薄弱面，断层带处岩层的力学强度大大低于周围岩层的力学强度。由于应力的集中作用，故使该处成为岩层变形集中的有利位置；地下煤层开采后，在上覆岩层发生移动与变形的同时，岩层还沿着断层面发生滑动，于是在断层基岩露头处的地表就出现台阶状的破坏，使位于附近的建筑物遭受十分严重的破坏；同时，断层的变形集中作用也使盆地内移动与变形的正常分布发生变化。在断层露头处的地表变形加剧，大大地超过了正常值，而位于断层露头两侧附近的地表变形变得缓和，小于正常值。但在地表变形缓和的地区兴建建筑物，如果采空区埋深小于垮落断裂带高度应力集中区与建筑物荷载影响深度两者之和时，露岩和地表有可能再次发生相当大的不均匀沉降和移动。
（二）采空区的残余变形
工作面采空区虽然经历长时间的自然压实，但开采形成的采空区残留空间、断裂带和垮落带之间的离层、裂隙可能会长期存在。在地表移动期结束、采煤沉陷“盆地”达到相对稳定后，在自然力的扰动和地面荷载的影响下，沉陷区的地表有可能出现一定的残余变形，对地面建筑物构成危害。
一般情况下，如果地表兴建大型建筑（大外载），且采空区埋藏较浅，建筑物荷载向下传递的应力区域和采空区的 应力场相接触，产生重叠，采空区中的垮落带和煤柱边界未压实，薄弱区进一步压缩，上覆岩层有一定的移动和变形，所以这样地区基岩容易产生不均匀沉降，如果沉降量超过建筑物允许最大值时，则建筑物遭到破坏。
（三）采空区残留煤柱
就整个煤矿而言，采煤区遗留的煤柱主要有区段隔离煤柱、采区边界煤柱、上山煤柱、大巷煤柱、其他建筑物煤柱、矿井边界煤柱、薄煤带、地质构造煤柱、冲击层防水煤柱等。
残留煤柱的基本特征是：工作面区段隔离煤柱倾斜长一般10米，不回收，薄煤带属于未开采区，断裂构造煤柱不回收。
老采空区及其周边的保留煤柱，经过长期的承载压缩，产生一定范围的“屈服区”。有时其完整性没有受到明显破坏，一旦受到外界或自身因素的扰动，就会产生残余变形，影响地面上的建筑物的稳定性。
（四）残留人工工程
一个矿井或采区报废后，采空区残留人工工程主要有上山煤柱及联络巷、采区车场、井底车场、水仓及各种硐室大巷、转载硐室等。一般地，矿井的这些工程及所涉及的面积和体积都是十分巨大的。这些残留工程因矿井报废，失去维护，时间长以后，逐渐垮塌，如果这些巷道集中在某段时间垮塌，远比回采的煤层所带来的地表沉降要严重，垮塌以后可造成上覆岩层大尺度移动，属于大变形范畴。
（五）采空区地下水位的变化对地表的影响
覆岩移动变形在采煤沉陷过程中对地表产生一定的影响，而水文因素对地表沉陷产生的影响不可忽视。主要表现为地下水位的变化。
煤系地层常见地下含水层有基岩含水层（砂岩、页岩），由于辽源是个老区，井下旧巷纵横，存有大量积水，含水层的水体要溃入工作面，砂岩、页岩含水层水体属于孔隙裂隙水，如果不具备补给条件，经过长时间流失会造成含水层被疏干。因此，含水层水体流失而形成的空洞是残余变形影响的一个重要因素。
大量的实践表明：地下水位降低会在采煤沉陷基础上将继续增大地表下沉值和下沉面积。
（六）采空区的抗震及矿震作用的影响
采空区属于对抗震不利的场地，在地震时可能加剧原有的地表变形，甚至产生较大的震陷。对于采空区顶部的地层，由于受采动的影响，其原始结构状态沿着离地表不同的深度受到不同程度的破坏，逐渐建立了新的平衡，形成“三带”（即弯曲破坏带、离层传递带、缓慢沉降带）地表出现了变形，地形、地貌亦发生重大变化。对于这样的地层，建筑物所受到的地震力将比正常情况（原始状态）偏大。
采空区也是矿震多发地带。在煤矿开采过程中，改变了原来地应力的结构与分布，而产生的一种诱发性振动。较大的矿震会使地面建筑物受到一定程度的破坏，并使地面几十公里范围内有感。因此，在采空区，矿震时有发生，每年达上百次，矿震震级有的达到ML1.6-2.8级，对地面的工程的稳定造成一定影响。
三、不同的采煤方法对地表的影响
辽源煤矿“三下”压煤（建筑物下、铁路下、水体下）比较多，为了解决“三下”采煤问题，辽源矿从50年代起即开始了“三下”采煤的岩移观测工作。观测结果表明：采空区的状态影响地表的变形程度，煤田的开采方法不同，地表变形的剧烈程度也不同。
富国一井中段地面观测站，于1966年5月建站，共设9条观测线，通过观测证明：采用水砂充填开采，不仅能减小地表变形，还能减缓地表变形剧烈程度。
保安一号观测站。保安地面民房及农田，于1969年8月在西安矿红旗井保安一号地区进行了地面建站及观测工作。历经两年零四个月的连续观测，初步得到浅部全陷回采地表移动参数及规律，并及时知道了采动区地面房屋的搬迁工作，达到了预期的观测目的。
地表稳定时间与开采深度有关，一般随采深增加而延长。
四、采空区的建筑物的变形特征
在煤矿采动（空）区，地表产生的移动变形主要有倾斜、曲率、水平移动和水平变形。地表的均匀下沉不会对建筑物产生危害；地表倾斜对底面积小、高度大的建（构）筑物影响较大；一般民用建筑物主要受地表曲率、水平变形的作用而变形。
（一）地表曲率的影响
地表曲率分正负曲率两种。当建筑物受到不同曲率的影响时，其变形特征也明显不同。在地表正曲率的影响下，建筑物中间部分随地基的向上作用而相对凸起，使建筑物形成拱形或基础两部部分悬空，其变形特征为建筑物墙体产生倒八字形的裂缝；在地表负曲率的影响下，建筑物两端受到地基的向上作用而相对褶曲，中间部分相对凹陷或者部分悬空，致使建筑物墙体产生正八字形的裂缝。
（二）地表水平变形的影响
地表水平变形分为拉伸和压缩变形两种，它对建筑物的破坏作用很大，尤其是拉伸变形的影响。由于建筑物抵抗拉伸变形的能力远小于抵抗压缩变形的能力，所以在较小的地表拉伸变形下就能使建筑物产生裂缝，砖砌体的结合缝亦易被拉开。地表压缩变形对建筑物的破坏主要是使门窗口挤压变形，砖砌体产身水平裂缝，纵墙和围墙产生褶曲或局部屋顶鼓起。
五、采煤塌陷区的综合治理
由于辽源煤田开采历史悠久，形成的地质条件比较复杂，且有很多遗留问题，因此严重影响了城市及矿区的地质环境。为了加强采煤塌陷区的治理，合理利用土地，改善生态环境，促进社会可持续发展，国家已经开始积极采取措施，综合治理采煤塌陷区。现處于已开采区上方的建筑物正搬迁，建造生态景观林、水源涵养林、厂矿绿化。在塌陷不深或积水不多的地方可以平整土地，改善耕作条件，恢复地貌。在面积大、积水深的塌陷区，可以发展水产养殖、旅游休闲等产业。加强对采空区监测，采取有效办法填充采空区，最大限度的减少采空区塌陷面积，以达到标本兼治的目的。
六、结束语
综上所述，在矿区进行煤炭开采必然导致覆岩和地面的移动，移动衰减阶段结束后，采煤沉陷残余变形及采空区地质构造影响，一定程度上影响着地表及其上建筑物的稳定性。由于地表的变形程度因煤田的开采方式的不同而不同，因此，针对不同的地质条件及地表建筑物的情况，采用合适的开采方法，并对采空区及时采取措施，减少由于采煤而产生的对地表的生态环境的影响。
关键词：地质；地表；采空区；稳定性
地下矿层采空后形成的空间称为采空区。在地下开采影响下，地表建筑物发生的变形与破坏是由于地表移动与变形作用于建筑物的基础，导致建筑物受到附加的作用而产生的。在不同的煤矿、不同的地质构造及不同岩层内，采用不同采煤方法，发生不同的地表移动变形，建筑物就会受到不同的影响。
辽源煤矿自1911年开始，开采历史已近百年，其先后经历了煤田开发之初的农商合办时期、日伪开采时期和解放后正规开采、回采阶段。辽源煤矿开采给这个以煤炭工业为基础发展起来的城市带来了一系列的地质问题：地面沉陷、岩层移动、地裂缝、矿震等，严重影响了地面的稳定性，导致地表建筑物的变形破坏，给国家和人民的生命财产造成较大的损失及安全隐患。
一、矿采空区的基本情况
（一）煤田地质
辽源煤田位于吉林省东南部。煤田长约8KM，宽约4KM。
辽源煤田的大地构造位于辽东台背斜北翼铁岭台凸的边缘，赤谓新华夏系第二隆起带那丹哈达岭西南端与东西向天山—阴山构造带的复合交接部位，为一北西向坳陷盆地。辽源煤田为向斜构造，由于基底在沉积之前或在沉积过程中受小规模缓慢的小型地壳运动所致而形成幅度不大波状复式背向斜，煤层倾角一般为10-35度，向斜东北翼较陡35-85度，西南翼较缓25-45度，向斜轴及两翼0-10度。
辽源煤田北翼断层比较多，大断层有23条，以北西走向断层为主。见图（1）。
图（1）辽源煤矿地质图
辽源市区主要有两大矿区：西安矿、泰信矿
西安矿位于辽源煤田的西北端，呈南东西方向。东西走向3.7KM，南北倾斜宽1KM，井田面积3.7平方千米。覆盖煤层的岩种主要是页岩和少数砂岩，整个煤系曲折，断层变化很大，可采煤层主要有两层，上部煤层厚约4-10米，下部煤层厚约6-30米。上煤层顶板为页岩、砂岩，容易冒落，下煤层底板为凝灰岩。
西安煤田地质构造复杂，以正断层最为发育，较大断层有13条以上。
泰信矿位于辽源煤田的西南端，井田走向长度1.2KM，倾斜宽度2.0KM，面积2.4平方千米，呈椭圆状。见辽源矿区位置平面图见图（2）
（二）采煤技术与方法
目前我国的采煤技术，按其明显的特征主要可以分为旱采和水采两大类。水采在上个世纪五十年代到八十年代有一些矿井大规模采用过，从现有采空区总量来看，相对量比较少。旱采有20种左右采煤方法，按其技术上的不同特点，主要分为壁氏采煤方法和柱氏采煤方法两大类。壁氏采煤方法的工作面较长，少则 30-40米，多则200米以上，甚至更长；柱氏采煤方法的工作面较短，一般均在30-40米以下，有的只有5-10米。辽源矿采煤初期采用水采方法，1965年后干采比逐年增加。
图（2）辽源矿区位置示意图
（三）采空区状态
采煤技术、采煤方法的不同形成的采空区也不同，目前可能有如下几种采空区状态
1、长壁工作面全部垮落法所形成的采空区（倾斜或缓倾斜煤层），其特征是采空区上的岩层的破坏具有明显的垮落带、断裂带和弯曲带。
2、回采改造面全部充填或局部充填法所形成的采空區，工作面顶板只有部分下沉。
3、短壁半垮落条带回采工作面所形成的采空区，其特征是回采时顶板不垮落。
4、短壁非垮落条带回采工作面所形成的采空区，其特征是顶板相当完整，煤层坚硬，采宽小，采留比小，煤柱能形成长久支撑
实践表明，短壁工作面、水采工作面所形成的采空区，将处于长期的不稳定状态。
（四）采煤形成的几大采空区
从解放初期到现在，辽源煤矿先后形成了几大采煤区，有大成矿、富国矿、泰信矿、西安矿等。此外，在不同的历史时期，辽源煤田的四周先后有四五十个小矿进行浅部开采。由于煤田特别是小矿浅部的开采，其采煤技术落后，采深小于安全深度，在地层自重及建筑物产生的附加应力的影响下产生不均匀沉降，严重影响了地面的稳定性，对地面上的建筑物的安全构成了威胁。
二、采空区形成的各种状态对地表的影响
（一）断层对地表移动与变形的影响
断层对地表移动与变形产生影响的原因在于：断层是地层薄弱面，断层带处岩层的力学强度大大低于周围岩层的力学强度。由于应力的集中作用，故使该处成为岩层变形集中的有利位置；地下煤层开采后，在上覆岩层发生移动与变形的同时，岩层还沿着断层面发生滑动，于是在断层基岩露头处的地表就出现台阶状的破坏，使位于附近的建筑物遭受十分严重的破坏；同时，断层的变形集中作用也使盆地内移动与变形的正常分布发生变化。在断层露头处的地表变形加剧，大大地超过了正常值，而位于断层露头两侧附近的地表变形变得缓和，小于正常值。但在地表变形缓和的地区兴建建筑物，如果采空区埋深小于垮落断裂带高度应力集中区与建筑物荷载影响深度两者之和时，露岩和地表有可能再次发生相当大的不均匀沉降和移动。
（二）采空区的残余变形
工作面采空区虽然经历长时间的自然压实，但开采形成的采空区残留空间、断裂带和垮落带之间的离层、裂隙可能会长期存在。在地表移动期结束、采煤沉陷“盆地”达到相对稳定后，在自然力的扰动和地面荷载的影响下，沉陷区的地表有可能出现一定的残余变形，对地面建筑物构成危害。
一般情况下，如果地表兴建大型建筑（大外载），且采空区埋藏较浅，建筑物荷载向下传递的应力区域和采空区的 应力场相接触，产生重叠，采空区中的垮落带和煤柱边界未压实，薄弱区进一步压缩，上覆岩层有一定的移动和变形，所以这样地区基岩容易产生不均匀沉降，如果沉降量超过建筑物允许最大值时，则建筑物遭到破坏。
（三）采空区残留煤柱
就整个煤矿而言，采煤区遗留的煤柱主要有区段隔离煤柱、采区边界煤柱、上山煤柱、大巷煤柱、其他建筑物煤柱、矿井边界煤柱、薄煤带、地质构造煤柱、冲击层防水煤柱等。
残留煤柱的基本特征是：工作面区段隔离煤柱倾斜长一般10米，不回收，薄煤带属于未开采区，断裂构造煤柱不回收。
老采空区及其周边的保留煤柱，经过长期的承载压缩，产生一定范围的“屈服区”。有时其完整性没有受到明显破坏，一旦受到外界或自身因素的扰动，就会产生残余变形，影响地面上的建筑物的稳定性。
（四）残留人工工程
一个矿井或采区报废后，采空区残留人工工程主要有上山煤柱及联络巷、采区车场、井底车场、水仓及各种硐室大巷、转载硐室等。一般地，矿井的这些工程及所涉及的面积和体积都是十分巨大的。这些残留工程因矿井报废，失去维护，时间长以后，逐渐垮塌，如果这些巷道集中在某段时间垮塌，远比回采的煤层所带来的地表沉降要严重，垮塌以后可造成上覆岩层大尺度移动，属于大变形范畴。
（五）采空区地下水位的变化对地表的影响
覆岩移动变形在采煤沉陷过程中对地表产生一定的影响，而水文因素对地表沉陷产生的影响不可忽视。主要表现为地下水位的变化。
煤系地层常见地下含水层有基岩含水层（砂岩、页岩），由于辽源是个老区，井下旧巷纵横，存有大量积水，含水层的水体要溃入工作面，砂岩、页岩含水层水体属于孔隙裂隙水，如果不具备补给条件，经过长时间流失会造成含水层被疏干。因此，含水层水体流失而形成的空洞是残余变形影响的一个重要因素。
大量的实践表明：地下水位降低会在采煤沉陷基础上将继续增大地表下沉值和下沉面积。
（六）采空区的抗震及矿震作用的影响
采空区属于对抗震不利的场地，在地震时可能加剧原有的地表变形，甚至产生较大的震陷。对于采空区顶部的地层，由于受采动的影响，其原始结构状态沿着离地表不同的深度受到不同程度的破坏，逐渐建立了新的平衡，形成“三带”（即弯曲破坏带、离层传递带、缓慢沉降带）地表出现了变形，地形、地貌亦发生重大变化。对于这样的地层，建筑物所受到的地震力将比正常情况（原始状态）偏大。
采空区也是矿震多发地带。在煤矿开采过程中，改变了原来地应力的结构与分布，而产生的一种诱发性振动。较大的矿震会使地面建筑物受到一定程度的破坏，并使地面几十公里范围内有感。因此，在采空区，矿震时有发生，每年达上百次，矿震震级有的达到ML1.6-2.8级，对地面的工程的稳定造成一定影响。
三、不同的采煤方法对地表的影响
辽源煤矿“三下”压煤（建筑物下、铁路下、水体下）比较多，为了解决“三下”采煤问题，辽源矿从50年代起即开始了“三下”采煤的岩移观测工作。观测结果表明：采空区的状态影响地表的变形程度，煤田的开采方法不同，地表变形的剧烈程度也不同。
富国一井中段地面观测站，于1966年5月建站，共设9条观测线，通过观测证明：采用水砂充填开采，不仅能减小地表变形，还能减缓地表变形剧烈程度。
保安一号观测站。保安地面民房及农田，于1969年8月在西安矿红旗井保安一号地区进行了地面建站及观测工作。历经两年零四个月的连续观测，初步得到浅部全陷回采地表移动参数及规律，并及时知道了采动区地面房屋的搬迁工作，达到了预期的观测目的。
地表稳定时间与开采深度有关，一般随采深增加而延长。
四、采空区的建筑物的变形特征
在煤矿采动（空）区，地表产生的移动变形主要有倾斜、曲率、水平移动和水平变形。地表的均匀下沉不会对建筑物产生危害；地表倾斜对底面积小、高度大的建（构）筑物影响较大；一般民用建筑物主要受地表曲率、水平变形的作用而变形。
（一）地表曲率的影响
地表曲率分正负曲率两种。当建筑物受到不同曲率的影响时，其变形特征也明显不同。在地表正曲率的影响下，建筑物中间部分随地基的向上作用而相对凸起，使建筑物形成拱形或基础两部部分悬空，其变形特征为建筑物墙体产生倒八字形的裂缝；在地表负曲率的影响下，建筑物两端受到地基的向上作用而相对褶曲，中间部分相对凹陷或者部分悬空，致使建筑物墙体产生正八字形的裂缝。
（二）地表水平变形的影响
地表水平变形分为拉伸和压缩变形两种，它对建筑物的破坏作用很大，尤其是拉伸变形的影响。由于建筑物抵抗拉伸变形的能力远小于抵抗压缩变形的能力，所以在较小的地表拉伸变形下就能使建筑物产生裂缝，砖砌体的结合缝亦易被拉开。地表压缩变形对建筑物的破坏主要是使门窗口挤压变形，砖砌体产身水平裂缝，纵墙和围墙产生褶曲或局部屋顶鼓起。
五、采煤塌陷区的综合治理
由于辽源煤田开采历史悠久，形成的地质条件比较复杂，且有很多遗留问题，因此严重影响了城市及矿区的地质环境。为了加强采煤塌陷区的治理，合理利用土地，改善生态环境，促进社会可持续发展，国家已经开始积极采取措施，综合治理采煤塌陷区。现處于已开采区上方的建筑物正搬迁，建造生态景观林、水源涵养林、厂矿绿化。在塌陷不深或积水不多的地方可以平整土地，改善耕作条件，恢复地貌。在面积大、积水深的塌陷区，可以发展水产养殖、旅游休闲等产业。加强对采空区监测，采取有效办法填充采空区，最大限度的减少采空区塌陷面积，以达到标本兼治的目的。
六、结束语
综上所述，在矿区进行煤炭开采必然导致覆岩和地面的移动，移动衰减阶段结束后，采煤沉陷残余变形及采空区地质构造影响，一定程度上影响着地表及其上建筑物的稳定性。由于地表的变形程度因煤田的开采方式的不同而不同，因此，针对不同的地质条件及地表建筑物的情况，采用合适的开采方法，并对采空区及时采取措施，减少由于采煤而产生的对地表的生态环境的影响。