维普资讯 http://www.cqvip.com 第２５卷第６期 Ｖ＿０１．２５ ＮＯ．６ 辽宁工程技术大学学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉａｏｎｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ２００６年ｌ２月 Ｄｅｃ． ２００６ 文章编号：１００８－０５６２（２００６）０６－０８５１—０４ 采煤沉陷与断层相互作用引起地表建筑破坏特点分析 郭迅，戴君武 （中国地震局工程力学研究所，黑龙江哈尔滨１５００８０） 摘 要：针对抚顺煤矿计算采沉区以外批量房屋损伤，通过现场变形测量、地质勘查。得到了损伤房屋的分布、结构类型、破坏特 点、场地条件等基本数据 结合区域地质构造和结构力学分析，提出了构造断层与采煤沉陷相互作用导致局部区域岩体运动呈现“多 米诺骨牌”形式，总体趋势向沉降盆地中心运动，在断层线出露地表处出现“反陡坎”，揭示了在计算的正常沉陷范倒以外地表若干建 筑差异沉降破坏的形式与采沉方向相背的麒因，据此提出了针对性的治理方案 关键词：房屋损伤；场地条件；采煤沉陷；断层；反陡坎 中图分类号：ＴＵ ３５２：Ｐ６４２．２６ 文献标识码：Ａ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｄａｍａｇｅ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｆａｕｌｔｓ ａｎｄ ＣＯａｌ ｍｉｎｉｎｇ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ ＧＵＯ Ｘｕｎ。ＤＡＩ Ｊｕｎ－ＷＵ （Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，Ｃｈｉｎａ Ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ，Ｈａｒｂｉｎ １５００８９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｄａｍａｇｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｇｒｏｕｐ ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ ｉｎ ａ ｃｏａｌ ｉｎｅ ｍｃｉｔｙ，ｂｙ ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｉｅｌｆｄ ｓｕｒｖｅｙ，ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｐｒｏｓｐｅｃｔｉｎｇ，ｒｅｇｉｏｎａｌ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎａｌｙｓｉｓ，ａ ｄｏｍｉｎｏｅｓ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｔｈｅｏｒｙ ｗｈｉｃｈ ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ｔｈｅ ｍｏｔｉｏｎ ｏｆ ｐａｒａｌｌｅｌ ｒｏｃｋ ｂｌｏｃｋｓ ｉｎｄｕｃｅｄ ｂｙ ｃｏａｌ ｍｉｎｉｎｇ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｐａｒａｌｌｅｌ ｆａｕｌｔｓ ａｎｄ ｃｏａｌ ｍｉｎｉｎｇ，ｏｎ ｔｈｅ ｇｒｏｕｎｄ ｓｕｒｆａｃｅ ａｐｐｅａｒｓ ｉｎｖｅｒｓｅ ｂａｎｋ ａｌｏｎｇ ｔｈｅ ｆａｕｌｔ ｌｉｎｅ，ｔｈｕｓ ｔｈｅ ａｂｎｏｒｍａｌ ｃｒａｃｋｓ ａｐｐｅａｒｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ ａｒｅ ｅｘｐｌ￣ｎｅｄ，ａｎｄ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｃｏｕｎｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｓ ａｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ￣ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｄａｍａｇｅ；ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ；ｐａｒａｌｌｅｌ ｆａｕｌｔｓ：ｄｏｍｉｎｏｅｓ：ｉｎｖｅｒｓｅ ｂａｎｋ 引 言 煤层被采出以后，形成了空间，其上覆岩层与 底板岩层的原始应力平衡状态遭到破坏，从而岩层 直至为零。此外，沉陷盆地的范围（边界线）可以 依据煤层埋深、厚度、倾角以及上覆岩层的力学特 性等参数较精确地计算出来。这样沉陷盆地内的建 筑物将随着地表变形的走势发生倾斜、裂缝等破 坏，其形态很容易解释『３Ｊ。但是，当采沉区内有构 造断层时，上述地表沉陷的规律不再成立。主要差 别有两点，其一是地表沉陷盆地主剖面线的垂直沉 降量由中心向边缘一般不再单调递减，而是出现与 断层参数相关的“反陡坎”，如果由中心向外遇到 发生移动、变形和破坏，这一过程称岩层移动…。 尽管煤层埋深、煤层厚度、煤层倾角、顶板岩性等 因素都影响沉陷过程的发展，但沉陷最重要的外因 是开采活动本身，比如开采规模、进度、速度、方 式等。对于垮落法采煤，当开采区域内没有重大构 造断层时，随着采空区面积的增大，岩层移动的范 围也相应地增大。当采空区扩大到一定范围时，岩 多条平行断层时，地表沉降后会出现与断层数目相 同的“反陡坎”，并且“反陡坎”在地表呈“锯齿” 状：其二是经验公式计算的地表沉陷范围与实际结 果不符。由此会导致沉陷影响范围内建筑物的倾 斜、裂缝规律的异常。本文仅以抚顺煤田的几处地 表沉陷异常为例，分析构造断层存在时，采煤沉陷 规律的特殊性，以及由此引起地表建筑破坏的特 点，在此基础上，提出了有针对性的破损房屋治理 方法。 层移动发展到地表，使地表产生移动和变形，一般 在采空区上方形成沉陷盆地。对于水平煤层、矩形 采空区，最终沉陷盆地直接位于采空区正上方，呈 椭圆形，并以采空区中心为轴对称分布［２－４］。 在地表沉陷盆地内，每点的移动除最大下沉点 外，均指向采空区中心，并分为铅直移动和水平移 动两个分量。垂直沉降量由中心向外平顺地减小， 收稿日期：２００４．１１－０３ 基金项目：中国地震局“十五”重点攻关资助项目（７＿ＺＧ００１１６） 作者简介：郭迅（１９６７ ），男，黑龙江大庆人，博士 研究员，主要从事结构抗震和结构安全研究，Ｅ－ｍａｉｌ．．ｇｕｏｘｕｎ＠ｉｅｍ．ｎｅｔ．ｃａ。本文编校：赵娜 维普资讯 http://www.cqvip.com ８５２ 辽宁工程技术大学学报 第２５卷 １损伤房屋概况 图１的抚顺市榆林小区位于榆林路中段北侧、 浑河南岸。该小区８栋房屋分布在图１中Ｆｈ断层南 北两侧。自２０００年入住起即发现其中的４ 、５ 、７ 楼出现墙体裂缝，尤以４ 楼最为严重，内外墙体均 ’出现程度不同的大量斜向裂缝，且不断发展。 楼 为７层砖混结构，按７度进行抗震设计，平面尺寸 为４７．６ ｍＸ １４．０ ｍ，由三个单元构成，东西走向。 其南侧外纵墙中部下沉最严重，最大沉降（１５５ ｍｍ） 发生在图２中显示裂缝的第２单元。南北和左右的 差异沉降造成４ 楼出现图２的空间扭曲，由此造成 结构薄弱处严重开裂。比如，２单元自上至下的窗 肚墙均出现贯穿、贯通的西高东低的斜向裂缝，裂 缝宽度１—８ ｍｎｌ：北侧外纵墙上在稍往西的位置有 稍轻的裂缝，并且呈东高西低的形态，与南侧外纵 墙正好相反，这正是空间扭曲所致。与外墙相对应， 内墙也出现程度不等的裂缝。 而５ 楼主要表现是正房向北扭斜，并且西侧倾 斜量大，东侧倾斜量小：７ 楼正房向南扭斜，西侧 倾斜量小，东侧倾斜量大。其他断层线切割不到的 房屋均有程度不等的的向南倾斜，楼体本身完好或 轻微开裂。 匝 ， 图１断层Ｆｈ与损伤房屋的平面位置关系 及房屋倾斜方向 Ｆｉｇ．１ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｆａｕｌｔ Ｆｈ ａｎｄ ｄａｍａｇｅｄ ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｔｈｅ ｉｎｃｌｉｎｅｄ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ 在榆林小区向西南延伸的４ ｋｍ范围内，经勘 察发现另外两条走向与Ｆｅ大致平行的断层Ｆ１Ａ和 Ｆｂ，断层线附近楼房倾斜破坏有类似的特点。房屋 与断层线小角度斜交，发生扭斜：与断层线大致垂 直时，则断层线北侧下沉明显，南北走向的墙体裂 缝严重，并且墙面裂缝北高南低，大致呈４５。。 场地工程勘察显示，该区域工程地质条件良 好。自地表向下依次为人工填土、（粉质粘土）、砂、 砾卵石层、强风化和中风化页岩或混合岩，第四系 覆盖层厚度８～９．０ ｍ。 按照文献［３】的采沉影响计算方法和结构损伤 分析理论无法解释房屋的破坏。主要表现为： （１）在抚顺煤田计算采煤沉陷范围以外出现成 组的损伤房屋。损伤房屋沿着断层走向带状分布。 房屋设计、施工质量良好，场地条件良好，房屋和 场地本身不致造成这样的破坏。 （２）断层线穿越的房屋墙体裂缝形式表现为差 异沉降，背离煤矿采空区的方向沉降量反而大，三 条平行的断层线在地表的露头处出现南高北低的 “反陡坎”现象。 （３）接近断层但没有被穿越的房屋均表现为朝 向采空区方向的整体倾斜。 图２榆林小区４ 楼外墙裂缝分布、走向以及受 力分析 Ｆｉｇ．２ ｃｒａｃｋｓ ｄｉｓ岫ｂｕｔｉｏｎ ｏｎ ｏｕｔ ｗａｌｌ ａｎｄ ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ａｃｔｅｄ ｆｏｒｃｅｓ 房屋损伤机制分析 抚顺市的露天开采和井工开采均位于研究场 地南侧。露天矿坑距相同类型损伤屋最近的距离有 １ ２００ ｍ，井工开采距榆林小区损伤房屋最近的距离 有４００ ｍ。现在令人困惑的问题是： （１）研究场地损伤房屋均在计算沉陷盆地边缘 以外，为何还严重损伤？并且研究场地往南至计算 采沉影响边界之间仍然有大量未受采煤沉陷影响 的完好房屋： （２）严重损伤房屋的形态表现为向北倾斜、扭 斜，地面出现南高北低的“反陡坎”，而采煤活动 发生在场地南侧，与通常的采沉影响规律相背； 为回答上述问题，合理解释研究场地的房屋损 伤机制，需要综合区域地质构造、采煤活动等相关 资料，并结合结构损伤特点，以下是房屋破坏原因 的分析结果。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第６期 郭 迅等：采煤沉陷与断层相互作用Ｉ１起地表建筑破坏特点分析８５３ ２．１ 构造断层的存在 ２．２岩块体多米诺骨牌运动 构造断层存在的主要证据有：①从榆林小区 实际上是平行岩体的多米诺骨牌形式的运动 看，倾斜、开裂严重的４ 楼２单元与５ 楼西北角以 产生了榆林小区这样的地貌和结构破坏形式。具体 及７ 楼东南角分布于一条近东西向的直线』 ，直线 而言，邻近榆林小区的地下８００ ｍ处正在进行较大 两侧的房屋倾斜轻微，地表建筑破坏早条带状分布； 规模煤炭的综放开采。图３１５１是由南向北穿越榆林 ②该直线在基岩的投影上的钻孔揭示了断层泥的 小区的地质剖面图，采出空间周边岩体应力失衡， 存在。断层泥是断层在一定地质时期断层面两侧反 在重力和图３边界条件约束下，岩块体将发生如图 复错动的产物，其特点是本身基质呈泥状，内部包 ４的运动。图３中Ｒｌ～ 分别代表各断层面分割后 含断层两盘基岩不易风化的硬质颗粒。断层泥是断 的岩块体，煤层挖除后如果不回填或回填不密实， 层存在的重要标志；⑨该直线上钻孔在“胞陛”的 则在重力作用下，Ｒ１～ 将分别按所标箭头方向发 砾卵石层中的动力触探击数明显偏低，甚至有几个 生运动，就像“多米诺骨牌”一样。这些平行岩块 钻孔在进行动力触探时，钻杆掉进砾卵石层的裂缝 的运动在地表的表现就是一系列南高北低的“反陡 中。这是断层张性活动在脆性砾卵石层中的表现。 坎”，每一条反陡坎都对应一条断层。 。 ！！ ！ ｂ龟＝ 由南１ 日北 葺 越 林小 的Ｅ｛ ７００旨ｌＪ 面售 ． 日 ．＼ ＼ ｔＩ 霉 ， 、．， ＼ 、 ｈｈ ’ ．Ｊ— Ｉ— ｒ● ｜。 Ｊｔ 。 ｜ ｓ ｌ ｜ ＼ ＼ ｂｋ， 、 ● ＼、 ’ 。 ｜ １． １煤层 离 、＝ 陵 － ， ＼ ＼ 一＼一 、 ●＿ — —、 ｈ、 ＝ ｛・ ＼ Ｌ～ ’＿－＼ －－ 、 。＼ ＿＿ ． ～、 — 、 ． 、 —～ ／ － 、～ —．． Ｉ Ｉ ｌ ● Ｉ ｛ Ｉ 图３由南向北穿越榆林小 的抚顺煤田区域地质构造剖面图 Ｆｉｇ．３ ａ ｐｒｏｆｉｌｅ ｗｈｉｃｈ ｓｈｏｗｓ ｔｈｅ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｃｏｍｅｓ ｔｈｒｏｕｇｈ Ｙｕｌｉｎ ａｒｅａ ［二二二二 Ｎ ［＝＝＝ ＞Ｎ Ｘｌ ＹＩ 玛 Ｙ３ Ｘｌ ＹＩ Ｙ３ 缝 （ａ）变彤前 （ｂ）变形后 图５岩体运动前后地表房屋受力和变形示意图 （ａ）变彤Ｉｊ１ｆ （ｂ）变形后 Ｆｉｇ ５ ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｂｅｆｏｒｅ ａｎｄ ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ｒｏｃｋ ｍｏｖｅｍｅｎｔ 图４断层和采煤共同作用下，岩体“多米诺骨牌”失稳示意图 Ｆｉｇ．４ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ ｉｎｄｕｃｅｓ ｒｏｃｋ ｂｌｏｃｋｓ ｄｏｍｉｎｏｅｓ ｍｏｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｃｅ ｏｆ ｐａｒａｌｌｅｌ ｆａｕｌｔｓ 维普资讯 http://www.cqvip.com ８５４ 辽宁工程技术大学学报 第２５卷 在榆林小区，当Ｆｈ左（南）侧岩体发生向左下 的运动以后，将导致对Ｆｈ右侧支撑作用的降低，在 重力作用下，Ｆｈ右侧发生牵连的沉降并伴随向左侧 转动，这就出现了Ｆｈ南北两侧的垂直沉降差，从而 出现了如今所见到的地表沉降现状。 按照上述岩块体运动理论，地表除断层线两侧 有差异沉降外，还应有小区的整体沉降，并且总体 表现为南低北高，符合采煤沉陷的大趋势。实际测 量结果正是如此，Ｆｈ南北两侧的１ 、２ 、３ 、３ 、 ６ 、９ 楼均随地面一起运动，向南倾斜０．２～１．０。。 在现场还测试了与Ｆｈ平行的另外两条断层线两侧 ５０ ｍ范围内４Ｏ御栋楼房，结果都是如此。 ２．３房屋破坏机制分析 上述分析表明，采煤活动导致岩体失稳，发生 多米诺骨牌运动，由此可以对房屋损伤的力学机制 阐释如下：如图５，岩块体变形发生之前，尽管有 断层存在，但岩块体仍然稳定，地表平坦，没有不 均匀沉降现象。当地下采煤破坏岩块体的稳定平衡 以后，原来大致平行的几块岩体像多米诺骨牌一 样，顺序向南倾斜转动。这样运动的结果是原来在 同一标高处的ｘｌ、ｌ，ｌ、ｘ２、ｙ２、ｘ３、Ｙ３（图５ａ）， 变成如图５ｂ的锯齿状。变形后地面标高的特点是： ①总体上符合南低北高的趋势（ｘｌ低于ｌ，３）；②在 同一块体上，呈现缓慢的南低北高趋势：③在块 体分界处（断层线），存在剧烈的“反陡坎”，比如 ｙｌ高于 ，ｙ２高于 。 正是由于上述地表变形机制，才导致骑跨断层 的建筑变形剧烈而发生严重破坏。图５显示骑跨断 层的房屋（厢房）破坏形式以开裂为主。东西向的 正房以向北倾斜、扭斜为主。而远离断层的建筑物 仅随岩块体作“牵连运动”，有缓慢的整体倾斜趋 势，一般没有明显的差异沉降，所以很少出现破坏。 事实上，王来贵等 曾指出“岩体结构面对岩 体力学有控制作用”。这里的断层就是岩体结构面。 ３损伤房屋治理方案 由于从机理上认识到房屋损伤根本原因是采 煤沉陷导致房屋地基差异沉降引起。损伤房屋差异 沉降的方向异常及其分布范围在正常计算采沉影 响范围之外，是由于采煤区以北有几条平行构造断 层存在，这些断层将岩体分割成大致平行直立的块 体。采煤造成侧向失衡以后，平行的岩块体向采煤 方向发生“多米诺骨牌”形式的刚体转动，这种运 动造成地表出现“反陡坎”，从而造成了现存的房 屋损伤形式。据此提出了以下有针对性的治理方 案。如果损伤房屋尚未达到拆除标准，且上部结构 相对完整，可采用“高度可调螺旋支座”和“高度 可调橡胶支座”进行治理。其基本原理是在被治理 房屋基础以下加设一个高度可调层，在该层内安装 可调支座。当房屋受采沉影响发生缓慢倾斜达到某 程度后，通过液压或机械手段，升降相应位置的支 座高度，使房屋重新达到正常体位。 上述两种高度可调支座已经申请了中华人民 共和国发明专利，并且在实际工程中成功应用。 ４ 结 论 通过对损伤房屋现场损伤、形变测量、地质勘 察、区域地质构造调查等手段，对抚顺榆林小区若 干房屋的损伤进行了深入分析，得到如下结论： （１）基于工程力学基本原理，分析了由于采 煤造成受力失衡，断层分割成的平行岩块体发生 “多米诺骨牌”形式的运动，使地表出现“反陡坎”， 并造成断层线出露处地表建筑损伤形式与“正常” 差异沉降方向相反； （２）揭示了由于构造断层的存在，采沉影响 区域比按照正常参数计算的区域有所扩大： （３）基于上述房屋损伤机理的分析，提出了 采用高度可调支座的方法对损伤房屋进行治理的 方案。 参考文献： …１ 王金庄，开采沉陷若下理论与技术问题研究【Ｊ］．矿山测 量，２００３，９（３）：１－５． 【２］黄乐亭．地表动态沉陷变形的三个阶段与规律【Ｊ］，矿山测 量，２００３，９（３）：１ ８－２０． ［３煤炭科学研究院北京开聚所．煤矿地表移动与疆岩破坏规律及其应 ３］用［Ｍ］，北京：煤炭工业出版社，１９８１， 『４】康建荣，赵阳升．停采后覆岩及地表下沉率随时间变化实验分析［Ｊ Ｊ］辽宁工程技术大学学撤，２００５，２４（３）：３２４．３２７． ［５】张生忠。吴广鹏，王树玉．抚顺特厚煤层开采技术［Ｍ】一Ｅ京：煤炭工业 出版社．２００１． ［６】王来贵。李建新，赵 娜，等．岩石工程系统破坏的弱场控制探讨『Ｊ１． 辽宁工程技术大学学报 ２００５，２４（５）：６７ １．６７３．
