前言

在我国，山地丘陵地貌占极大部分。矿区的工业构筑物与民用建筑物，除了经受矿山开采的采动影响之外，还显著地受山丘地形地质影响。人们的生产与生存活动稍不留意，就会导致灾变，危及生产与安全。有时人们还错误地把成因归结于开采影响，而使灾变一再加剧。由此看来，对于位于山地丘陵地带的矿区，对于由非开采原因所致的工业构筑物与民用建筑物破坏，必须深入研究人工灾变的导因，采取合理措施，并进一步防患于未然，竭止人工灾变。

先简述三个实例与对策，再转至综合决策。

1 工业水池不当布置所导致的竖井区滑坡与治理

阳泉矿区位于沁水煤田东北边缘，地处山西高原东侧，太行山西麓的山岭地带。阳泉一矿北丈八副立井地处西山坪山峰东麓，山峰标高1 039.5m。

1.1 概况

山坡上陡下缓。上部山坡平均坡角为30°，地表基岩裸露；往下往东麓，由30°斜坡剧变为略有起伏的丘陵地形。逐渐被第四纪黄土Q₂₊₃复盖，厚约5~l0m。副立井处表土厚llm，由黄土、第四纪堆积物、粘泥等组成，并直接与3^#煤层顶板相接。剖面位置如图 1所示。

地层从老到新为：奥陶系马家沟组灰岩，石炭系本溪组，石炭系太原组，二迭系山西组煤系地层，二迭系下石盒子组、上石盒子组、石千峰组地层，第四系黄土及近代河床冲洪积层，不整合沉积于各时代基岩之上。煤层埋藏条件稳定，倾向西南，倾角3°~6°，个别可达10°~15°，构造简单。基岩面倾角为20°。

1.2 立井井壁错动状况

北丈八副立井于1958年年底施建，1960年停建。井筒直经6.50m，井深170m，井壁用标号150^#、厚600mm的素混凝土浇灌。1 974年2月恢复建设时才发现在西壁西帮距井口深11~12m处，混凝土井壁由西北向东南方向错动30mm。1978年井筒安装时，井筒西帮错动已增至80mm，东帮也出现了30mm的错动。两帮在5~6m长的圆弧井壁上呈月牙状，西井壁沿错动裂缝涌水，不断流入井下。如图 2所示。

从剖面图 1可知：在副立井井口上方，于1958年后相继修建有4个水池，其总容量960 m³，增加了井口上方土体的推动力。况且，水池管理不善，严重漏水，渗水大大降低了表土的抗剪强度与内聚力，形成推动式滑坡。滑坡体面积约3 000m²，平均厚度约l0m，滑坡体积达30 000m³。

a.  失稳前之土体稳定性。该滑坡体主要是井筒上方之土体。由于水池附加荷载及渗水减小了抗滑力，促使沿倾角为20°的山坡基岩面下滑，使副立井井筒错位。为平面型滑坡。

在建水池前，趋于稳定状态的山坡体稳定性系数K₁为：

式中：γ——土体容重，1.8t/m³; c——粘聚力，c=0.5t/m²; ϕ——内摩擦角，ϕ = 30°; α——基岩面倾角，α = 20°; L——斜坡长，此处为70m; h——滑坡体平均高度，此处为7m; H——滑坡体平均宽度，此处为10m;

b.   建水池后，立井上方土体滑动瞬间之稳定性系数k₂。建水池后，增大了附加荷载960t，使下滑力增加了。渗水后，使土体的粘聚力由0.5t/m²减少至0.3t/m²，土体内摩擦角由30°减少至20.5°，使土坡体稳定系数变为k₂。

式中：G_p——对应于滑体单位宽度上增加的附加荷载，此处为96t; c'——渗水后土体的粘聚力，此处为0.3t/m²; ϕ'——渗水后土体内摩擦角，此处为20.5°。

故建水池并渗水至一定程度后，土体c、ϕ降至c'、ϕ '，土体失稳造成不稳定滑坡，使井筒逐渐错断。

1.3 抗滑桩加固

1978年发现北丈八副立井移动还未停止，在1979~1981年间共打钻注浆46个孔，以0.588MPa~0.687MPa的压力，用1：1水和水泥进行注浆，并在ϕ377mm无缝钢管内各加3根24kg的钢轨，浇注1：2：3的200^#混凝土，在直径ϕ127mm的无缝钢管内只浇注混凝土，而不再下钢轨。ϕ377mm钻孔14个，ϕ127mm钻孔32个。孔深16~24m，每个孔打入基岩5~13m，共钻进780m，用钢材30.78t，水泥56.8t，耗资26.86万元，完工后井筒未见明显移动。锚固孔布置见图 3。

抗滑力P计算采用Hennes公式：

式中：h——桩的有效长度，平均llm，根数为46根；d——桩的直径，考虑到此处桩顶直径为1m，桩底直径0.7m，平均0.8m; c——粘聚力，锚固在砂岩中，取c=0.015 MPa。

锚固桩总抗滑力ΣP为：

当抗滑桩加固后，不采取引排水措施，渗水后的土体内聚力c'=O.3t/m²，内摩擦角ϕ'=20.5°，只单位宽度抗滑力增加121.4t，相应的稳定性系数k₃为：

k₃＞1，此处已稳定，但备用系数不大。可从妥善管理水池，提高c'、ϕ'值入手来确保立井安全。自加固处理后，已安全运行至今。

1.4 教训

山丘地带，一些工业设施利用地势依山按阶地而建，原为好事，但决不能低估山区滑坡及其危害性，应事前在工程地质、水文地质基础上作出建设可行性研究并作出相应对策。如确实存在潜在滑动面，应充分估计水、震动等因素。切忌在滑坡体上方布置水工设施，由于管理不善，漏水作用而导致人工灾变。安徽铜官山铜矿选厂也属同类情况。后来，对选厂铜浮挡墙与脱泥挡墙采取加固措施，并废弃了上部水池才确保选厂安全。

2 民房地基工程导致了新建民房的破坏

利民煤矿位于湖南冷水江市渣渡矿区南端西翼，1974年投产，设计年产煤60万t/a。井田范围内有梓芳冲、栗江村、渣渡、银溪四大村庄，压煤占可采储量的21 %。在井田范围以外有一个山区村庄禾家冲，近年来沿山腰新建不少民房，大部分遭严重破坏。由成因而致赔偿问题诱发了矿山与农村矛盾，急待决断。

2.1 禾家冲邻近区段的矿山概况

矿区地表至煤层的主要地层结构为：第四系表土层0~5m，壶天灰岩0~50m，梓门桥灰岩145m，测水组上段78m。

矿山开采石炭系上石炭统测水煤系，测水组含煤七层，其中仅三煤层可采。上分层全层可采，平均煤厚2.6m;下分层不稳定，煤厚0~4.5m，仅局部可采。三煤层呈单斜构造，没有大褶曲和断层，但落差在0. 5~5.0m小断层很发育，绝大多数为正断层，断层倾角一般大于60°。顶板为灰白色石英砂岩，厚度7.5~18.2m，岩块抗压强度294.2MPa，假顶为薄层状黑色泥岩或粉砂岩，厚度为0.2~0.5m，爆破后随煤层冒落。底板为深灰色薄层状细砂岩。

此区平均采深135.2m，平均倾角24.5°。走向长壁工作面，全冒管理顶板，工作面倾向长70m左右，走向长250m。禾家冲距开采边界超过250m，位于煤层底板上方。

2.2 民房概况

禾家冲位于三面环山的丘陵坡地上，地面上陡下缓，山坡自然坡角φ≈30°，民房多建于山腰附近。有0~5m厚表土，下伏基岩缓倾，α = l6°~18°。多数村舍依山建筑，坐落于开切的阶地上，屋前堡坎高1~4 m，系片石砌筑。房屋一般为二层外廊式楼房，砖木结构，墙基为500mm宽片石基础，墙身以18砖墙为主，有少量土砖墙和空斗墙。二层楼为木板，硬山木檀，小青瓦屋面。房屋长7~33m，宽7.5~10m，平面图形简单，一般较长房屋为二次以上扩建而成。老房多建于70~80年代。近年建的民房，在缓坡处很少见损坏。在陡坡处，挖土填基所砌新房大多严重损坏。民房破坏形式主要有两类：

a.  当民房长轴方向沿山腰等高线布设时，在沿等高线方向的墙面上出现倒“八”字的斜向裂缝，裂缝下窄上宽，地基有底鼓迹象；在正交方向的山墙上出现竖向位伸缝，有三间房上下直贯，大部分只局部开裂。

b.  在山腰与山脊线交叉处新建民房，破坏最为严重，无论主墙或山墙均双向扭弯，开裂以上部为宽，砖块碎裂、脱落，严重危及安全。影响使用。

2.3 禾家冲附近变动迹象

禾家冲附近地貌、地物基本无变化。破损民房多属新建，并在半山腰坡度较陡而地基均属新开挖的大致同一等高线带内。具体为：

a.  在禾家冲下方山坡、侧旁山坡上，原有井泉依旧，并无任何变化迹象；

b.  井泉与禾家冲之间，没有发现任何鼓起、开裂等滑体前沿的地貌特征；

c.  禾家冲及附近树木没有任何大滑体上方所特有的马刀林等地表性征状；

d.  没有发现属大滑体后缘的拉伸裂缝及错动区；

e.  没有发现表征采动影响的开裂、错动等地表宏观破坏现象；

f.  所有地表破坏迹象都围绕新建民房地基开挖而产生。各个以新建民房为中心的小滑坡体彼此间无联系，只由于民俗等大致聚集在同一等高线区域。

2.4 禾家冲民房破损原因初析

禾家冲民房破损并不是由于大型山坡体滑动所致，也不属于地下开采影响引起的地表开裂与滑移，实为新建民房地基开挖所诱发的小型山坡滑动所造成的损害，是人类生存活动所造成的人工灾变。

a.  为山坡体小型浅部滑坡。禾家冲为三面环山的山凹村落，有较厚表土层，基岩风化又剧烈。山坡面较陡达30°左右，基岩面较缓为16°~18°。在无重大人工、天然干扰情况下，山坡体处于平衡状态。

新建民房地基开挖，切割了小土坡体的坡脚，使小土坡稳定性系数降低了。在雨季，大雨淋漓，大气降水下渗，使土体抗剪强度指标猛然下降，c、ϕ值降低。对于南方红壤，内摩擦角ϕ在浸水情况下可降至20°以下，使山坡体沿着缓倾基岩面滑动，导致牵引式滑坡。由于大气降水下渗厚度不大，使滑体多为小型局部。在小滑体前部为顺层，中间段略呈圆弧状，在后部有直立后缘，并形成拉伸区，呈围椅状。

b.  小滑体间相互无联系，不可能导致大滑坡。不具有生成大滑体的条件与迹象：从外观现象来看，无大滑坡体前沿、后缘、主体的特征，没有破坏原来地下水、潜水的水力联系。

C.  不为开采地表移动与变形的开采损害。对于缓斜煤层开采，由地表移动与变形所致的开采损害，其主要影响范围区在离开采边界距离为主要影响半径r以内。

式中，H、tgβ分别为采深及主要影响范围角的正切。据涟邵矿务局利民矿的煤系地层中岩性资料，此处tgβ约等于2，故可认为主要影响半径为采深的一半。此处为67.6 m。而禾家冲离开采边界达250m。远离主要影响区。

开采经验表明，在缓斜矿区，在远离开采边界（1.0~3.0）r范围内，当有岩溶、流砂、地下水力联系时，开采也可能波及，称次要影响区。在这里，不仅远远超过此范围。并从开采前后，地表井泉无变化这一状况就否认了次要影响区必备因素的存在，无开采次要影响。

d.  小型滑坡体前沿在新建民房负荷约束下促使地基底鼓，造成了民房主墙体正曲率型的倒“八”字式开裂，山墙拉伸破坏。

e.  山脊与山腰交界处发散状下滑，使处于地貌上拐角处的民房，在双向凸起底鼓作用下呈扭曲状破坏。

2.5 治理

禾家冲民房破坏根本原因在于新建地基切割局部小土坡坡脚引起的，并不是由地下开采引起的采动破坏。治理根本途经为：

a.  绿化造林，防止土壤流失；

b.  山区建房要统一规划，划定适宜建房区、要采取措施才能建房区、不宜建房区，对人工灾变要防患于未然；

c.  对需采取措施才能建房区，要适时采取措施，建挡墙，钻泄水孔，护坡，减少扰动；

d.  正确区分采动损害与扰动小滑坡，正确采取对策，合理解决农工矛盾。

3 铜官山铜矿选厂地基构筑物损害以及挡墙加固 3.1 概况

铜官山选厂位于铜陵市长山头北坡，为日处理矿石5400t的老厂，占地面积6 912m²，主体厂房设施沿倾角28°的山坡成阶梯状建造。由于拆扩厂基工程地质欠缺，地表水管理不善，地面建筑物及设备荷载不断增加等原因，自1980年以来，选厂部分厂房和构筑物严重开裂变位，对选厂正常生产及人身设备安全构成严重威胁！1981年3月，长沙矿冶研究院受托承担了该厂部分厂房地基构筑物开裂变位原因分析及“铜浮”、“脱泥”两处挡墙加固整治。通过排水、卸荷、局部加固、挡墙加固等措施，使厂房裂隙、变位发展得到控制，使“铜浮”及“脱泥”解除隐患。1989年进行了鉴定。

3.2 整治与加固

铜浮车间东头悬臂式钢筋混凝土挡墙，长22m，全高9.5m，新建于1964年。由于挡墙基础开挖深度不够，施工时又值大雨，墙背回填粗糙且夹有杂木，又受上部水池渗漏的地表水作用，导致墙背与斜坡道的片石挡墙脱开，顶部宽165mm，底部宽42mm。

脱泥浮选车间内侧挡墙为日伪时期建造。现为选厂3 000t矿仑地基稳定的唯一构筑，墙基情况不明，墙面严重腐蚀剥落，钢筋裸露锈蚀尤为严重。

整治实施方案为：

a.  铜浮悬臂式挡墙：由于挡墙本身结构完整，墙面无损，破坏集中表现在挡墙倾覆和整体位移，整治采用土层应力长锚杆，和锚杆止滑桩的联合加固方案。

预应力长锚杆：在墙背填土中安设预应力长锚杆8根，锚杆采用ϕ30mm螺纹钢2根，杆长按12m至14m交替排列，焊接式钢筋结构内锚头。锚固端长度7m，孔径110mm，水平夹角13°。浇注水泥砂浆，设置墙而张拉墩台及承压钢板，施加预应力40t。

锚杆止滑桩：墙趾板处布垂直孔8个，ϕ150mm，钻入基岩内2m，采用6根ϕ30mm螺纹钢呈圆形排列焊接定位成桩，浇注水泥砂浆。

b.  脱泥浮选挡墙：针对挡墙上部外鼓变形严重，整治采用现浇钢筋混凝土梁和预应力锚杆联合加固方案：

墙面上安设两排预应力锚杆，上排13根，下排8根。锚杆采用ϕ30mm螺纹钢，上排2根，下排1根。焊接式钢筋结构内锚头，孔径150mm，上排孔深10~12m交替排列，下排均为8m。上排锚固长度5m.下排4m.不设张拉墩台，预应力上排40t，下排25t，浇注水泥砂浆。

“井字形”钢筋混凝土支承梁是锚杆施加预应力的承压梁，又是锚杆之间的连接支承梁。因此要求下水平梁和8根垂直梁的中线均必须通过所经锚杆端部，浇注混凝土。梁承载面积为300mm×300mm，高300 mm。上水平梁及8根垂直梁配筋均为8ϕ12 mm，下水平梁配筋4 ϕ12mm。

加固后，“铜浮”挡墙抗滑和抗倾覆安全系数分别为1.252和1.699，“脱泥”挡墙为1.494和1.155。现场监测与量测表明，加固构件受力良好，工程质量可靠，确保了生产安全。中国有色金属工业总公司主持了科研成果鉴定，认为居国内领先水平，直接经济效益达692.24万元，对类似工程施工具有推广意义。

4 结语

山丘矿区工民建筑的人工灾变由多种原因促成，山坡地形、地质构造、天然地震、雨水冲渗等均是主要自然因素，人工开挖、爆破震动、工业或民用水体渗漏、井工开采影响、施工质量不佳等均是主要人为因素。为此，对工民建筑灾变，必须从矿山工程力学出发，从岩体工程力学、地压控制、山体稳定、地表与岩层移动、震动影响、水的坡体与岩土效应多因素进行综合分析，确定原因，确定治理对策。以缓解灾变、确保安全。上述成功实例可供广泛借鉴。