山東新泰煤田采空區(qū)地面變形特征及影響因素

劉善軍，馮克印，2，韓永東，齊孔讓，王春蕾

(1.山東省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，山東濟南 250014;2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083;3.山東省地礦工程勘察院，山東濟南 250014;4.山東省濟南市歷城區(qū)畜牧局，山東濟南 250100)

山東新泰煤田采空區(qū)地面變形特征及影響因素

劉善軍1，馮克印1，2，韓永東3，齊孔讓1，王春蕾4

(1.山東省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，山東濟南 250014;2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083;3.山東省地礦工程勘察院，山東濟南 250014;4.山東省濟南市歷城區(qū)畜牧局，山東濟南 250100)

礦山采空區(qū)地面變形受多種因素影響和制約，同一礦層在不同地質(zhì)條件和開采條件下，不僅地面變形形式及其發(fā)生、發(fā)展過程存在明顯差異，而且造成的危害程度差別很大。因此，開展礦山采空區(qū)地面變形及影響因素研究，將有助于推動礦山地質(zhì)環(huán)境和地質(zhì)災(zāi)害的科學(xué)防治。

采空區(qū);地面沉陷;地裂縫;地面塌陷;頂板管理

0 引言

山東華源礦業(yè)集團有限公司(原張莊煤礦)于2007年8月17日發(fā)生地表水潰入井下事故，導(dǎo)致了172名礦工死亡事件，這就是震驚國內(nèi)外的8.17山東華源礦難。潰水事故發(fā)生后，在離潰水點較近的張莊村、王家村等相繼發(fā)生地面沉陷。為保障國家和人民生命財產(chǎn)安全，省政府作出重要批示，要求對新泰市煤礦采空區(qū)進行詳細調(diào)查，為下一步開展地質(zhì)災(zāi)害治理及群測群防工作提供依據(jù)。根據(jù)調(diào)查資料［1］，現(xiàn)對新泰煤田采空區(qū)的地面變形特征及影響因素進行分析。

新泰煤田是我省重要的煤炭基地之一，位于山東省魯中山區(qū)中部新泰市境內(nèi)，東西長約26km，南北寬約9km，面積232.8km2。煤系地層沉積時代為石炭—二迭系，含煤地層厚度一般250～340m，本區(qū)共含煤17～20層，其中，可采煤層共含11層，可采總厚度3.7～9.9m。新泰煤田開采歷史悠久，有史料記載的最早開采時間為唐、宋時期，現(xiàn)代煤炭開采始于1919年。截止到2007年9月，新泰市煤礦區(qū)現(xiàn)有生產(chǎn)礦山37個，礦山總面積約227.8km2，年產(chǎn)煤1500余萬噸，最大開采深度已超過1200m。

1 采空區(qū)空間分布特征

新泰煤田各個時期采空區(qū)星羅棋布。時間較遠的(解放前)古采區(qū)主要分布于禹村、汶南、良莊、孫村等淺層煤分布區(qū)，受當時經(jīng)濟技術(shù)水平制約，多以小煤窯方式進行開采，且開采深度一般小于150m，生產(chǎn)規(guī)模較小，因而采空區(qū)范圍通常較小。

新中國成立后，隨著經(jīng)濟社會發(fā)展對煤炭資源需求量的日益增加和機械化開采技術(shù)的不斷進步，采空區(qū)范圍及其增長速率迅速提高［1］，礦山采空區(qū)亦由淺部、零散狀分布轉(zhuǎn)入向縱深和相對連續(xù)的大范圍分布狀態(tài)。

目前，全市煤層采空區(qū)總面積87.67km2。受開拓方式和開采方法影響，采空區(qū)類型多樣，全冒落、條帶(局部為刀采)冒落、水砂充填、矸石條帶充填等均有分布，因而采空區(qū)空間分布狀態(tài)極為復(fù)雜，主要表現(xiàn)在以下方面。

(1)在平面分布上，各礦山采空區(qū)類型均以冒落式為主，面積76.23km2，占全市煤礦采空區(qū)總面積的86.95%。條帶冒落采空區(qū)主要分布于小協(xié)煤礦、泉溝煤礦、沈村煤礦、淞河煤礦、新興煤礦等礦山煤層開采區(qū)，面積僅1.82km2。水砂充填區(qū)主要分布于新汶礦業(yè)集團所屬的華恒煤礦、華源煤礦、孫村煤礦、協(xié)莊煤礦等礦區(qū)，沿柴汶河右岸由東南向西北呈帶狀分布，面積11.44km2。此外，境內(nèi)鄉(xiāng)鎮(zhèn)小煤礦眾多，除放城煤礦采空區(qū)相對較簡單外，各礦同一煤層采空區(qū)形態(tài)各異，空間分布不均勻，范圍面積差別大，且連續(xù)性差。

(2)在垂直方向分布上，不同礦區(qū)采空區(qū)垂向分布層數(shù)、形式、埋深極具差別。首先，各煤礦采空區(qū)在垂向分布上，多層采空區(qū)大部沿柴汶河北岸呈條帶狀分布。其中，冒落采空區(qū)垂向分布一般一至五層，局部(名公煤礦)最多達到七層。采空區(qū)埋深200～1050m，單層煤采高0.9～3.1m，平均累計采高1.3～7.8m;水砂充填以孫村煤礦和華源煤礦規(guī)模較大，充填層數(shù)二至六層，其它煤礦一般一至三層。充填深度30～847.8m。單層采空區(qū)充填厚度0.4～3.5m，累計充填厚度0.8～7.6m;矸石條帶充填區(qū)主要分布于華恒(汶南)煤礦，主要充填13、15層煤采空區(qū)，深度500～600m。

其次，各煤礦區(qū)不僅采空區(qū)埋深大，垂向疊加層數(shù)多，而且不同類型采空區(qū)交錯分布。如協(xié)莊煤礦二號風(fēng)井－風(fēng)井一帶2、4、6、11、13層煤采空區(qū)，上部2、4層煤與下部13層煤采空區(qū)為水砂充填，中部6層煤采空區(qū)則大部為全冒落。目前，該煤礦最大開采深度已達到1210m。

2 采空區(qū)地面變形形式及特征

新泰煤田地質(zhì)構(gòu)造條件復(fù)雜，礦山開采區(qū)地面變形形式多樣，主要有地面沉陷、地面塌陷、地裂縫，其中，以地面沉陷為最，造成的經(jīng)濟損失及危害突出，地面塌陷和地裂縫次之［2］。

2.1 地面沉陷分布及特征

據(jù)遙感解譯和野外調(diào)查資料統(tǒng)計，截止到2007 年9月，新泰煤田地面沉陷面積累計已達113.97km2。為了解地面沉陷影響程度，按照沉陷深度(W)和沉陷區(qū)地表積水情況初步劃分為三個區(qū)。輕度沉陷區(qū)——W＜1.5m;中－重度沉陷區(qū)——W≥1.5m;沉陷積水區(qū)——常年性積水區(qū)。

(1)輕度沉陷區(qū)

主要分布于各煤礦近期采空區(qū)和小型煤礦開采區(qū)，面積約41.26km2，占沉陷區(qū)總面積的36.2%，累計沉陷深度一般0.3～1.4m。據(jù)調(diào)查，本區(qū)地面以緩變形為主，下沉量較小，標高損失和地面形態(tài)變化不甚明顯。但由于沉陷區(qū)地面下沉不均勻，尤其是采空區(qū)邊緣地帶，地面傾斜較大，因而村莊、學(xué)校房屋受破壞嚴重，孫村煤礦、良莊煤礦、泉溝煤礦、協(xié)莊煤礦、翟鎮(zhèn)煤礦等礦山近期采空區(qū)分布的村莊、學(xué)校房屋破壞等級大部達到Ⅲ級，部分地段達到Ⅳ級。

(2)中－重度沉陷區(qū)面積72.71km2，占全市采空沉陷區(qū)總面積的63.8%。主要分布于孫村、華源、華恒、協(xié)莊、泉溝、翟鎮(zhèn)、良莊等大、中型煤礦開采區(qū)和汶河、沈村、禹村等小型煤礦開采區(qū)。累計沉陷深度一般1.6～5.3m，泉溝煤礦北部達到6.4m。其中，老采空區(qū)沉陷深度一般1.6～4.8m，近期采空區(qū)沉陷一般深度1.5～5.3m。本區(qū)建(構(gòu))筑物和農(nóng)田等受影響嚴重，部份地段汛期出現(xiàn)嚴重積水現(xiàn)象。同時，由于以上煤礦開采區(qū)地形起伏較大，殘丘地形發(fā)育，因而沉陷盆地形態(tài)多不規(guī)則。

(3)沉陷積水區(qū)

主要分布于協(xié)莊煤礦、良莊煤礦、孫村煤礦、翟鎮(zhèn)煤礦等中—重度沉陷區(qū)，多位于自然地勢低洼地帶和近河流地帶沉陷區(qū)，面積約0.554km2。由于沉陷區(qū)淺層地下水水位動態(tài)變化較大(年變幅3～5m)，因此，沉陷積水區(qū)多以季節(jié)性(汛期)主，積水區(qū)汛期積水深度一般1～2m，泉溝煤礦可達2～3m，累計積水時間一般4～6個月。由于農(nóng)田積水，從而造成大量農(nóng)作物絕產(chǎn)或減產(chǎn)。

2.2 地裂縫

主要分布于華源煤礦區(qū)緩坡丘陵地帶，出露地層為古近系紫紅色粉砂巖，第四系殘坡積物厚度大多小于2m。該地帶分布有11層煤近期采空區(qū)，長約1.1km，平均寬度0.22km，面積約0.242km2。采空區(qū)平均埋深650m，采高1.7m。2002年、2004年采空區(qū)相繼發(fā)生地面沉陷，同時地面出現(xiàn)數(shù)條裂縫，目前仍依稀可辨地裂縫2條，延展方向近東西，長度約300 ～500m。

2.3 地面塌陷

主要分布于淞河煤礦、碗窯頭煤礦、高佐煤礦等礦山淺部煤層采空區(qū)，發(fā)生于2004年以前。共發(fā)現(xiàn)塌陷坑20余個(大部已填平)，塌陷區(qū)地面非連續(xù)變形突顯，平面形態(tài)多呈不規(guī)則圓形，直徑一般2～4m，深度0.7～1.1m。塌陷坑多發(fā)生于農(nóng)田內(nèi)，造成的損失相對較大。

3 采空區(qū)地面變形影響因素

新泰市煤礦區(qū)除具有省內(nèi)煤礦山共同的地面變形規(guī)律外，由于地質(zhì)環(huán)境條件的差異性，煤層埋藏條件、地形及斷層制約了各礦區(qū)地面沉陷、地面塌陷、地裂縫的生成與分布。

3.1 煤層埋藏條件

地面沉陷發(fā)生在煤層埋藏深度較大、上覆第四系較厚的地帶，沉陷區(qū)多表現(xiàn)為寬緩的移動盆地。第四系厚度較薄或巖石裸露地帶，沉陷通常引發(fā)伴生地裂縫，如禹村煤礦、放城煤礦區(qū)，古近系礫巖直接裸露于地表，地裂縫十分明顯。而塌陷坑則多發(fā)生于具有一定厚度第四系分布的淺部煤層開采區(qū)，但規(guī)模一般較小。如永安礦、高佐煤礦、碗窯頭煤礦區(qū)地面塌陷。

3.2 地形條件

新泰市煤礦區(qū)地形為剝蝕堆積山間平原，低矮緩丘發(fā)育，地面相對高差40～60m。因此，受礦區(qū)地形起伏影響，沉陷區(qū)移動盆地一般不甚明顯，地面標高損失不易覺察。

3.3 斷層影響

由于斷層使其上、下盤巖層及結(jié)構(gòu)面完整性、連續(xù)性遭到破壞，采空區(qū)上部巖層垮落時極易沿斷層面形成滑動，從而使巖層正常條件下的移動影響邊界終止于斷層面，移動盆地的大小和位置因此而亦發(fā)生改變(圖1)。新泰市煤礦區(qū)第四系厚度較薄，與省內(nèi)第四系厚度較厚的其它煤礦區(qū)相比，反映到斷層帶上的地表變形更加劇烈。如2001年12月20日，翟鎮(zhèn)煤礦7201上面推進320m，下面推進360m時，在穆家店村東地表出現(xiàn)一條與F19斷層有關(guān)的地裂縫，長約240m，斷層地面露頭開采盤(下盤)較上盤下沉值顯著增大，并在地表出現(xiàn)裂縫、臺階。由于7201上、下兩工作面總長度較小(僅為330m)，使傾向方向達不到充分采動，地表最大下沉較小，因此，斷層露頭臺階表現(xiàn)為一傾斜面，尚未形成垂直位移現(xiàn)象。斷層露頭臺階裂縫的大小與開采移動變形值有關(guān)，由于斷層露頭的變形集中作用，使地表移動變形盆地的正常分布發(fā)生改變，在斷層露頭處的地表變形加劇，而斷層露頭外側(cè)附近的地表變形則緩和，小于其正常變形值。據(jù)新泰市煤礦區(qū)有關(guān)監(jiān)測研究資料，露頭處產(chǎn)生的非連續(xù)變形值達正常開采移動變形值的6倍。斷層傾角的大小影響臺階的產(chǎn)生，當斷層傾角小于20度時，影響不明顯，反之影響顯著。此外，斷層上盤煤層開采后，斷距及采空區(qū)上部巖體的下沉速度控制了地面非連續(xù)變形規(guī)模和形式。斷距越大、巖體下沉速度越快，地表越易形成臺階和地裂縫。

3.4 采空區(qū)頂板管理

新泰市煤礦采空區(qū)頂板管理辦法多樣，具有全冒落、條帶冒落開采、刀采、水砂充填、矸石充填等，是全省應(yīng)用最多的煤礦區(qū)。全冒落開采區(qū)地表易達到充分移動，主要影響范圍及累計變形值大;矸石充填及條帶冒落開采區(qū)，地面主要影響范圍及累計變形值小，但沉陷不均勻;刀采區(qū)頂板巖石堅硬，不易冒落，因而地面基本無變形發(fā)生;水砂充填區(qū)，地面主要影響范圍及累計變形值小，且沉陷均勻。

4 結(jié)束語

新泰煤田煤層埋藏條件復(fù)雜，較之省內(nèi)濟寧、滕州、肥城等煤田礦山開采區(qū)，地面變形形式多樣，地面沉陷、地裂縫、地面塌陷均有分布。經(jīng)綜合分析，地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌、煤層埋藏賦存特點以及采空區(qū)頂板管理辦法是影響地面變形形式的重要因素。

［1］劉善軍，常允新，劉玉讓，等.山東省新泰市煤礦采空區(qū)調(diào)查評價報告［R］.濟南:山東省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站2008，40－41，53－58.

1003－8035(2010)02－0133－03

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2010－01－08

2010－03－01

劉善軍(1967—)，男，學(xué)士，高級工程師，從事水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)及地質(zhì)災(zāi)害勘查與研究。

E－mail:fengkeyin2006@126.com