河北唐山開(kāi)灤趙各莊煤礦采空區(qū)地質(zhì)災(zāi)害特征及防治措施

孫 娟 ，貢常青，郝文輝，任改娟，王慧聰

（河北省地礦局秦皇島礦產(chǎn)水文工程地質(zhì)大隊(duì)，河北 秦 皇島 0 66000）

0 引言

唐山開(kāi)灤趙各莊煤礦區(qū)內(nèi)資源豐富，煤質(zhì)優(yōu)良，已有百年的開(kāi)采歷史。采煤沉陷區(qū)地面破碎，地裂縫、錯(cuò)落、凹陷十分發(fā)育，以地面塌陷、地裂縫（山體裂縫）為主的地質(zhì)災(zāi)害破壞房屋、耕地，危害居民安全，制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展，影響礦區(qū)社會(huì)穩(wěn)定。

根據(jù)調(diào)查，自從煤礦開(kāi)采至今，礦區(qū)南部地面下沉約2～4m，局部產(chǎn)生地面塌陷、地裂縫，主要分布于西趙各莊至白道子村一帶，形成西趙各莊與白道子塌陷積水坑。礦區(qū)北部沿山體采石場(chǎng)采面隨處可見(jiàn)，山體局部開(kāi)采破壞嚴(yán)重，廢石、棄土沿山坡處堆積，給當(dāng)?shù)卦嫉匦蔚孛布吧鷳B(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重影響，區(qū)內(nèi)地形地貌破壞嚴(yán)重。

1 礦山基本情況

1.1 礦區(qū)自然及地質(zhì)環(huán)境

趙各莊井田位于河北省唐山市東北古冶區(qū)，屬暖溫帶季風(fēng)氣候類型，季風(fēng)明顯，四季分明，具有春季干燥少雨，夏季炎熱多雨，秋季涼爽濕潤(rùn)，冬季寒冷多風(fēng)的氣候特點(diǎn)。1月平均氣溫 -6.3℃，7月平均氣溫25.4℃，多年平均氣溫10.8℃（1957～2008年）。多年平均降水量606.4mm。降水多集中在6～8月份，此間降水量約占全年總降水量的70％ ～80％［1］。

趙各莊井田位于開(kāi)平向斜轉(zhuǎn)折端。由西往北而東，呈弧形彎曲。地勢(shì)總體來(lái)說(shuō)北高南低，北部為低山丘陵區(qū)，南部為山前傾斜臺(tái)地（波狀平原）。區(qū)內(nèi)地層受開(kāi)平向斜控制，開(kāi)平含煤盆地地層由老至新，有中上元古界薊縣系、青白口系；古生界前寒武系、寒武—奧陶系、中、上石炭統(tǒng)、二疊系和新生界第四系等。本區(qū)地處燕山臺(tái)褶帶馬蘭峪復(fù)背斜開(kāi)灤臺(tái)凹東部，燕山運(yùn)動(dòng)奠定了區(qū)域構(gòu)造格局，塑成了區(qū)域主要構(gòu)造骨架；區(qū)內(nèi)褶皺構(gòu)造主要為開(kāi)平向斜及其次級(jí)構(gòu)造。斷裂構(gòu)造主要是唐山斷裂，徐家樓斷裂及北部低山區(qū)的磨石板斷層和域山斷層，趙各莊附近基巖地質(zhì)圖見(jiàn)圖1。

1.2 礦山開(kāi)采歷史及現(xiàn)狀

唐山開(kāi)灤趙各莊礦業(yè)有限公司原名開(kāi)灤趙各莊礦，1999年改組為開(kāi)灤（集團(tuán)）趙各莊礦業(yè)有限責(zé)任公司，2009年改稱為唐山開(kāi)灤趙各莊礦業(yè)有限公司。趙各莊礦于1909年2月14日開(kāi)始鑿井，1910年1月14日出煤。煤炭產(chǎn)量最低的年份是1912年，當(dāng)年產(chǎn)量27.6×104t；1975年是趙各莊礦煤炭產(chǎn)量最高的年份，達(dá)到421.5×104t。

圖1 趙各莊附近基巖地質(zhì)圖Fig.1 Bedrock geological map near Zhaogezhuang

趙各莊礦井生產(chǎn)主要集中在十三水平（-1100m）：十三水平（-1100m）東翼3石門為7煤層生產(chǎn)區(qū)域；西翼2、3、4、5石門為9、12煤層生產(chǎn)區(qū)域。十三水平東翼電車道開(kāi)拓施工已結(jié)束，西翼電車道施工至最后一個(gè)石門——8石門。開(kāi)拓水平為十四水平，正在施工井底車場(chǎng)和水平大巷（已完成3000m），礦山開(kāi)拓系統(tǒng)立體示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 礦山開(kāi)拓系統(tǒng)立體示意圖Fig.2 Three-dimensional diagram of mine development system

1.3 礦體（層）地質(zhì)特征

趙各莊井田含煤巖系由石炭～二疊系組成。含煤巖系的底界為G層鋁土巖，頂界為A層鋁土巖，即煤層賦存于本溪組、太原組下段、太原組上段、山西組和下石盒子組。

通過(guò)對(duì)十水平及其以下各勘探工程及巷道工程共148個(gè)揭露點(diǎn)資料的綜合整理與統(tǒng)計(jì)，含煤巖系厚度在縱向上和橫向上變化均比較小。厚度最小401.2m，最大507.8m，一般458.03m?？刹珊簬r系（5煤層頂板 ～12煤層底板）厚度最小109.19m，最大140.39m，一般125.71m，共含煤18層。其中有可采及局部可采煤層共 6 層（5、7、9、11、121、122（西翼121、122合層稱12煤層）煤層），平均總厚度20.90m，占含煤巖系總厚的4.56％，占可采含煤巖系總厚度的16.62％。

煤層垂向分布與淺部相同，主要可采煤層集中于含煤巖系中部石炭系上統(tǒng)的太原組上段及二疊系下統(tǒng)的山西組。第5、7、9、11煤層在全井田范圍內(nèi)都有發(fā)育；第12煤層在東翼1道半石門以東分為兩層，即121和122煤層。參與儲(chǔ)量估算的煤層最小埋深781.1m，最大埋深1254m。

2 礦山主要地質(zhì)災(zāi)害

礦山采空沉陷區(qū)內(nèi)地面塌陷、地裂縫（山體裂縫）地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育，礦區(qū)北部低山其他礦山開(kāi)采石灰石礦、石料采掘活動(dòng)強(qiáng)烈，山體破壞嚴(yán)重，存在崩塌、滑坡地質(zhì)災(zāi)害。

2.1 采空區(qū)分布情況

礦山開(kāi)采已有百年歷史，礦區(qū)東翼2002年10水平以上開(kāi)采基本結(jié)束。2000～2010年礦山正在開(kāi)采12～14水平，西翼主要在西白道子 ～東白道子北部一線，東翼主要在矸石場(chǎng)西側(cè)、南側(cè)一線（表1）。截止目前，礦區(qū)內(nèi)采空區(qū)面積約10.02km2，其中東翼約5.54 km2，西翼約4.48km2，采深在 80 ～1250m。

2.2 采空沉陷區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特征

趙各莊礦采空區(qū)引起的地質(zhì)災(zāi)害主要為地面塌陷、地裂縫（山體裂縫）地質(zhì)災(zāi)害，其給當(dāng)?shù)卮迕裆a(chǎn)生活的影響主要為：村莊搬遷，村莊房屋開(kāi)裂、倒塌，村莊自來(lái)水管線斷裂、漏水，耕地塌陷、開(kāi)裂、雨季積水和長(zhǎng)期積水，道路變形開(kāi)裂以及上下錯(cuò)臺(tái)，破壞輸電線路等情況。

推薦理由:本書(shū)由“童書(shū)評(píng)論”和“童書(shū)序跋”兩部分組成，匯集了海飛先生從業(yè)20年來(lái)發(fā)表在報(bào)刊、媒體上的主要評(píng)論文章。以海飛的視角，清晰地彰顯了我國(guó)童書(shū)大時(shí)代的發(fā)展脈絡(luò)，對(duì)童書(shū)編輯提升自身對(duì)童書(shū)的認(rèn)識(shí)和職業(yè)素養(yǎng)大有裨益。本書(shū)具有我國(guó)童書(shū)出版發(fā)展的紀(jì)實(shí)文本價(jià)值和學(xué)術(shù)文本價(jià)值。

表1 趙各莊礦生產(chǎn)水平接替情況一覽表Table 1 List for replacement level of zhaogezhuang production conditions

通過(guò)地質(zhì)環(huán)境調(diào)查與訪問(wèn)，采空沉陷區(qū)波及范圍約22.33km2（圖3）。沉陷區(qū)內(nèi)不同時(shí)期均出現(xiàn)過(guò)不同程度的地面沉降、塌陷，據(jù)礦山監(jiān)測(cè)資料，自1976年地震后至2004年，根據(jù)無(wú)水莊、黃坨、王輦莊、小梁山、獅子灣、巍山和小黑山觀測(cè)站資料，趙各莊礦范圍內(nèi)于地震前后的地表升降規(guī)律為：西北部地表上升70～399mm，平均 234mm；東南部地表下降 50～249mm。水平位移：西北部為NE方向，平均232mm，東南部為SE方向，平均113mm。

綜上調(diào)查分析，礦山沉陷區(qū)范圍內(nèi)存在地面塌陷、地裂縫（山體裂縫）地質(zhì)災(zāi)害；地面塌陷主要分布在礦區(qū)西翼采區(qū)，包括東白道子塌陷坑、西趙各莊大坑及目前已填平的山前小煤窯開(kāi)采區(qū)域小塌陷坑；地裂縫（山體裂縫）主要分布于沉陷區(qū)邊緣，山體裂縫分布于礦區(qū)西北長(zhǎng)山一帶，地裂縫分布于沉陷區(qū)東南邊緣地帶（圖4）。

區(qū)內(nèi)受影響的村莊主要分布于礦山近年來(lái)開(kāi)采波及區(qū)，包括古冶西街、小古莊、東白道子、西白道子、崔尹莊等村莊。同時(shí)在小古莊—東白道子—崔尹莊北側(cè)產(chǎn)生2個(gè)塌陷坑，不同階段沉陷在塌陷坑的基礎(chǔ)上形成東白道子大坑及西趙各莊大坑；山前煤層露頭處曾出現(xiàn)過(guò)地面塌陷、地裂縫（山體裂縫）地質(zhì)災(zāi)害。受沉陷區(qū)地質(zhì)災(zāi)害影響村莊主要為包括古冶西街、小古莊、東白道子、西白道子、崔尹莊等，村中房屋受到不同程度損壞，對(duì)村民生活產(chǎn)生嚴(yán)重影響（表2）；區(qū)內(nèi)道路、供水管線、電力設(shè)施均出現(xiàn)不同程度的損壞；區(qū)內(nèi)耕地嚴(yán)重受地面沉降變形影響在東白道子村北大坑、西趙各莊西南大坑附近，雨季坑體附近耕地被水淹沒(méi)，致使該帶耕地絕產(chǎn)；其他地段耕地一般仍可以耕種，但對(duì)產(chǎn)量造成影響。采空沉陷區(qū)地質(zhì)災(zāi)害直接經(jīng)濟(jì)損失、威脅人數(shù)多，危害程度為特大級(jí)別，危害程度嚴(yán)重。

表2 沉陷區(qū)范圍內(nèi)房屋損害情況一覽表Table 2 List of housing dam age in subsidence within

2.3 采空沉陷區(qū)地質(zhì)災(zāi)害成因機(jī)制

地下煤層的采出，使巖體的原始力學(xué)平衡受到破壞，煤層上覆巖層將產(chǎn)生移動(dòng)、變形與破壞，上覆巖層由下而上依次發(fā)生垮落、斷裂、裂隙、離層、彎曲等不同的移動(dòng)與破壞現(xiàn)象，隨著時(shí)間的推移，采空區(qū)上方巖體變形、塌落范圍增大，反映到地表出現(xiàn)地面塌陷、地裂縫（山體裂縫），并且塌陷和裂縫隨著巖體的變形、塌落隨之向外延展，直至整個(gè)巖土體達(dá)到新的應(yīng)力平衡。當(dāng)移動(dòng)變形穩(wěn)定后，巖體大致分為垮落帶、裂隙帶、彎曲帶“三帶”。

圖3 采空區(qū)分布圖Fig.3 Goaf distribution

當(dāng)開(kāi)采影響波及到地表以后，地表從原來(lái)的標(biāo)高向下沉降，從而在采空區(qū)上方形成一個(gè)比采空區(qū)面積大的多的沉陷區(qū)域，稱地表沉陷區(qū)。地表沉陷區(qū)邊緣拉伸變形區(qū)域可能產(chǎn)生地裂縫，地表裂縫一般平行于工作面的邊界發(fā)展，但在工作面推進(jìn)前方地表也可能出現(xiàn)垂直工作面推進(jìn)方向的裂縫，這種裂縫一般深度和寬度較小，工作面推進(jìn)后逐漸閉合。在采深較小或采厚較大時(shí)，覆巖破壞高度到達(dá)或接近地表時(shí)，地面將產(chǎn)生漏斗狀塌陷坑［4］。

礦區(qū)西翼逆沖推覆構(gòu)造區(qū)、急傾斜區(qū)巖層產(chǎn)狀陡峭、直立或倒轉(zhuǎn)，上覆第四系厚度一般小于10m，本區(qū)地面塌陷沿煤層開(kāi)采方向（走向）呈條帶狀分布，塌陷帶朝傾向方向偏移，巖層越陡，偏移量越大，地面變形值越大，地面裂縫就比較發(fā)育。調(diào)查表明在大笪莊村北至白道子風(fēng)井一帶煤層露頭處受小煤窯復(fù)采影響，沿線曾出現(xiàn)多處地面塌陷，同時(shí)南側(cè)發(fā)育有地裂縫，北側(cè)發(fā)育有山體裂縫。

礦區(qū)西趙各莊西南至西白道子一帶，第四系厚度在20m左右，其采煤地面塌陷呈橢圓形或近圓形塌陷坑，范圍較大，地面變形相對(duì)較小，且緩慢、較均勻，地面裂縫較發(fā)育。調(diào)查表明區(qū)內(nèi)發(fā)育地面塌陷2處，東白道子大坑和西趙各莊大坑，均為地面塌陷所致；沉陷區(qū)南側(cè)地裂縫較發(fā)育，造成小古莊、東白道子、西白道子等村莊房屋開(kāi)裂、倒塌等情況。

圖4 采空沉陷區(qū)地質(zhì)災(zāi)害分布圖Fig.4 Geology hazard distribution for goaf subsidence

3 地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)狀分區(qū)評(píng)估

根據(jù)礦山地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育、分布特征，成因機(jī)制及區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害危害特征，遵循以人為本、以工程建設(shè)安全為本，“區(qū)內(nèi)相似，區(qū)際相異”的原則，各階段評(píng)估取其重的原則［5］，對(duì)評(píng)估區(qū)內(nèi)進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性分區(qū)（圖5）。

圖5 地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性分區(qū)圖Fig.5 Geological hazard risk zoning m ap

地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性大區(qū)：分布于評(píng)估區(qū)內(nèi)礦區(qū)的西翼和東翼南部地段，面積約14.7km2。其中西翼北部低山區(qū)山體裂縫地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育，存在崩塌、滑坡地質(zhì)災(zāi)害隱患，面積約3.76km2；南部山前傾斜臺(tái)地區(qū)地裂縫、地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育，面積約7.78km2，造成南部地段房屋裂縫發(fā)育，耕地絕產(chǎn)、減產(chǎn)，危害嚴(yán)重。東翼山前傾斜臺(tái)地區(qū)地面沉降、地裂縫發(fā)育，面積約3.16km2，造成房屋裂縫及耕地絕產(chǎn)、減產(chǎn)危害嚴(yán)重。

地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性中等區(qū)：分布于評(píng)估區(qū)內(nèi)礦區(qū)東翼北側(cè)和西翼東北角地段，面積約9.36km2，區(qū)內(nèi)采空區(qū)形成年代均為2000年以前，最早的采空區(qū)形成于解放前，采空區(qū)形成年代較早，初步認(rèn)為區(qū)內(nèi)地表變形基本結(jié)束。該區(qū)域僅以往出現(xiàn)過(guò)地面沉降、地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害，目前調(diào)查未發(fā)現(xiàn)地面塌陷、地裂縫及房屋裂縫等情況，地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性中等。

地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性小區(qū)：分布于評(píng)估區(qū)內(nèi)井口保護(hù)煤柱區(qū)及采空區(qū)波及范圍以外地段，面積約8.94km2。區(qū)內(nèi)基本未受礦山礦業(yè)活動(dòng)影響，調(diào)查未發(fā)現(xiàn)地面塌陷、地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害。

4 地質(zhì)災(zāi)害防治措施

（1）地面塌陷、地裂縫（山體裂縫）防治措施

地面塌陷、地裂縫主要分布于礦區(qū)西翼山前傾斜臺(tái)地區(qū)，在耕地中發(fā)育，春季局部顯現(xiàn)。應(yīng)該仔細(xì)分析礦區(qū)地面塌陷產(chǎn)生的原因及相互關(guān)系，充分認(rèn)識(shí)其規(guī)律性，利用規(guī)律有效地作好防治工作。較常采用的治理方案是充填復(fù)墾法，利用礦區(qū)附近的尾礦、煤矸石、粉煤灰、露天礦剝離物等可利用的充填材料充填采空塌陷地復(fù)田。地裂縫治理前，首先應(yīng)調(diào)查其幾何特征、成因，對(duì)于采空區(qū)地裂縫，治理方法較多，如采用尾礦石回填、灌注漿等。礦山應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)工作，設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，密切注意地裂縫的發(fā)展動(dòng)向［6］。

（2）崩塌、滑坡防治措施

崩塌、滑坡分布于礦區(qū)北部低山區(qū)，主要由區(qū)內(nèi)采石場(chǎng)邊坡產(chǎn)生，礦山應(yīng)與采石場(chǎng)聯(lián)合監(jiān)測(cè)。

防治崩塌通常的措施有：修筑攔擋建筑物、進(jìn)行支撐與坡面防護(hù)、錨固、灌漿加固、輸干岸坡與排水防滲、軟基加固、削坡、清除危巖、加固山坡和路塹邊坡及路線繞避等［7］。

對(duì)于滑坡的治理方法主要是采取支擋、錨固、加固邊坡、改變滑體外型及輸排地表、地下水等措施以防治滑坡，但對(duì)及其危險(xiǎn)的滑體，通過(guò)改變邊坡形狀即降低邊坡高度或放緩邊坡角，削坡減載，永久性地改變邊坡巖體內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)，通常是保持邊坡穩(wěn)定性的最簡(jiǎn)便方法。

5 結(jié)論

我國(guó)煤礦分布廣、戶數(shù)多、規(guī)模大小多樣化，由于技術(shù)、管理及效益等原因的影響，資源開(kāi)發(fā)中引起的地質(zhì)災(zāi)害相當(dāng)嚴(yán)重，給礦區(qū)的人民生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)了嚴(yán)重影響。因此，加強(qiáng)礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)工作，合理有效的利用資源、保護(hù)煤礦環(huán)境，因地制宜綜合防治，實(shí)現(xiàn)煤礦的可持續(xù)發(fā)展，是一個(gè)非常重要的問(wèn)題。

［1］遼寧工程技術(shù)大學(xué)采礦損害與控制工程研究中心，開(kāi)灤（集團(tuán)）有限責(zé)任公司.河北省開(kāi)灤礦區(qū)采煤沉陷情況報(bào)告 ［R］.2004：1-77.Liaoning Technical University Mining Damage and Control Engineering Research Center，Kailuan（Group） Limited Liability Company.Hebei province Kailuan Mine Coal mining subsidence report［R］.2004：1-77.

［2］開(kāi)灤（集團(tuán)）有限責(zé)任公司.河北省開(kāi)灤礦區(qū)采煤沉陷區(qū)受損情況報(bào)告［R］.2004.Kailuan（Group） Limited Liability Company.Hebei province Kailuan Mine Coal mining subsidence damaged report［R］.2004.

［3］中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）.唐山開(kāi)灤趙各莊礦業(yè)有限公司礦井地質(zhì)報(bào)告（1999-2008）［R］.2008：1-143.China University Of Mining and Technology（Beijing）.Tangshan Kailuan Zhaogezhuang Mining Limited Company Mine geological report（1999-2008）［R］.2008：1-143.

［4］趙允輝，謝應(yīng)強(qiáng).廣西新洲礦采空區(qū)塌陷的成因與機(jī)理探討［J］.中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，1997（S1）：196-203.ZHAO Yunhui，XIE Yingqiang.Causes and mechanism of gob collapse in Guangxi Xinzhou mine［J］.The Chinese Journal of Geological Hazard and Control.1997（S1）：196-203.

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