顧江海，周長松，張相財(cái)，劉冬梅

(1.廣東省深圳市坪山新區(qū)城市建設(shè)局，廣東 深圳518118;2.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原030024;3.北京巖土工程勘察院，北京100083)

霍州市位于山西省中部，臨汾–運(yùn)城裂陷盆地北部。煤炭為霍州的主要礦產(chǎn)資源，主要分布于市境中部中低山區(qū)。隨著近三十年煤炭開采力度的不斷加大，采煤在帶來巨大經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也帶來了一系列的環(huán)境地質(zhì)問題。從1988年開始，在師莊鎮(zhèn)、白龍鎮(zhèn)、辛置鎮(zhèn)、大張鎮(zhèn)等鎮(zhèn)的耕地或山坡上陸續(xù)發(fā)現(xiàn)寬0.1～1.5m、長200m～2 000m的地裂縫。地裂縫的空間分布基本與煤炭資源的分布相一致。地裂縫災(zāi)害已經(jīng)對(duì)人民的生產(chǎn)生活造成嚴(yán)重影響，成為當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸之一。本文以研究區(qū)地裂縫的現(xiàn)狀調(diào)查為基礎(chǔ)，分析近年來煤炭開采與地裂縫地質(zhì)災(zāi)害之間的關(guān)系，探討采空區(qū)的類型及采空地裂縫的分布特征與形成機(jī)制，并提出切實(shí)可行的防治對(duì)策，為國民經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)環(huán)境背景

1.1 區(qū)域地質(zhì)特征

霍州礦區(qū)地處霍山與呂梁山之間，地跨霍州、汾西及洪洞三市縣，在地貌上以低山和黃土丘陵為主，地形起伏大，總體地勢(shì)由東北向西南、由山區(qū)向河谷逐漸降低;研究區(qū)最高點(diǎn)地面標(biāo)高為1 225m，最低點(diǎn)地面標(biāo)高為400m，相對(duì)高差825m;區(qū)內(nèi)大部分區(qū)域被中、上更新統(tǒng)黃土地層覆蓋，在河谷或沖溝底部有小面積石炭系、二疊系地層出露。整個(gè)研究區(qū)含水層按地層時(shí)代來分可分為石炭系含水層、二迭系含水層、第四系含水層。其中石炭系含水層地下水位埋深大約為215.10m，含水層由石灰?guī)r組成，總厚度約15m，單位涌水量為0.001 L/s·m，滲透系數(shù)為0.003m/d，水華學(xué)類型為HCO3－Na型，富水性較弱;二迭系含水層地下水位埋深大約在116.25m，含水層由砂巖組成，總厚度大約14.0m，單位涌水量0.019 L/s·m，滲透系數(shù)為0.029m/d，水化學(xué)類型為HCO3－Na型，富水性較弱;第四系含水層主要分布在近代河谷附近，厚度在5～30m之間，含水層由沖洪積礫石組成，富水性較好。

從板塊構(gòu)造理論的角度來看[1]，霍州礦區(qū)處于洪洞區(qū)塊的北部，霍西區(qū)塊、泰岳山區(qū)塊的南部，是第四紀(jì)典型的伸展構(gòu)造發(fā)育區(qū)(見圖1)。區(qū)域內(nèi)斷裂、褶皺構(gòu)造發(fā)育，工程地質(zhì)條件復(fù)雜，如羅云斷層、霍山斷層、赤峪斷層等大小斷層相互交錯(cuò)，NNE向的霍山背斜和EW向的趙城向斜橫貫礦區(qū)。

1.2 煤田地質(zhì)特征及煤炭開采現(xiàn)狀

霍州礦區(qū)含煤地層面積約843 km2，煤炭資源地質(zhì)儲(chǔ)量為77×108t[1]。礦區(qū)含煤地層以石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組為主，煤系地層主要巖性為砂質(zhì)頁巖、頁巖夾薄層灰?guī)r、泥巖、砂巖和煤層。本區(qū)的可采及局部可采煤層共 11 層，其中山西組的 3#及太原組的 4#、5#、6#、7#、8#為局部可采煤層，山西組 1#、2#及太原組 9#、10#、11#為全區(qū)可采煤層(主煤層)，11層煤層總厚超過10m。

圖1 礦區(qū)構(gòu)造位置圖

自新中國成立以來，鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦業(yè)得到迅速發(fā)展，到“八五”期間，霍州的煤炭生產(chǎn)企業(yè)數(shù)量由建國初期的5個(gè)增至89個(gè)，煤炭總產(chǎn)量達(dá)到3.14×107t/a，隨著2009年全縣煤礦企業(yè)兼并重組工作順利推進(jìn)，全縣保留6座大型煤礦，產(chǎn)能已達(dá)到2×107t。在煤炭開采的過程中，開拓方式一般為豎井式，個(gè)別為斜井式;采煤方法以短壁式、倉房式、高落式為主，采深110～390m，煤層厚在1.88～6.11m，深厚比18.0～63.8。目前山西組1#、2#已基本采完，正在開采太原組9#、10#和 11#煤層。

2 采空區(qū)分類及采空區(qū)地裂縫發(fā)育特征

2.1 采空區(qū)分類

以煤炭開采區(qū)區(qū)域地質(zhì)環(huán)境背景為基礎(chǔ)，結(jié)合采空區(qū)的埋深、深厚比、地表荷載大小及地下含水層分布特征，將研究區(qū)采空區(qū)分為四種基本類型[2－5]:潛伏突出型、潛伏一般型、深埋型和老空區(qū)型。

1.潛伏突出型。這種類型一般發(fā)育在采深在210m以下，累積采厚達(dá)3.7～6.11m的地層，地面變形的特點(diǎn)是地表的移動(dòng)和變形在時(shí)空上是不連續(xù)的，不具有明顯的規(guī)律性;由于采空區(qū)埋深淺，深厚比相對(duì)較大，容易在地表形成比較大的裂縫或者塌陷坑。

2.潛伏一般型。這種類型一般發(fā)育在采深在110～210m，累積采厚在3.7m以下的礦區(qū)，地表出露的巖層主要有二迭系的上石盒子組、下石盒子組，地面變形的特點(diǎn)是地表的移動(dòng)和變形在時(shí)空上是連續(xù)和漸變的，具有明顯的規(guī)律性;由于巖土差異沉降不明顯，在地表一般不產(chǎn)生地裂縫。

3.深埋型。這種類型主要發(fā)育在大張鎮(zhèn)以東煤礦采深在210m以上的地區(qū)。地表出露的巖層主要有二迭系的石千峰組、上石盒子組，采煤過程中埋深在215m左右的石炭系上統(tǒng)太原組地層中賦存的地下水被部分輸出或全部疏干，當(dāng)多層累計(jì)采厚超過7m以上時(shí)在地表產(chǎn)生緩慢蠕變。短時(shí)間內(nèi)變形不明顯，持續(xù)較長時(shí)間后會(huì)在地表產(chǎn)生明顯的變形，并有可能形成具有較大危害的地裂縫。

4.老空區(qū)型。這種類型分布在老采空區(qū)，老空區(qū)在采礦過后應(yīng)力重新分布并達(dá)到新的應(yīng)力平衡，隨著下部采煤活動(dòng)的加劇，應(yīng)力平衡被重新打破，老空區(qū)出現(xiàn)不均勻地面塌陷和地裂縫。

2.2 采空地裂縫發(fā)育特征

在1984年之前，研究區(qū)煤炭開采量小，地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害并不明顯。之后，隨著煤礦開采范圍逐步擴(kuò)大，在礦區(qū)形成了大面積采空區(qū)。據(jù)調(diào)查，到2006年底采空沉降面積已達(dá)98 km2，占礦區(qū)面積的11.6%，局部出現(xiàn)了地面塌陷、地裂縫。在地表具一定規(guī)模和危害的地裂縫共60處，372條，分布于師莊、退沙、大張鎮(zhèn)、白龍鎮(zhèn)辛置鎮(zhèn)、陶唐峪鄉(xiāng)等煤炭開采區(qū)[7]。由于采空塌陷和采空地裂縫的形成，導(dǎo)致近2560 hm2耕地受到不同程度的破壞，造成近4015間房屋出現(xiàn)裂縫、變形，部分房屋已成為危房;同時(shí)地下含水層遭到破壞，山西組以上含水層已基本疏干，地表水向下漏失，目前40多個(gè)村莊普遍存在人畜吃水困難的現(xiàn)象。采空地裂縫災(zāi)害已造成直接經(jīng)濟(jì)損失4115萬元，對(duì)當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展造成了嚴(yán)重影響，采空區(qū)地裂縫平面分見圖2。

圖2 霍州市地裂縫分布圖

2.2.1 空間分布特征

霍州礦區(qū)地裂縫主要分布在區(qū)內(nèi)煤礦采空區(qū)內(nèi)。從地裂縫在整個(gè)采空區(qū)的分布位置看，白龍鎮(zhèn)地裂縫位于潛伏突出型采空區(qū)，師莊鎮(zhèn)地裂縫位于深埋型采空區(qū)，辛置鎮(zhèn)地裂縫位于老空區(qū)型采空區(qū);從地裂縫形態(tài)特征上看，采礦塌陷地裂縫呈折線、鋸齒狀，長度在200～2 000m，最長的4 000m位于師莊鄉(xiāng)楊家山[7];寬度在0.1～1.5m，影響寬度在10m以內(nèi);最寬的3m位于陶塘峪南王村;從地裂縫展布與采空區(qū)空間位置看，采空地裂縫走向一般與采掘方向相同，沿采空區(qū)周界開裂，目前發(fā)現(xiàn)的地裂縫在展布方向上主要有EW、N－S兩種;從地裂縫剖面特征看，剖面上寬下窄呈楔形，最大可測(cè)深度為15m;從地裂縫的出現(xiàn)形式看，采空地裂縫以群縫式排列組合出現(xiàn)較為普遍，一般每處地裂縫由4～6條單縫構(gòu)成，最多的陶塘峪南程村裂縫群出現(xiàn)達(dá)18條。

2.2.2 時(shí)間變化特征

從時(shí)間上看，研究區(qū)采空地裂縫的發(fā)生發(fā)展與采煤活動(dòng)有明顯的相關(guān)性。20世紀(jì)80年代在師莊鎮(zhèn)首次發(fā)現(xiàn)地裂縫;隨著煤炭開采活動(dòng)的增強(qiáng)，90年代以后在白龍鎮(zhèn)、辛置鎮(zhèn)、大張鎮(zhèn)等地也陸續(xù)出現(xiàn)地裂縫。根據(jù)野外調(diào)查，已出現(xiàn)的60處372條地裂縫中有19處正處于發(fā)展階段，25處仍然在活動(dòng)，26處已基本趨于穩(wěn)定[3]。其中白龍鎮(zhèn)、辛置鎮(zhèn)的地裂縫較以往均有較大發(fā)展，這說明采空塌陷型地裂縫一旦形成，必然受到后期環(huán)境的改造，隨著時(shí)間的推移、環(huán)境的改變，地裂縫的穩(wěn)定性及規(guī)模也會(huì)隨之發(fā)生變化。

3 地裂縫形成機(jī)理及影響因素分析

3.1 礦區(qū)地裂縫形成機(jī)理

礦區(qū)地裂縫的特征表明，礦區(qū)地裂縫均屬采空塌陷的派生裂縫，地下煤炭開采是地裂縫形成的主要原因，地震、地質(zhì)構(gòu)造及地下水疏干對(duì)地裂縫形成亦產(chǎn)生一定的影響。

對(duì)于采空塌陷地裂縫，其力學(xué)形成機(jī)理是地下礦層大面積被采空后，原有的應(yīng)力平衡遭到破壞，此時(shí)采空區(qū)主要由礦柱支撐上覆巖體的重量(圖3)[8]。如果礦柱設(shè)計(jì)合理，則礦柱系統(tǒng)穩(wěn)定，從而整個(gè)井巷穩(wěn)定;若礦柱設(shè)計(jì)尺寸偏小，當(dāng)某一礦柱受到某些必然或偶然因素影響時(shí)，該礦柱由于應(yīng)力超過其允許強(qiáng)度而首先遭到破壞，被破壞礦柱所承載的荷載將轉(zhuǎn)移到相鄰礦柱上，從而使它們亦遭破壞，其結(jié)果必將導(dǎo)致整個(gè)礦柱系統(tǒng)失穩(wěn)，頂板巖層向采空區(qū)垮落沉降。由于塌陷區(qū)內(nèi)巖土體工程地質(zhì)條件存在差異，使地面發(fā)生不均勻下沉變形和水平移動(dòng)，這些變形的發(fā)展通常使塌陷坑產(chǎn)生不同的拉壓應(yīng)力分布(圖4)形式，即在塌陷邊緣處出現(xiàn)拉應(yīng)力，中間部位出現(xiàn)壓應(yīng)力，地表的最大拉應(yīng)力分布區(qū)出現(xiàn)張性裂縫，如圖3中的 a、d兩點(diǎn)易出現(xiàn)裂縫[2]。

圖3 采空區(qū)礦柱系統(tǒng)示意圖

3.2 礦區(qū)形成地裂縫的影響因素

根據(jù)對(duì)礦區(qū)地裂縫的現(xiàn)場勘察[7]，分析得出影響霍州礦區(qū)地面變形與塌陷的主導(dǎo)因素有以下五種:開采規(guī)模及開采方式、煤層埋深與層厚、頂板管理方式、含水層疏干、地表水作用。其中開采規(guī)模及開采方式、礦層埋深與層厚是控制因素。

3.2.1 開采規(guī)模及開采方式的影響

不同開采規(guī)模與開采方式下，采空地裂縫的規(guī)模是不同的[9－10]。原縣營煤礦(中型煤礦)，使用短壁式采煤，開采技術(shù)先進(jìn)，開采規(guī)模較大，回采率大于50%，因此在采空區(qū)上方形成規(guī)模較大、與采空區(qū)走向相一致、沿采空區(qū)周界開裂的地面地裂縫，地裂縫長度一般在100m以上;相對(duì)而言，采用倉房式、房柱式等采煤方法的小型煤礦，開采規(guī)模較小，技術(shù)落后，地表變形以及形成的地裂縫規(guī)模較縣營煤礦要小。2009年后，全市煤礦企業(yè)兼并重組，開采規(guī)模將隨之?dāng)U大，煤炭采空區(qū)的范圍也隨之?dāng)U大，留設(shè)的安全煤柱所承受的應(yīng)力將會(huì)增大，當(dāng)煤柱受到的荷載超過煤柱強(qiáng)度時(shí)，頂板巖層在自重和上覆巖土體壓力的作用下向采空區(qū)垮落沉降，進(jìn)而誘發(fā)新的開裂變形直至地表，這為老地裂縫的進(jìn)一步發(fā)展和新地裂縫的形成創(chuàng)造了條件。根據(jù)2010年3月份的觀察，白龍鎮(zhèn)、辛置鎮(zhèn)的地裂縫均在進(jìn)一步擴(kuò)展之中，其中辛置鎮(zhèn)曹村地裂縫已發(fā)展成地面塌陷。

圖4 采空區(qū)地面下沉壓應(yīng)力、拉應(yīng)力分布圖

3.2.2 煤層埋深與層厚的影響

通過對(duì)研究區(qū)采空地裂縫進(jìn)行數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)[8]，發(fā)現(xiàn)在同一地區(qū)開采層數(shù)越多、采深采厚比越大，對(duì)地面變形的影響也越大。通過對(duì)372條采空地裂縫的綜合分析，當(dāng)采空區(qū)采深與采厚比大于30的時(shí)候，地表的移動(dòng)和變形在時(shí)空上是連續(xù)的和漸變的，地表不易形成地裂縫，此時(shí)的采空區(qū)類型主要為潛伏一般型、深埋型;當(dāng)采深與采厚比小于30的時(shí)候，地表的移動(dòng)和變形在時(shí)空上是不連續(xù)的，不具有明顯的規(guī)律性，地表易出現(xiàn)比較大的裂縫或者塌陷坑，此時(shí)的采空區(qū)類型屬于潛伏突出型。根據(jù)2005以后的觀察，師莊鎮(zhèn)、大張鎮(zhèn)的地裂縫較以往均有較大發(fā)展，其中師莊鎮(zhèn)楊家山的地裂縫與1999年剛出現(xiàn)時(shí)相比，數(shù)量上由3條發(fā)展成5條，長度上由平均150m變?yōu)?00m。這表明:一方面隨著采厚的增加，采煤深厚比變小，地表的塌陷變形也就隨之增大，進(jìn)而在地表最大拉應(yīng)力分布區(qū)形成張性裂縫;另一方面地裂縫的形成具有滯后于煤礦開采時(shí)間的特點(diǎn)，滯后時(shí)間從幾個(gè)月到幾年不等。

3.2.3 頂板管理方式的影響

頂板管理方式是指在煤炭開采過程中，根據(jù)頂板的性質(zhì)和煤層的厚度等條件處理采空區(qū)的辦法，通常有垮落法、煤柱支撐法、充填法、緩慢下沉法四種方式[11－13]。隨著頂板管理方式的不同，地表形成的塌陷、地裂縫規(guī)模也不一樣。研究區(qū)煤炭在開采的過程中，主要采用垮落法這一頂板管理方式，讓直接頂板自行垮落，垮落下來的巖塊在一定程度上充填了采空區(qū)，減小了工作頂板壓力，在小范圍的采空區(qū)起到了阻礙地表形成地裂縫的作用;但隨著采煤深度的加大，開采范圍的擴(kuò)大，這種方式反而加速了地表地裂縫的形成，如白龍鎮(zhèn)、辛置鎮(zhèn)的地裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展與這種方式有關(guān)。

3.2.4 含水層疏干的影響

含水層疏干導(dǎo)致地面變形的主要機(jī)理是隨著礦坑排水量的加大，地下水水位不斷下降，孔隙水壓力逐步消散，有效應(yīng)力逐步增加，在水位下降區(qū)形成圓形降落漏斗，最終導(dǎo)致含水層壓密沉降，在沉降帶周圍形成裂縫[2]。對(duì)于所研究的礦區(qū)，地下采空區(qū)頂板所承受的荷載主要由上覆地層的自重構(gòu)成。在煤層開采過程中，煤系地層及其附近的含水層逐步疏干，與上覆應(yīng)力向平衡的孔隙、裂隙水壓力減小，加速了上覆地層的坍塌、地表變形和地裂縫的形成和發(fā)展。

3.2.5 地表水的影響

地表發(fā)生變形或形成地裂縫之后，當(dāng)后期降雨、生活廢水、農(nóng)業(yè)用水向變形裂縫區(qū)滲透、沖刷、淋濾，地表土體被軟化、松動(dòng)、搬運(yùn)，從而促使地面變形的加劇，地表裂縫在原有的基礎(chǔ)上進(jìn)一步加深和擴(kuò)大。

4 防治對(duì)策

霍州礦區(qū)地裂縫主要由煤炭開采引起，根據(jù)實(shí)際情況可采取如下措施加以防治。

(1)回填采礦法。煤礦開采后，矸石不運(yùn)出礦井或洞，而將其充填到采空區(qū)，從而保證采空區(qū)圍巖的穩(wěn)定性，避免產(chǎn)生地裂縫。

(2)灌漿回填法。對(duì)于一些老礦區(qū)，特別是已閉坑的礦區(qū)，為了避免地面產(chǎn)生塌陷，可采用灌漿方法治理，灌漿材料可選粉煤灰、超高水材料。

(3)改建水庫法。對(duì)于一些面積比較大的采空區(qū)，區(qū)域地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件穩(wěn)定的，可考慮將地下采空區(qū)改造成地下水庫。

(4)開采預(yù)防法。在礦區(qū)開采中，增大、增多預(yù)留保安柱，限制開采區(qū)域等。在進(jìn)行煤炭開采時(shí)，應(yīng)盡量減少對(duì)含水層的破壞，盡可能地維持地下含水層結(jié)構(gòu)狀態(tài);對(duì)地下水資源應(yīng)“堵漏為主，疏導(dǎo)為輔”的方式進(jìn)行處理。

(5)加大法律宣傳力度，提高廣大群眾自我防范意識(shí)，做到群眾知法，礦山企業(yè)守法。

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