青海省大通煤礦地面塌陷現(xiàn)狀及防治對(duì)策

馬小強(qiáng)，朱慧儉，孫瑩

（1.青海省環(huán)境地質(zhì)勘查局，西寧 810007；2.青海省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，西寧 810001）

1 概況

大通煤礦區(qū)位于青海省西寧市以北大通縣橋頭鎮(zhèn)、良教鄉(xiāng)，距省會(huì)西寧市35 k m。大通煤礦開(kāi)采始于600年前的明朝初期，一度成為青海東部地區(qū)重要的能源基地，礦區(qū)現(xiàn)有大通礦務(wù)局兩個(gè)井田（小煤洞、元樹(shù)爾），年開(kāi)采量150×104t，采掘深度780～790 m，采用井巷開(kāi)采。礦區(qū)內(nèi)有地方及鄉(xiāng)鎮(zhèn)小窯，主要分布在煤洞溝及小煤洞溝兩側(cè)，以復(fù)采礦務(wù)局殘余煤帶為主，井深一般100～200 m，開(kāi)采規(guī)模較小。由于長(zhǎng)期采挖，地下出現(xiàn)大面積采空區(qū)，引發(fā)地面塌陷，致使原有地形地貌破壞，地面塌陷嚴(yán)重，造成房屋、耕地及水利設(shè)施不同程度的毀壞，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)1 200余萬(wàn)元，目前尚有4 773戶(hù)、21 322人處于采空塌陷危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)，需異地安置。

2 礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件

大通煤礦區(qū)地處西寧－大通中新生代盆地的南緣，該盆地是在早古生代祁連裂谷系基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)印支、燕山、喜山褶皺幕，進(jìn)一步擠壓、扭裂而成的一個(gè)近似平行四邊形凹地，盆地整個(gè)呈向斜構(gòu)造，在該構(gòu)造南緣又形成次一級(jí)近東西向延展的簡(jiǎn)單褶曲形態(tài)，并有兩處逆斷層通過(guò)。盆地基底由元古界、下古生界變質(zhì)巖及中酸性侵入巖組成，蓋層由二疊－侏羅系陸相建造及第三系紅色建造組成。礦區(qū)含煤地層主要為侏羅系下統(tǒng)窯街組，礦區(qū)范圍內(nèi)共有5個(gè)煤層，其中可采煤層2個(gè)，平均厚度分別為3.55 m和6.16 m。煤質(zhì)標(biāo)號(hào)為不粘煤和長(zhǎng)焰煤，煤層賦存條件較為復(fù)雜，煤層傾角一般14°～70°，賦存形式以?xún)A角和大傾角為主。煤層頂?shù)装鍘r性以第三系泥巖、泥質(zhì)礫巖為主，該巖層極具吸水性，并遇水膨脹，屬典型的軟巖礦區(qū)。煤層頂板地層上覆有第四系洪積、沖積砂礫石層及風(fēng)成黃土。

3 礦區(qū)地面塌陷現(xiàn)狀

3.1 地面塌陷分布范圍

大通煤礦地面塌陷是因人為采煤改變煤層上覆層的穩(wěn)定平衡狀態(tài)而引發(fā)的采空塌陷［1]，地表塌陷區(qū)大致呈北西－南東方向展布，平面形態(tài)為不規(guī)則狀，長(zhǎng)軸長(zhǎng)約3.25 k m，短軸寬約3.1 k m，面積9.87 k m2，主要分布在良教鄉(xiāng)煤洞溝村、白崖村及橋頭鎮(zhèn)元樹(shù)爾、大煤洞、小煤洞5個(gè)行政村。在塌陷區(qū)內(nèi)存在3處急劇沉陷中心（圖1）：

（1）煤洞溝村沉陷中心，長(zhǎng)軸約745 m，短軸約610 m，面積0.37 k m2。

（2）小煤洞村沉陷中心，長(zhǎng)軸520 m，短軸490 m，面積0.21 k m2。

（3）元樹(shù)爾沉陷中心，長(zhǎng)軸約750 m，短軸約530 m，面積0.3 k m2。

圖1 大通煤礦塌陷區(qū)平面圖Fig.1 Subsidence area in Datong Coal Mine

受地下煤層延展方向，以及人工開(kāi)采深度、支護(hù)條件、采空面移動(dòng)、采空區(qū)范圍等因素的影響，造成塌陷盆地地表各部位的變形和地面下沉值大小不同，塌陷區(qū)中心地表下陷值最大達(dá)8 m（小煤洞，原大通礦務(wù)局采區(qū)），而在塌陷區(qū)邊緣地表下沉約0.2 m，其他地段一般下沉1～3 m。

3.2 地面塌陷特征

大通煤礦采空區(qū)引發(fā)嚴(yán)重地面變形，其主要特征表現(xiàn)為塌陷坑及地裂縫［2]，見(jiàn)圖2、圖3。

3.2.1 塌陷坑

塌陷坑在塌陷區(qū)內(nèi)廣泛分布，呈點(diǎn)、線(xiàn)、面狀特征。

點(diǎn)狀塌陷坑：平面形態(tài)多呈圓形或橢圓形，剖面形態(tài)為漏斗狀或葫蘆狀，其中漏斗狀塌陷坑其形狀自坑口向下收縮，一般開(kāi)口直徑達(dá)20 m，最大深15 m；葫蘆狀塌陷坑其形狀口小、肚子大，一般開(kāi)口直徑2 m，下部直徑4～6 m，最大深10 m。

圖2 塌陷洼地Fig.2 Collapsed depression

圖3 地裂縫Fig.3 Ground fissure

線(xiàn)狀塌陷坑：規(guī)模大的有兩處，分布于塌陷區(qū)西部，長(zhǎng)度分別達(dá)到970 m、760 m，兩者寬15～40 m。線(xiàn)狀坑一般由點(diǎn)狀塌陷坑連接而成，如橫跨白崖村及煤洞溝村的線(xiàn)狀塌陷坑中最大一處點(diǎn)狀坑面積3 000 m2，最大深度13.5 m，該塌陷坑形成于1970年，后逐年擴(kuò)展，并與其他坑體相連。

面狀塌陷坑：多由密集的點(diǎn)狀坑連片而成，規(guī)模較大的有兩處，一處分布于大煤洞村西側(cè)，形成橢圓形塌陷洼地，長(zhǎng)軸164 m、短軸85 m、深4 m；另一處分布于小煤洞村東南側(cè)，形成3個(gè)似橢圓狀塌陷洼地，一般洼地長(zhǎng)130～160 m，寬30～70 m，下陷深度1～3 m。

3.2.2 地裂縫

地裂縫主要為表層巖層下沉位移在地表形成的拉張裂縫，分布多與開(kāi)采作業(yè)面的前進(jìn)方向平行，呈成組或單獨(dú)出現(xiàn)，在3個(gè)沉降中心分布較密集。在煤洞溝村沉降中心白崖村地裂縫成群出現(xiàn)，展布方向120°，延伸長(zhǎng)300～400 m，寬0.2～0.4 m，裂縫所經(jīng)過(guò)之處房屋普遍開(kāi)裂，甚至倒塌。在小煤洞沉陷中心及周邊數(shù)條地裂縫成組出現(xiàn)，長(zhǎng)200 m以上，延伸方向85°～110°，兩條主干裂縫間距50 m，寬0.55～0.9 m，可見(jiàn)深度0.75～1.2 m，延伸長(zhǎng)約300 m。元樹(shù)爾沉降中心發(fā)育的地裂縫長(zhǎng)220 m，寬0.2～0.4 m，可見(jiàn)深度1.0～1.3 m。

3.3 地面塌陷危害

礦區(qū)地面塌陷自20世紀(jì)70年代末期初顯，90年代進(jìn)入高峰期，塌陷范圍從采空區(qū)地表發(fā)展到非采空區(qū)地表，塌陷影響范圍達(dá)9.87 k m2。破壞方式主要表現(xiàn)為村民房屋及圍墻普遍開(kāi)裂、變形，甚至倒塌（圖4、圖5）；土地資源遭受破壞，地表坑洼不平；地下水被疏干，泉水干涸；供水設(shè)施被破壞，輸電高壓線(xiàn)路被拉斷等，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)上千萬(wàn)元。自2000年以來(lái)，塌陷區(qū)中的小煤洞村、大煤洞村、白崖村已整體搬遷，目前仍威脅元樹(shù)爾村、煤洞溝村村民及礦山企業(yè)職工的安全，嚴(yán)重制約著當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展。

圖4 礦區(qū)廢棄的房屋Fig.4 Abandoned buildings in the mining area

圖5 礦區(qū)開(kāi)裂的房屋Fig.5 Cracked buildings in the mining area

4 地面塌陷發(fā)展趨勢(shì)

4.1 采空區(qū)頂板力學(xué)特性

礦區(qū)頂板巖性以第三系紅色泥巖、泥質(zhì)礫巖為主，其上覆第四系洪積、沖積砂礫石層及風(fēng)成黃土。其中第三系紅層巖質(zhì)較軟，遇水易軟化，強(qiáng)度低，巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度平均值2.22～5.98 MPa。洪積、沖積層以砂礫石為主，顆粒級(jí)別差異大，透水性較好，為低壓縮土類(lèi)巖組，承載力特征值fak＝350 k Pa。風(fēng)積黃土凝聚力為26.6～45.1 k Pa，內(nèi)摩擦角為18.7°，承載力特征值fak＝170 k Pa，該土體具濕陷性，濕陷等級(jí)為Ⅱ－Ⅳ級(jí)自重濕陷。從上述巖土體力學(xué)特征可以看出，礦區(qū)頂板巖層為軟巖、土體，工程地質(zhì)條件總體上為較差－不良。

4.2 采空區(qū)頂板破壞機(jī)制

據(jù)物探資料，采空區(qū)頂板厚度不均勻，最小厚度僅20 m，分析采空區(qū)頂板破壞機(jī)制，可加深對(duì)礦區(qū)塌陷形成及發(fā)展的認(rèn)識(shí)。頂板分析依據(jù)國(guó)家煤炭工業(yè)局《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》，煤層開(kāi)采后，頂板最大移動(dòng)、變形和傾斜值如下：

最大下沉值：Wmax＝m·η·cosα

最大曲率值：Kmax＝±1.52 Wmax／r2

最大傾斜值：Imax＝Wmax／r

最大水平移動(dòng)值：Umax＝b·Wmax

最大水平變形值：εmax＝±1.52b·Wmax／r

式中：η為下沉系數(shù)，取0.8；m為采空區(qū)高度（m），2個(gè)可采煤層分別取平均值3.55 m、6.16 m；b為水平移動(dòng)系數(shù)，取0.25；α為煤層傾角，取33°；r為主要影響半徑（m），可按下式計(jì)算：r＝H／tanβ；H 為開(kāi)采深度（m），2個(gè)可采煤層取平均開(kāi)采深度780 m、790 m；β為影響角，取52°。

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 煤層采空后頂板最大變形值表Table 1 Maximum values of roof deformation after depletion

4.3 地面塌陷發(fā)展趨勢(shì)

伴隨采掘工作面的推移及加深，采空區(qū)上覆巖層內(nèi)部原始應(yīng)力平衡狀態(tài)受到破壞，在巖層內(nèi)部應(yīng)力需重新分布后以達(dá)到新的平衡，當(dāng)?shù)叵虏煽諈^(qū)達(dá)到一定規(guī)模后，上覆巖層受重力作用開(kāi)始剪切破裂，并向下沉移，同時(shí)地表開(kāi)始出現(xiàn)裂縫，隨著裂縫進(jìn)一步加劇，逐步形成地面塌陷。自1990年后大通煤礦地面塌陷進(jìn)入高峰期，塌陷區(qū)范圍從采空區(qū)地表發(fā)展到非采空區(qū)地表，從地勢(shì)較低的田園擴(kuò)展到地勢(shì)較高的山地，目前礦區(qū)地裂縫仍很發(fā)育，地面塌陷有進(jìn)一步擴(kuò)大的趨勢(shì)。今后，隨著煤層采空區(qū)的擴(kuò)大，地面塌陷將進(jìn)一步擴(kuò)大，平均沉降值2.4～4.1 m。

5 地面塌陷防治對(duì)策

5.1 地面塌陷防治思路

大通煤礦地面塌陷具有影響范圍大、生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重、對(duì)人居工程危害性大的特點(diǎn)，其治理難度大，雖然當(dāng)?shù)卣懊旱V企業(yè)對(duì)局部嚴(yán)重塌陷區(qū)進(jìn)行過(guò)小規(guī)模土地復(fù)墾及居民搬遷，但成效甚微。鑒于當(dāng)前國(guó)家逐步加大對(duì)礦山地質(zhì)環(huán)境治理的資金投入，并重視地質(zhì)災(zāi)害的防治，確定礦山治理總體思路：充分利用現(xiàn)行國(guó)家政策，把礦區(qū)地面塌陷治理與當(dāng)?shù)剜l(xiāng)鎮(zhèn)整體發(fā)展相結(jié)合，并進(jìn)行長(zhǎng)期規(guī)劃，分期實(shí)施，以達(dá)到改善礦區(qū)環(huán)境，減輕對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)危害的目的。

5.2 地面塌陷預(yù)防對(duì)策及防治建議

5.2.1 預(yù)防對(duì)策

（1）近期預(yù)防對(duì)策

堅(jiān)持“以人為本”的方針，對(duì)仍在進(jìn)行地下煤炭開(kāi)采，地面塌陷危害程度大，且仍在發(fā)展的地段，其上居民應(yīng)首先進(jìn)行搬遷、避讓?zhuān)僧?dāng)?shù)卣M(jìn)行妥善安置；對(duì)基本穩(wěn)定的小規(guī)模塌陷區(qū)，可由當(dāng)?shù)剜l(xiāng)村政府先行治理，并進(jìn)行土地覆耕，適當(dāng)改善當(dāng)?shù)鼐用竦纳姝h(huán)境；對(duì)因塌陷受損的主干交通、水網(wǎng)及電網(wǎng)實(shí)施維護(hù)；對(duì)受影響的電訊設(shè)施采取防護(hù)，保證交通、供電、供水、通訊的安全及正常運(yùn)行。

（2）中期預(yù)防對(duì)策

利用國(guó)家改善人民居住條件，加大廉租房建設(shè)及礦山棚戶(hù)區(qū)改造的有利時(shí)機(jī)，積極爭(zhēng)取資金，進(jìn)一步成規(guī)模的遷移塌陷區(qū)內(nèi)的村莊及企業(yè)居民，爭(zhēng)取將采空塌陷危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)居民異地安置，為規(guī)?；牡V區(qū)區(qū)段環(huán)境治理騰出空間。同時(shí)整合礦業(yè)生產(chǎn)秩序，關(guān)停小礦井，避免采空區(qū)無(wú)序擴(kuò)大。對(duì)仍在發(fā)展的塌陷區(qū)設(shè)置專(zhuān)業(yè)監(jiān)測(cè)站（點(diǎn)），增設(shè)專(zhuān)職監(jiān)測(cè)、巡防人員，及時(shí)、準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)地面塌陷災(zāi)害隱情，做好防治措施。

（3）遠(yuǎn)期預(yù)防對(duì)策

根據(jù)中華人民共和國(guó)財(cái)政部、國(guó)土資源部《關(guān)于組織2012年礦山地質(zhì)環(huán)境治理示范工程有關(guān)事項(xiàng)的通知》（財(cái)建辦［2011]168號(hào)）文件精神，從2012年起，中央財(cái)政將進(jìn)一步突出重點(diǎn)，集中投入，著力啟動(dòng)實(shí)施礦山地質(zhì)環(huán)境治理示范工程。鑒于大通煤礦可采煤炭資源已近枯竭，礦山環(huán)境破壞嚴(yán)重，符合國(guó)家加快解決歷史遺留的礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題的文件精神，故在大通煤礦地面塌陷治理上可加快申請(qǐng)國(guó)家資金，進(jìn)行整體規(guī)劃與綜合治理，積極穩(wěn)妥、長(zhǎng)期有效的實(shí)施，爭(zhēng)取恢復(fù)地貌景觀(guān)、擴(kuò)大耕地、重建植被及建成綠色生態(tài)礦山地質(zhì)公園。

5.2.2 防治建議

（1）加強(qiáng)地裂縫變形監(jiān)測(cè)

運(yùn)用裂縫報(bào)警器裝置對(duì)塌陷區(qū)周邊地面和建筑物裂縫進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，該技術(shù)可安裝于裂縫帶上，平時(shí)對(duì)裂縫的漸變進(jìn)行觀(guān)測(cè)，當(dāng)裂縫發(fā)生突變時(shí)，可自動(dòng)報(bào)警，避免地面塌陷的擴(kuò)大而造成危害。該技術(shù)成本低，精度高，可在較大范圍內(nèi)布控。

（2）地面變形區(qū)監(jiān)測(cè)

選擇有異常變化現(xiàn)象的部位（點(diǎn)）如主要變形區(qū)、井、泉水位等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在變形的不同部位布點(diǎn)，形成監(jiān)測(cè)點(diǎn)網(wǎng)，以全面掌握地面塌陷變形發(fā)展情況，當(dāng)變形加劇時(shí)及時(shí)發(fā)出預(yù)警信息。

（3）塌陷區(qū)回填、恢復(fù)

利用無(wú)害化處理后的煤矸石回填廢棄礦井及穩(wěn)定后的塌陷區(qū)，填充煤矸石下墊2 m厚的黃土，上覆黃土并進(jìn)行植被恢復(fù)。經(jīng)計(jì)算，可利用煤矸石總量的25%，不但減輕礦區(qū)煤矸石對(duì)環(huán)境的破壞壓力，對(duì)大面積塌陷片區(qū)治理成效明顯。該方法簡(jiǎn)單，科學(xué)實(shí)用，經(jīng)濟(jì)成本低，可操作性強(qiáng)。

6 結(jié)論

大通煤礦屬煤炭資源高度危機(jī)礦區(qū)，煤炭資源瀕臨枯竭，地面塌陷突出，礦山地質(zhì)環(huán)境破壞嚴(yán)重，且危害性極大，治理難度大，所需資金巨大。本文通過(guò)礦區(qū)地面塌陷現(xiàn)狀和危害特征的分析，提出治理總體思路及近期、中期、遠(yuǎn)期預(yù)防對(duì)策，突出“以人為本”的精神，首先解決塌陷區(qū)危及人民生命財(cái)產(chǎn)安全，進(jìn)而從地方及國(guó)家政策層面提出了解決資金來(lái)源的問(wèn)題，從而保證治理的有效進(jìn)行。通過(guò)治理后可恢復(fù)礦山及周邊環(huán)境，改善當(dāng)?shù)厝嗣裆钌a(chǎn)條件，對(duì)礦區(qū)資源枯竭后的經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型具有深遠(yuǎn)意義。

［1]常士驃.工程地質(zhì)手冊(cè)（第四版）［M].中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007：558－567.

［2]楊孟達(dá)，劉新華，王瑛，等.煤礦地質(zhì)學(xué)［M].北京：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1989.