于成龍,鄭百功,楊 雷,韓 修,王 青
(中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心吉林總隊(duì),吉林長(zhǎng)春 130033)
三合城村地下煤炭資源豐富,相繼有多家礦山在該地區(qū)進(jìn)行開(kāi)采。近年來(lái),在三合城村居民區(qū)附近陸續(xù)出現(xiàn)多處地裂縫與塌陷坑,地裂縫最長(zhǎng)226m,最寬0.5m;塌陷坑最大面積184.5m2,最深2m。這些地裂縫與塌陷坑不但導(dǎo)致地下水下降,居民用水困難,而且造成居民住宅開(kāi)裂、傾斜,并引發(fā)多起人員落入地裂縫的事件,嚴(yán)重威脅了當(dāng)?shù)厝嗣竦纳?cái)產(chǎn)安全。
以地裂縫、塌陷坑為研究對(duì)象,并考慮地下采空區(qū)情況確定工作區(qū)范圍,工作區(qū)面積1.8km2。
工作區(qū)位于吉林省東部低山區(qū)內(nèi)的玄武巖臺(tái)地上,地勢(shì)為四周略低,中部略高。玄武巖臺(tái)地比較平坦,海拔一般在750~800m,面積廣闊。
工作區(qū)地層由老至新如下:
(1)侏羅系上統(tǒng)林子頭組:主要由酸性火山巖及其碎屑巖組成,厚度202~1213m。
(2)侏羅系上統(tǒng)石人組:主要為礫巖、砂巖夾火山碎屑,含可采煤層,厚度約290m。
(3)新近系船底山組:主要由玄武巖組成,深灰至褐色,塊狀及氣孔狀構(gòu)造。在玄武巖下有一層厚度2~4m的砂巖、礫巖。厚度52~84m。
本區(qū)含煤巖系為中生界侏羅系上統(tǒng)石人組,其中Ⅲ上、Ⅲ下和Ⅱ煤層為可采煤層。
(1)Ⅲ上煤層:為主要可采煤層,煤層厚度為0.2~9.8m,平均厚度3.61m,已基本全部采空。
(2)Ⅲ下煤層:煤層厚度為0.2~3.31m,平均厚度為1.29m,尚未進(jìn)行開(kāi)采。
(3)Ⅱ?qū)用?煤層厚度0.2~5.56m,平均厚度1.49m,尚未進(jìn)行開(kāi)采。
以上各煤層傾角一般為20°~29°,煤層產(chǎn)狀與含煤層一致,傾向?yàn)?56°。
工作區(qū)內(nèi)有地裂縫7條、塌陷坑5處,其規(guī)模與形態(tài)詳見(jiàn)圖1~3,其基本情況詳見(jiàn)表1~2。
圖1 林間地裂縫Fig.1 The ground fissure in woodland
圖2 田間地面塌陷坑Fig.2 The collapse pit in cultivated land
圖3 地裂縫與地面塌陷坑分布平面圖Fig.3 Distribution map of the ground fissures and collapse pits
表1 地裂縫基本情況Table 1 The basic informations of ground fissures
表2 地面塌陷坑基本情況Table 2 The basic informations of collapse pits
根據(jù)各地裂縫與塌陷坑的分布形態(tài),地面塌陷的地表變形有如下基本特征:
(1)地裂縫可分為兩種類(lèi)型。一種為主地裂縫,走向?yàn)榻麰W向;一種為次地裂縫,走向差異較大,但都沿主地裂縫呈環(huán)形分布。
(2)主地裂縫具成帶性。主地裂縫及塌陷坑的分布在空間上構(gòu)成一條裂縫帶,該裂縫帶起于K1,沿K2、L3、K3、K4、K5 至 L7 結(jié)束。
(3)裂縫帶發(fā)育有明顯的線性展布特征。裂縫帶沿近EW方向延伸,與煤層走向基本一致,不受地貌、地物控制,徑直延伸。
(4)裂縫帶內(nèi)單條地裂縫平直延伸,但時(shí)有彎曲、分叉和斜列現(xiàn)象;剖面上寬下窄,逐漸尖滅,自上而下呈舒緩波狀并有分支現(xiàn)象。
(5)各地裂縫具有同步位錯(cuò)特征,所有地裂縫皆張開(kāi),主地裂縫南側(cè)地面相對(duì)北側(cè)地面下沉。
根據(jù)區(qū)域地質(zhì)環(huán)境條件,通過(guò)物探、鉆探資料,并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,玄武巖下不存在軟弱地層,玄武巖陡坎前緣無(wú)滑動(dòng)變形跡象。因此可以排除由于上覆玄武巖山體向北部滑移產(chǎn)生地裂縫、塌陷坑的可能性。
工作區(qū)煤礦自開(kāi)采以來(lái),Ⅲ上層煤已形成大面積采空區(qū),采空區(qū)沿煤層走向長(zhǎng)約1600m,寬約1420m,面積約2.27km2。煤層平均采厚3.61m,平均傾角24°,頂板管理采用全部塌落法。
根據(jù)計(jì)算,煤層的采深與采厚比為9.15~120,多數(shù)小于80,加上地表為玄武巖,柱狀節(jié)理發(fā)育,因此,判定地裂縫與塌陷坑是由于采空區(qū)塌陷引起的[1-3]。
工作區(qū)煤層傾向356°,傾角20°~29°,總體上為自南向北逐漸向深部開(kāi)采,可近似認(rèn)為是半無(wú)限開(kāi)采,用概率積分法計(jì)算半無(wú)限開(kāi)采的地表移動(dòng)和變形值[4-5]。
(1)基本參數(shù)的確定
①下沉系數(shù)q
式中:mi——覆巖i分層的法線厚度(m);
Qi——覆巖i分層的巖性評(píng)價(jià)系數(shù);
P——覆巖綜合評(píng)價(jià)系數(shù)。
由煤層上覆巖性及厚度計(jì)算得,P=0.7、q=0.8。
②主要影響角正切tgβ
式中:α ——煤層傾角(°),一般為24°;
H——為煤層采深(m);
D——巖性影響系數(shù)。
P=0.7,查表 D=2.00
tgβ=(2.00-0.0032×H)(1-0.0038×24)
③開(kāi)采影響傳播角θ
α =24°≤45°時(shí),θ=90°-0.68α
則 θ=73.68°。
④水平移動(dòng)系數(shù)b
⑤拐點(diǎn)偏距S(m)
上覆巖層屬堅(jiān)硬-較硬巖層,取S=0.05H。
⑥盆地走向主剖面的主要影響半徑r
⑦采深采厚比界限值
根據(jù)采空區(qū)范圍與覆巖情況,取采深采厚比80為界限值。
(2)地表移動(dòng)與變形
由計(jì)算結(jié)果可知:
①地表下沉值為3.47~2634.85mm;
②傾斜值為0.08~139.43mm/m;
③曲率值為-11.2×10-3~11.2×10-3/m;
④水平移動(dòng)值為10.36~954.86mm;
⑤水平變形值為-76.72~76.72mm/m。
(3)評(píng)價(jià)結(jié)果
通過(guò)概率積分法計(jì)算得出了地表移動(dòng)與變形值,但由于玄武巖質(zhì)地堅(jiān)硬,工作區(qū)地表并未形成完整移動(dòng)盆地,而是以不連續(xù)的地裂縫為主要變形形式,計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況并不完全一致。
雖然如此,水平變形值的計(jì)算結(jié)果卻有著重要的意義,水平變形的計(jì)算結(jié)果可以很好地解釋東西向裂縫帶出現(xiàn)的位置,從地表水平變形等值線圖(圖4)可以明顯看出東西向地裂縫帶完全位于水平變形最大區(qū)域,這是因?yàn)樾鋷r質(zhì)地堅(jiān)硬,但柱狀節(jié)理發(fā)育,水平變形值越大,則玄武巖越容易破壞,在張力作用下形成地裂縫。
同時(shí),以采深采厚比80為界,按照安全采深沿巖石移動(dòng)角確定的巖石移動(dòng)面與地面的交匯線也正是水平變形最大區(qū)域,同裂縫帶幾乎完全重合(圖3~圖4)。
圖4 地表水平變形等值線圖Fig.4 Horizontal deformation isograms
(1)由于玄武巖堅(jiān)硬、柱狀節(jié)理發(fā)育,玄武巖臺(tái)地采空塌陷的地表變形以不連續(xù)的地裂縫為主,一般無(wú)明顯、完整的地表移動(dòng)盆地形成。
(2)玄武巖臺(tái)地采空塌陷在地表也有塌陷坑的表現(xiàn)形式,但塌陷坑在空間上也具有方向性,在延伸方向上的長(zhǎng)度較大,而垂直延伸方向的寬度較小,該類(lèi)塌陷坑實(shí)為地裂縫寬度發(fā)展較大后的特殊表現(xiàn)形式。
(3)玄武巖臺(tái)地采空塌陷引發(fā)的地裂縫可分為兩種類(lèi)型。一種為主地裂縫,一種為次地裂縫。主地裂縫往往時(shí)斷時(shí)續(xù),但在空間上具有方向性,一般都沿著巖石移動(dòng)面與地面交匯線分布;次地裂縫通常在主地裂縫形成后的兩年內(nèi)出現(xiàn),且往往圍繞主地裂縫呈環(huán)形分布。
(4)概率積分法的計(jì)算結(jié)果與玄武巖臺(tái)地采空塌陷實(shí)際情況相差較大,但水平變形最大區(qū)域與裂縫帶的分布位置卻有著良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,所以水平變形的計(jì)算是預(yù)測(cè)玄武巖臺(tái)采空塌陷地表變形的關(guān)鍵所在。
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