玄武巖臺(tái)地采空塌陷發(fā)育特征——以吉林省三合城村地面塌陷為例

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)

0 引言

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。

1 工作區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件

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。

1.1 地形地貌

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。

1.2 地層巖性

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。

1.3 煤層地質(zhì)特征

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°。

2 地面塌陷發(fā)育現(xiàn)狀及特征

2.1 地面塌陷發(fā)育現(xiàn)狀

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

2.2 地面塌陷發(fā)育特征

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。

3 地面塌陷成因分析與評(píng)價(jià)

3.1 地面塌陷成因分析

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］。

3.2 地面塌陷評(píng)價(jià)

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

4 結(jié)論

(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。

［1］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［S］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2000.State Bureau o f Coal Industry.Regulations of buildings，water，railway and main well lane leaving coal pillar and press coal mining［S］.Beijing:China Coal Industry Publishing House，2000.

［2］劉永貴，李廣杰，馬曉艷，等.吉林省靖宇縣地裂縫成因分析及危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)［J］.中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2010，21(1):136-138.LIU Yonggui，LI Guangjie，MA Xiaoyan，et al.Cause analysis and hazard prediction of ground fissure in Jingyu County［J］.The Chinese Journal of Geological Hazard and Control，2010，21(1):136-138.

［3］劉瑾，孫占法，張永波.采深和松散層厚度對(duì)開(kāi)采沉陷地表移動(dòng)變形影響的數(shù)值模擬研究［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2007，34(4):88-93.LIU Jin， SUN Zhanfa， ZHANG Yongbo.Numerical simulation of the effect of thickness mining and loose seam's thickness on ground movement and deformation in mining subsidence［J］.Hydrogeology and Engineering Geology，2007，34(4):88-93.

［4］楊梅忠，任秀芳，于遠(yuǎn)祥.概率積分法在煤礦采空區(qū)地表變形動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用［J］.西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，27(1):39-42.YANG Meizhong， REN Xiufang， YU Yuanxiang.Application of probability integration to danamic appraisal of surface distortion in coal depletion region ［J］.Journal of Xi'an University of Science and Technology，2007，27(1):39-42.

［5］孫鳳余，鄭偉，郭新華.概率積分法在礦山環(huán)境開(kāi)采沉陷預(yù)測(cè)評(píng)估中的應(yīng)用［J］.四川環(huán)境，2009，28(1):90-93.SUN Fengyu，ZHENG Wei，GU0 Xinhua.Application of Probability Integral Method for Predicing Mine Subsidence［J］.Sichuan Environment，2009，28(1):88-93.