河北唐山市巍山長(zhǎng)山地裂縫及其預(yù)防

張玉寶，劉軍波

(河北省地質(zhì)調(diào)查院，河北石家莊 050081)

1 地裂縫現(xiàn)狀及其危害

巍山長(zhǎng)山山體地裂縫位于唐山市古冶區(qū)巍山長(zhǎng)山山體頂部至山體南坡，標(biāo)高+260～+100m，呈帶狀分布，由斷續(xù)出露的三條地裂縫組成，地裂縫帶東西長(zhǎng)約4000m，南北寬約500m，影響破壞面積約2km2［1］。地裂縫走向多為順層自西向東，由北東轉(zhuǎn)向北東東，地裂縫平直呈直立狀展布，深達(dá)數(shù)十米至上百米，物探勘測(cè)深度達(dá)300～500m，地裂縫寬0.6～2.0m［2-3］。多沿坐落式地塹式塌陷分布，地裂縫兩盤垂向位移達(dá)1.5m，水平位移達(dá)1.0m。采空塌陷及伴生地裂縫破壞了山體結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性，存在發(fā)生地裂縫和崩塌等地質(zhì)災(zāi)害隱患，對(duì)人類工程經(jīng)濟(jì)活動(dòng)安全構(gòu)成了威脅，已引起當(dāng)?shù)卣匾暫蜕鐣?huì)極大關(guān)注。

2 地裂縫形成條件與影響因素

2.1 地裂縫發(fā)生的地質(zhì)介質(zhì)條件和邊界條件

巍山長(zhǎng)山地裂縫帶地處開(kāi)平向斜西北翼地層倒轉(zhuǎn)區(qū)，山體高達(dá)260多米，相對(duì)高差120～200m，山坡坡度25°～35°，地層巖性為奧陶系下統(tǒng)冶里組白云巖，中統(tǒng)馬家溝組中厚層豹皮灰?guī)r和石灰系砂巖、頁(yè)巖、泥巖、鋁土巖及灰?guī)r夾層。地層走向北東-北東東向，淺部巖層傾向北西-北北西，深部?jī)A向南-南東，傾角 70°～85°［4-5］。地裂縫帶基本沿巍山長(zhǎng)山南坡斷層和節(jié)理構(gòu)造展布，斷層長(zhǎng)約20多公里，由一系列斷續(xù)出露的斷層組成，總體走向北東-北東東，傾向北西-北北西，傾角近于直立，斷面多沿地層層面展布［7］。受構(gòu)造活動(dòng)影響，巖層強(qiáng)烈褶皺變形，山體頂部和南坡巖體(層)被縱向橫向斷層、三組節(jié)理和泥巖、鋁土巖等軟弱結(jié)構(gòu)面切割成不同形狀的巖塊，控制了地裂縫的空間分布，成為地裂縫和塌陷分布的介質(zhì)條件及邊界條件。

2.2 采礦動(dòng)力作用

巍山長(zhǎng)山南坡下伏的石炭系急傾斜煤層已被趙各莊礦和小煤礦開(kāi)采多年，采用自上而下多水平(段)分層崩落法開(kāi)采。目前，趙各莊煤礦開(kāi)采深度達(dá)1000m以下，主要開(kāi)采趙各莊組12煤層，厚度12.8m，受采動(dòng)影響采空區(qū)覆巖發(fā)生塌陷和地裂縫。山體南坡受地表斜坡坡面、地下采空區(qū)周圍邊界兩個(gè)臨空面和斷層、節(jié)理、巖溶裂隙及軟弱層面控制，在爆破采動(dòng)和地壓的作用下，上覆巖體變形破壞特征主要向地下采空區(qū)方向塌落和滑移，山體斜坡發(fā)生坐落式、地塹式塌陷(坑、帶)，沿軟弱結(jié)構(gòu)面伴生大量的平直地裂縫。奧陶系石灰?guī)r礦大規(guī)模露天開(kāi)采加劇了山體塌陷、地裂縫和崩塌地質(zhì)災(zāi)害隱患。

2.3 地震內(nèi)力作用

巍山巖層倒轉(zhuǎn)區(qū)是地應(yīng)力集中區(qū)，1976年唐山7.8級(jí)地震后震害調(diào)查，發(fā)現(xiàn)地裂縫受強(qiáng)烈震動(dòng)影響，其規(guī)模較震前明顯擴(kuò)大。唐山地震余震在巍山、趙各莊一帶時(shí)有發(fā)生，井下觀測(cè)斷層在蠕動(dòng)，對(duì)地裂縫的發(fā)展也有一定影響。

2.4 降雨入滲地下水影響

據(jù)趙各莊煤礦礦井涌水量和礦區(qū)地下水水位監(jiān)測(cè)資料，每年汛期強(qiáng)降雨后礦井涌水量迅速增大，巖溶水水位急劇上升，變化幅度達(dá)數(shù)十米至上百米。降雨地表徑流沿?cái)鄬?、?jié)理、巖溶裂隙和地裂縫等貫通性導(dǎo)水通道匯入地下采空區(qū)，在地下水滲透壓力和軟化、泥化、潤(rùn)滑作用下，加劇了地裂縫和塌陷的發(fā)展。

3 地裂縫變化趨勢(shì)

地裂縫調(diào)查資料表明，巍山地裂縫受采礦等多因素影響仍在不斷發(fā)展變化。近三十多年來(lái)，地裂縫的數(shù)量、規(guī)模、范圍在逐漸擴(kuò)大。2002年至2005年趙各莊煤礦對(duì)典型地裂縫監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，地裂縫兩盤水平位移量增加了78mm。地裂縫帶，由原來(lái)巍山南坡擴(kuò)展到山脊和北坡。

趙各莊煤礦巍山井田煤層底界標(biāo)高達(dá)-2000m，大量?jī)?yōu)質(zhì)煤炭資源尚未開(kāi)采，開(kāi)采深部高地應(yīng)力區(qū)煤層，多水平重復(fù)采動(dòng)采空區(qū)體積擴(kuò)大，小煤礦復(fù)采、殘采淺部煤層，露天開(kāi)采巍山石灰?guī)r礦，將引發(fā)或加劇采空塌陷地裂縫災(zāi)害。根據(jù)開(kāi)灤煤礦《關(guān)于頒發(fā)地面建筑物保護(hù)煤柱規(guī)模的通知》，規(guī)定“急傾斜煤層開(kāi)采時(shí)底板也將向采空區(qū)滑落，當(dāng)煤層傾角≥55°時(shí)，底板滑落角λ以代替上山方向的移動(dòng)角。開(kāi)灤趙各莊煤礦反山區(qū)λ=40°～50°。”12煤開(kāi)采水平標(biāo)高-800～-1000m，采用底板滑落角40°計(jì)算，結(jié)合地裂縫瞬變電磁(TEW)物探勘測(cè)資料推測(cè)，地裂縫帶垂直煤層走向方向地表水平距離達(dá)800～1000m，地裂縫深度為300～800m。見(jiàn)地裂縫推測(cè)深度剖面圖(圖1)。

圖1 地裂縫推測(cè)深度剖面圖Fig.1 An inferred profile of the Weishan ground fracture

4 采空塌陷地裂縫預(yù)防措施

(1)巍山長(zhǎng)山山體地裂縫是地下采煤采空區(qū)塌陷伴生的地裂縫，以往調(diào)查研究成果多側(cè)重于地面地裂縫現(xiàn)狀、分布，而對(duì)造成地裂縫的地質(zhì)采礦條件、采動(dòng)影響和采空區(qū)頂板冒落、覆巖塌陷等系統(tǒng)研究不夠，為此，應(yīng)在深入分析已有地裂縫調(diào)查、監(jiān)測(cè)資料基礎(chǔ)上，結(jié)合井田區(qū)域地質(zhì)環(huán)境條件、地質(zhì)采礦條件、開(kāi)采范圍、開(kāi)采深度和采空塌陷地裂縫時(shí)間、空間、強(qiáng)度變化，進(jìn)行系統(tǒng)勘察研究，對(duì)巍山長(zhǎng)山采空塌陷地裂縫災(zāi)害做出評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)。

(2)針對(duì)礦床地質(zhì)特征和水文地質(zhì)工程地質(zhì)條件，采用合理、科學(xué)的采礦工藝，避讓或減少易發(fā)生變形破壞的不利地段。規(guī)范采礦活動(dòng)，嚴(yán)禁小礦山破壞性開(kāi)采，控制或減輕爆破采動(dòng)對(duì)礦床圍巖、覆巖的擾動(dòng)破壞。加強(qiáng)巷道地壓管理和地下采區(qū)地壓監(jiān)測(cè)，地下坑道、采空區(qū)出現(xiàn)變形跡象及時(shí)采取防塌、封閉、加固措施。超前探水，有疑必探，先探后掘，對(duì)主要充水通道或地段應(yīng)留設(shè)防水礦柱。

(3)巍山山體南坡地形坡度大，地裂縫規(guī)模大，應(yīng)根據(jù)微地貌和地裂縫分布，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)區(qū)采取防范警示措施;因地制宜的采用截流排水措施，減少降雨匯水灌入地裂縫，減輕采空塌陷和地裂縫地質(zhì)災(zāi)害。

(4)開(kāi)展采空塌陷地裂縫監(jiān)測(cè)并采取防范措施。布設(shè)地下井巷采區(qū)圍巖變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)和地表采空塌陷地裂縫分布區(qū)及隱患區(qū)地面變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)［6］。

充分收集利用已有采空塌陷及山體裂縫調(diào)查與監(jiān)測(cè)資料，掌握地下開(kāi)采采空區(qū)分布和露天開(kāi)采時(shí)空分布動(dòng)態(tài)資料，進(jìn)行地面塌陷地裂縫測(cè)繪，選擇地裂縫主裂帶和縱向、橫向延展帶及危害對(duì)象，布設(shè)水準(zhǔn)測(cè)量和GPS測(cè)量監(jiān)測(cè)網(wǎng)，開(kāi)展地裂縫監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)、預(yù)警。地裂縫危險(xiǎn)區(qū)設(shè)置警示牌和防護(hù)網(wǎng)。做好地裂縫地面塌陷預(yù)防工作。

［1］河北省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站唐山監(jiān)測(cè)站.唐山市古冶區(qū)巍山地裂縫調(diào)查報(bào)告［R］.1980.Geological environment monitoring station in Tangshan，Hebei province.Investigation report of Weishan ground fracture at Guye district in Tangshan［R］.1980.

［2］冶金五一五地質(zhì)隊(duì).唐山市古冶區(qū)巍山地裂縫1:2000地質(zhì)測(cè)量報(bào)告［R］.1983.Metallurgy industry 515 geological team.1:2000 geological measurement report of Weishan ground fracture at Guye district in Tangshan［R］.1983.

［3］唐山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院.唐山市城市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)報(bào)告(1996～2000年)［R］.2001.Tangshan Institute of geological environment monitoring.Monitoring report of geological environment in Tangshan city from 1996 to 2000［R］.2001.

［4］河北省地礦局第五地質(zhì)大隊(duì).唐山市古冶區(qū)巍山山體裂縫1:1000地質(zhì)測(cè)量報(bào)告［R］.2002.The fifth geological team of Hebei geology and mineral bureau. 1:1000 geologicalmeasurementreportof Weishan ground fracture at Guye district in Tangshan［R］.2002.

［5］河北冀東建設(shè)工程有限公司.唐山市古冶區(qū)巍山山體裂縫地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)報(bào)告［R］.2006.Jidong construction engineering limited company in Hebei province.Investigation and evaluation report of Weishan ground fracture at Guye district in Tangshan［R］.2006.

［6］河北省地礦局第五地質(zhì)大隊(duì).唐山市古冶區(qū)巍山山體特大裂縫地質(zhì)災(zāi)害勘查、監(jiān)測(cè)及預(yù)警調(diào)查報(bào)告［R］.2006.The fifth geological team of Hebei geology and mineral bureau.Prospecting，monitoring and prediction report of Weishan ground fracture at Guye district in Tangshan［R］.2006.

［7］一九七六年唐山大地震［M］.北京:地震出版社，1982.The great Tangshan earthquake［M］.Beijing:Earthquake Press，1982.