唐山市采空塌陷調(diào)查及穩(wěn)定性分析*

劉曉燕，李 忠，袁四化

(防災(zāi)科技學(xué)院， 河北三河市 065201)

0 引言

采空塌陷是指由于地下挖掘形成空間，造成上部巖土層在自重作用下失穩(wěn)而引起的地面塌陷現(xiàn)象，其發(fā)生與煤層的賦存條件(如埋深、產(chǎn)狀、厚度)和開(kāi)采狀況(層位、深度、圍巖、邊界條件)及自然環(huán)境(降雨、地震)等因素有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，開(kāi)采深度越大，變形擴(kuò)展到地表的時(shí)間越長(zhǎng)，地面變形越小;開(kāi)采空間越大，地表變形越大，并逐步擴(kuò)大形成比采空區(qū)更大的沉陷區(qū)(盆地)。采空塌陷是一種外生地質(zhì)災(zāi)害，破壞耕地，降低土地質(zhì)量，損壞地面建筑物，危及生命安全，給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重威脅，并嚴(yán)重影響著生態(tài)環(huán)境。

唐山地區(qū)是我國(guó)重要的煤炭開(kāi)采基地，開(kāi)灤礦務(wù)局擁有上百年的開(kāi)采歷史。該區(qū)煤炭大多數(shù)產(chǎn)于石炭二疊系地層中，煤層埋藏較深，以地下開(kāi)采為主［1］。由于該區(qū)自然地質(zhì)條件及多年開(kāi)采中人為因素的綜合影響，造成唐山礦區(qū)地下采空區(qū)內(nèi)沒(méi)有足夠的保安礦柱和各層采空區(qū)分布不均等原因，使得采空塌陷問(wèn)題日益突出［2］。因此，對(duì)唐山礦區(qū)開(kāi)展采空塌陷調(diào)查并分析采空區(qū)穩(wěn)定性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 采空區(qū)穩(wěn)定性分析研究現(xiàn)狀

對(duì)于采空區(qū)穩(wěn)定性分析，目前應(yīng)用較多的是有經(jīng)典唯象學(xué)方法、力學(xué)方法和數(shù)值分析方法。力學(xué)方法主要有拱形冒落論和壓力拱說(shuō)，數(shù)值分析法主要有有限元、邊界元、離散單元法、拉格朗日元法、非連續(xù)變形分析和流形元法等方法［3］。經(jīng)典唯象方法具有代表性的是1954年波蘭學(xué)者李特維尼申首先提出的開(kāi)采沉陷的隨機(jī)介質(zhì)理論，后由我國(guó)學(xué)者發(fā)展成為概率積分法［4］。

近年來(lái)，隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，一些新的數(shù)學(xué)理論和計(jì)算方法被用于穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法［5］，將采空區(qū)穩(wěn)定性問(wèn)題看作一個(gè)非線性動(dòng)力系統(tǒng)，利用“多輸入－單輸出”進(jìn)行模式識(shí)別，是應(yīng)用較為廣泛的一種現(xiàn)代信息處理方法，但是在學(xué)習(xí)樣本有限時(shí)精度無(wú)法保證;灰色系統(tǒng)理論在解決“小樣本、貧信息和不確定”問(wèn)題方面具有優(yōu)勢(shì)［6］，但當(dāng)原始數(shù)據(jù)序列波動(dòng)較大、信息過(guò)于分散時(shí)，該方法的預(yù)測(cè)精度將會(huì)大幅度降低;模糊數(shù)學(xué)理論采用隸屬度描述事物的歸屬程度，結(jié)合層次分析法確定各因子的權(quán)重系數(shù)，建立相應(yīng)的采空區(qū)穩(wěn)定性模糊評(píng)判模型［7］，但在評(píng)價(jià)因素較多時(shí)，每一因素取得權(quán)重分配的值很小，預(yù)期效果將不理想;GIS技術(shù)具有很好的空間數(shù)據(jù)處理特征，尤其在空間圖像處理、成果展示等方面表現(xiàn)優(yōu)異，在老礦山采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方面也有很好表現(xiàn)［8］;基于信息融合技術(shù)的采空區(qū)評(píng)價(jià)模型，對(duì)來(lái)自不同渠道的信息進(jìn)行處理，以改善信息的質(zhì)量，提高信息的精度，評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況吻合很好［9-10］;支持向量機(jī)方法在小樣本情況下可以很好地模擬實(shí)際情況，具有較好的魯棒性，在采空區(qū)地面塌陷預(yù)測(cè)方面獲得很好應(yīng)用［11］。

可以看出，目前對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法多以現(xiàn)代信息處理技術(shù)為主，沒(méi)有形成一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。評(píng)價(jià)指標(biāo)體系也存在多樣化、不統(tǒng)一的問(wèn)題，這給礦山采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)帶來(lái)困難。

2 唐山市煤礦采空區(qū)塌陷特征

2.1 唐山市煤礦采空塌陷概況

目前唐山市有11座開(kāi)灤集團(tuán)所屬煤礦和29座地方煤礦，煤田分布面積670多km2，主要分布在路南區(qū)、路北區(qū)、古冶區(qū)、開(kāi)平區(qū)、豐南區(qū)、豐潤(rùn)區(qū)及玉田縣境內(nèi)(見(jiàn)圖1)，所屬構(gòu)造單元主要為開(kāi)平向斜、荊各莊向斜及林南倉(cāng)向斜。除開(kāi)平向斜西北冀的煤層出露地表外，其它煤層均隱伏于第四系地層之下50～500 m，煤層埋深一般為100～1000 m。煤炭開(kāi)采方式主要為地下開(kāi)采，煤炭大量開(kāi)采使采空區(qū)頂板失去支撐，原有的斷裂、裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展，造成頂板巖石斷裂、冒落，引起地表裂隙、沉陷、坍落，最終發(fā)展成地面塌陷。塌陷區(qū)一般具有以下特點(diǎn):塌陷坑深、塌陷坑面積大、塌陷時(shí)代久遠(yuǎn)，除此之外，塌陷坑所處位置一般為人口稠密區(qū)。

圖1 唐山開(kāi)灤煤礦采空塌陷區(qū)分布

據(jù)調(diào)查，唐山地區(qū)煤炭開(kāi)采造成的采空塌陷共35處，其中僅市區(qū)就多達(dá)14處，占總塌陷的40%。塌陷規(guī)模為巨型的有4處，為大莊坨采空塌陷、劉莊塌陷、西白道子塌陷及荊各莊煤礦采空塌陷，總面積超過(guò)60 km2。與前人研究的1995～2004年間采空塌陷造成的重度危害區(qū)的分布:路南區(qū)女織寨－開(kāi)平區(qū)栗園一帶、開(kāi)平－古冶區(qū)－大莊坨－卑家店－范各莊一帶有較大重疊之處［12］。本次調(diào)查塌陷為大型的有7處，中型的3處，小型19處。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，直接經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)2.6億。

在開(kāi)平區(qū)，趙各莊村至古樓莊村塌陷地裂縫造成津唐高速路面產(chǎn)生相距約18 m的兩條裂縫，古樓莊有47戶居民房屋嚴(yán)重開(kāi)裂，地面變形突出。在南湖地區(qū)，唐山煤礦采空區(qū)地面塌陷導(dǎo)致地表積水坑9處，積水和嚴(yán)重變形面積約9.48 km2;因煤礦塌陷導(dǎo)致地裂縫，使農(nóng)田開(kāi)裂錯(cuò)落，錯(cuò)斷地下水管;穿越鐵路、公路，使路基形成陡坎;跨越河流，使河床變寬，形成蛇曲彎;民房開(kāi)裂、變形乃至倒塌;貨運(yùn)鐵路專(zhuān)線嚴(yán)重變形等地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象。在馬家溝煤礦采空塌陷區(qū)域，包括開(kāi)平及洼里煤礦一帶，該區(qū)域有陡呂鐵路通過(guò)及高壓線跨越，有的高壓線塔附近出現(xiàn)裂縫、且裂縫在緩慢加寬。在開(kāi)灤趙礦采區(qū)及南、北窯溝地方煤礦采空區(qū)域因塌陷對(duì)堿廠及鞠家?guī)X的輸水管道構(gòu)成影響;西白道子采空塌陷造成西白道子整個(gè)村房屋開(kāi)裂，部分房屋開(kāi)裂嚴(yán)重。

2.2 唐山市煤礦采空塌陷InSAR動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)特征

InSAR(Interferometric synthetic aperture radar，InSAR)是一種近年來(lái)發(fā)展較快，應(yīng)用較廣的技術(shù)。在地面沉降、斷裂探測(cè)、地震活動(dòng)等諸多領(lǐng)域均有很好的應(yīng)用。本次調(diào)查利用該技術(shù)對(duì)唐山地區(qū)的地面沉降實(shí)施了動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，從2004.11～2010.10監(jiān)測(cè)結(jié)果上看(見(jiàn)圖2)，該區(qū)地面沉降變形是一個(gè)非常緩慢但持續(xù)的過(guò)程，較強(qiáng)烈的變形區(qū)與唐山主要煤礦的分布呈現(xiàn)對(duì)應(yīng)關(guān)系，這與已采或正在開(kāi)采的煤礦采空區(qū)致使的上覆巖體正在達(dá)到新的應(yīng)力平衡有一定關(guān)系。其中唐山礦、馬家溝礦沉降顯著，最大處平均可約達(dá)26 mm/a，這可能與該區(qū)斷裂展布有關(guān)。而煤礦區(qū)之外的地面沉降變形較為強(qiáng)烈的地區(qū)可能與唐山地區(qū)發(fā)育的其他自然災(zāi)害種類(lèi)有關(guān)，在此不做討論。

圖2 2004.11～2010.10年唐山市沉降速率

3 唐山市采空區(qū)穩(wěn)定性分析

唐山包含煤礦較多，涉及的采空區(qū)面積較大，目前關(guān)于全面的采空區(qū)穩(wěn)定性分析及治理方面的文獻(xiàn)報(bào)道較少，相關(guān)的報(bào)道多集中在采礦引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害、治理措施、煤層開(kāi)采程度等方面。例如，有關(guān)趙各莊煤礦的開(kāi)采現(xiàn)狀及該礦采空沉陷區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育及成災(zāi)機(jī)理等［13］。

3.1 采空塌陷沉陷規(guī)律

地下采煤破壞了巖體內(nèi)原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，在重力作用下，巖體產(chǎn)生了變形和移動(dòng)。開(kāi)采實(shí)踐證明，采煤方法和頂板管理方法是影響圍巖應(yīng)力變化、巖層移動(dòng)、覆巖破壞的主要因素。用落垛采煤法采煤時(shí)，容易造成由于煤柱的抽冒引起地表形成塌陷坑的非連續(xù)性破壞。尤其是這種采煤方法容易造成頂板冒落不實(shí)，在采空區(qū)內(nèi)形成較大的空洞。這種空洞有時(shí)在沒(méi)有新的外力作用下可以保留很長(zhǎng)的時(shí)間。調(diào)查顯示，唐山礦區(qū)地表沉陷開(kāi)始時(shí)間一般在閉坑后8個(gè)月左右，之后進(jìn)入塌陷期，這個(gè)過(guò)程大約持續(xù)2～3 a時(shí)間，地表方趨于穩(wěn)定。

唐山地區(qū)的主要礦井仍在開(kāi)采，但各礦區(qū)停采煤礦已達(dá)40～70 a不等，部分礦區(qū)地下巖層發(fā)生倒轉(zhuǎn)，傾向西北，且近直立狀。附近采空區(qū)多分布在西南側(cè)，地下臨空面與巖層傾向相背，此處的采空塌陷波及范圍應(yīng)與采空區(qū)的邊界相當(dāng)。近幾年周邊地區(qū)沒(méi)有發(fā)生地面不均勻沉降現(xiàn)象。特別是經(jīng)過(guò)1976年唐山大地震，巖層內(nèi)部空隙得到重新耦合，應(yīng)力達(dá)到新的平衡，地表已穩(wěn)定。

根據(jù)過(guò)去對(duì)唐山礦開(kāi)采方法的了解以及對(duì)該區(qū)下方9、10、11地質(zhì)剖面圖部分煤層采掘工程平面圖的分析，該處的開(kāi)采方法主要是采用局部落垛采煤法。鑒于回采時(shí)間久，不會(huì)再有大的沉陷，更不會(huì)產(chǎn)生非連續(xù)性的破壞。存在的下沉是類(lèi)似本溪煤礦的極輕微的殘余下沉。

3.2 采空區(qū)穩(wěn)定性分析

根據(jù)我國(guó)多年來(lái)對(duì)巖體和地表移動(dòng)規(guī)律的研究和實(shí)踐，一般在下列條件之一的情況下，地面才可能出現(xiàn)突然沉陷:在淺部煤層開(kāi)采時(shí)，煤層采空區(qū)上覆巖層的垮落帶波及到地表的情況下，突然下沉將不可避免地發(fā)生;在開(kāi)采淺部急傾斜煤層時(shí)，尤其是當(dāng)煤層的頂?shù)装鍘r層的硬度較大，而煤層的硬度相對(duì)較小的情況下，有可能發(fā)生煤層的抽冒;當(dāng)抽冒波及到地表時(shí)，則在煤層露頭處的地表位置將發(fā)生突然下沉;在巖體內(nèi)部存在有大斷層構(gòu)造的條件下，當(dāng)煤層開(kāi)采波及到這個(gè)斷層時(shí)，由于斷層面是一個(gè)軟弱面，斷層帶的破碎巖石沿?cái)鄬用嫦蛳禄?，則在斷層露頭處的地表有可能發(fā)生突然下沉。

3.3 地震對(duì)老采空區(qū)的影響分析

對(duì)于地震對(duì)老采空區(qū)地面下沉的影響，目前還沒(méi)有實(shí)測(cè)資料。但從理論上分析，對(duì)于采空區(qū)上方巖體在沒(méi)有壓實(shí)的情況下，經(jīng)過(guò)地震的作用，可以加快巖體的壓實(shí)過(guò)程，使得原采空區(qū)圍巖應(yīng)力處于新平衡狀態(tài)。調(diào)查顯示，1976年唐山7.8級(jí)大地震對(duì)井下巷道等構(gòu)筑物破壞很小，地面也沒(méi)有出現(xiàn)突發(fā)性的震害，這從一個(gè)側(cè)面說(shuō)明了評(píng)估區(qū)內(nèi)老采空區(qū)的分布范圍及規(guī)模不大，對(duì)地層穩(wěn)定性影響不大。

4 結(jié)論與建議

(1)唐山煤礦采空塌陷的發(fā)生，與自然和人為多種誘發(fā)因素相關(guān)。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和InSAR動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，唐山地面變形是一個(gè)緩慢但持續(xù)的過(guò)程，強(qiáng)烈變形區(qū)與煤礦分布區(qū)有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。較為嚴(yán)重的采空塌陷主要分布在唐山市中南部京山鐵路兩側(cè)以及荊各莊、范各莊、呂家坨等地，具有分布面積廣、規(guī)模大、人員傷亡小、經(jīng)濟(jì)損失較大等特點(diǎn)。

(2)唐山的主要煤礦開(kāi)采歷史久遠(yuǎn)，除主采區(qū)仍在開(kāi)采外，大部分已閉坑40～70 a，地表下沉一般開(kāi)始于閉坑8個(gè)月左右，塌陷期持續(xù)2～3 a，地表方趨于穩(wěn)定。尤其唐山大地震之后，巖層內(nèi)部空隙得到重新耦合，內(nèi)部應(yīng)力達(dá)到新的平衡，使得地表漸趨穩(wěn)定，不會(huì)造成大面積的沉陷，更不會(huì)產(chǎn)生非連續(xù)性的地表破壞。

(3)建議加強(qiáng)地球物理探測(cè)及地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)與采空區(qū)危險(xiǎn)性評(píng)估工作，對(duì)直接威脅居民安全的采空塌陷危險(xiǎn)性大的隱患點(diǎn)，采取搬遷避讓措施，以減少人民生命財(cái)產(chǎn)損失。

［1］唐山市國(guó)土資源局.唐山市礦產(chǎn)資源及開(kāi)發(fā)利用匯編［R］.唐山:國(guó)土資源局，2004，12.

［2］田寶柱，陳婷婷.唐山市礦山采空塌陷現(xiàn)狀與治理對(duì)策分析［C］//2012工程和商業(yè)管理國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.2012:1636-1638.

［3］寇向宇，賈明濤，王李管，等.基于 CMS及 DIMINE—FLAC3D耦合技術(shù)的采空區(qū)穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)［J］.礦業(yè)工程研究，2010，25(1):31-35.

［4］LIU Hong，HU Qian－ting，WANG Jin－an.Analysis on stability of pillar and stiff roof system in the gob area［J］.Journal of Coal:English，2009，15(2):206-209.

［5］唐勝利，唐 皓，郭 輝.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的空洞型采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)研究［J］.西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，32(2):234-239.

［6］薛希龍，王新民，劉 奇，等.基于AHP－灰色聚類(lèi)模型的采空區(qū)危險(xiǎn)性分析研究［J］.湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011，26(2):5-10.

［7］王新民，謝盛青，張欽禮.基于模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)判的采空區(qū)穩(wěn)定性分析［J］.昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào):理工版，2010，35(1):9-13.

［8］王 暉，楊為民，王 兵.基于GIS技術(shù)的煤礦采空區(qū)地表塌陷危險(xiǎn)性評(píng)判［J］.煤炭工程，2008(9):119-123.

［9］李 忠，張德強(qiáng)，張進(jìn)德，等.基于信息融合的煤礦采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)模型研究［J］.礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā)，2008，28(6):16-18.

［10］李 軍，李 忠.老礦區(qū)地表巖層穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的數(shù)據(jù)融合方法［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2009，37(8):116-119.

［11］佴 磊，彭 文，袁明哲，等.基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解和加權(quán)最小二乘支持向量機(jī)的采空區(qū)地面塌陷預(yù)測(cè)［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào):地球科學(xué)版，2011，41(3):799-805.

［12］魏風(fēng)華.河北省唐山市地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃研究［D］.北京:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，2006:111-115.

［13］孫 娟，貢常青，郝文輝，等.河北唐山開(kāi)灤趙各莊煤礦采空區(qū)地質(zhì)災(zāi)害特征及防治措施［J］.中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2011，22(3):49-56.