山西煤礦潞安礦區(qū)地裂縫發(fā)育特征及形成機(jī)理分析

馬施民，王 洋，楊 雯，趙 斌，曹松華

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京 100083)

0 引言

地裂縫是一種由內(nèi)、外營力以及人類活動(dòng)等因素作用引致發(fā)生的一種地面破裂現(xiàn)象。目前，我國地裂縫主要集中在大華北區(qū)冀、晉、陜、蘇、魯、皖、豫7省，粵、桂、吉3省較發(fā)育，此外，遼、甘、寧、鄂、黔、滇也有零星出現(xiàn)，合計(jì)發(fā)生1003處，6000余條，單條最長36km［1］，我國地裂縫范圍之廣、數(shù)量之多、作用時(shí)間之長，實(shí)屬世界罕見。由煤炭地下開采引起的地裂縫是重力地裂縫的一種。我國煤炭開采量居世界第一，所以煤礦地裂縫也最多，其分布廣泛，危害嚴(yán)重。山西潞安礦區(qū)是國家煤炭規(guī)劃礦區(qū)，經(jīng)過50年以上的生產(chǎn)，給礦區(qū)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，但與此同時(shí)也引起了十分嚴(yán)重的地質(zhì)環(huán)境問題，特別是地下的采空區(qū)面積越來越大，開采沉陷引起的地表破壞越來越嚴(yán)重，地裂縫是其中最直觀的一種，也是危害性最大的一種［2］，給當(dāng)?shù)鼐用竦纳a(chǎn)和生活造成了很大的影響。

1 地裂縫形成的地質(zhì)環(huán)境背景

潞安礦區(qū)位于山西省東南部，沁水煤田的中段東翼(圖1)，上黨盆地之西，屬長治盆地，其北、西面為低山丘陵，東、中面多為河谷平原，地勢(shì)平緩，且大部分被較厚的第四系黃土覆蓋。礦區(qū)南北長117.7km，東西寬10.4～57.0km，面積3679km2。沁水盆地總體為一平緩開闊的復(fù)式向斜構(gòu)造形態(tài)，構(gòu)造簡單，以正斷層為主。沁水盆地東翼中段潞安礦區(qū)屬于華北斷塊區(qū)呂梁—太行斷塊沁水?dāng)噗甏我患?jí)構(gòu)造單元，武鄉(xiāng)—陽城褶皺帶和新生代疊加的長治斷陷，東翼北段盂縣至襄垣一帶，地層傾向北西，傾角15°。潞安礦區(qū)煤炭資源豐富，主要含煤地層為下二疊統(tǒng)山西組和上石炭統(tǒng)太原組，穩(wěn)定可采煤層為山西組的3#煤層和15#煤層，可開采煤層的主要煤種為瘦煤、貧煤，煤層上覆巖層主要為砂巖、頁巖以及灰?guī)r等，屬于中硬巖層，開采后容易冒落。目前潞安礦區(qū)核心煤礦采煤方法主要為走向長壁、后退式低位放頂煤一次采全高全部跨落綜合機(jī)械化采煤法。

圖1 潞安礦區(qū)范圍交通位置示意圖Fig.1 Lu'an mining area traffic and position map

2 地裂縫的發(fā)育特征

2.1 地裂縫的分布特征

潞安礦區(qū)大型煤礦由于采煤歷史久、面積廣、全部采用井下開采，因此由采煤活動(dòng)引起的地表拉伸變形生成的地裂縫非常普遍，是潞安礦區(qū)的一種主要地質(zhì)災(zāi)害。據(jù)調(diào)查，潞安礦區(qū)核心開采區(qū)發(fā)生地裂縫災(zāi)害230處，分布于五陽、常村、王莊、司馬等幾個(gè)大型煤礦采空區(qū)及其外圍地帶的第四系黃土地層中(圖2)，主要涉及屯留縣余吾鎮(zhèn)西坡村、長治縣蘇店鎮(zhèn)王董村、長治市郊區(qū)郝家莊鎮(zhèn)下秦村等地，其區(qū)域展布由東北方向向西南方向有逐漸減少的趨勢(shì)。這些區(qū)域由于采煤歷史久、采空區(qū)面積大、分布較集中等因素，使得這一地區(qū)的地裂縫普遍發(fā)育。這些地裂縫災(zāi)害毀壞了礦區(qū)及周邊的房屋、耕地和道路，例如，常村礦和漳村礦因采空塌陷分別致使208國道屯留段800m路段和襄垣縣閆村段順路均勻下沉，最大下沉量達(dá)2.5m，產(chǎn)生數(shù)條大裂縫，裂隙寬達(dá)20～30cm，縱向裂縫10余條。據(jù)統(tǒng)計(jì)，潞安礦區(qū)地裂縫災(zāi)害共損毀房屋8224間，破壞耕地11.68km2，造成地下水枯竭11處，造成的直接經(jīng)濟(jì)損失約3953.4萬元［3］。

圖2 潞安礦區(qū)地裂縫分布示意圖Fig.2 Lu'an mining area ground fissures distribution map

潞安礦區(qū)地裂縫一般與采空塌陷伴生，長度不等，其分布狀況大致可分為兩組［3］:一組為對(duì)應(yīng)于開采邊界的裂縫(圖3)，位于采空區(qū)周圍的拉伸區(qū)，規(guī)模較大，呈環(huán)狀，裂縫長度一般50～600m，最大可達(dá)1000m，寬度一般0.1～0.6m，最大寬度可達(dá)2m;另一組為開采動(dòng)態(tài)裂縫［4］(圖4)，裂縫位置在工作面推進(jìn)位置的前方，它是隨著工作面的向前推進(jìn)，出現(xiàn)在工作面前方的動(dòng)態(tài)拉伸區(qū)，裂縫寬度和落差較小，一般呈弧形分布，裂縫方向大致與開采工作面平行而垂直于工作面的推進(jìn)方向，長度大致與工作面的采寬相似。有的地裂縫形成后還會(huì)引起一定的崩塌，此類崩塌往往有一定的滯后性，在發(fā)生前大多數(shù)在陡峭硬質(zhì)巖體的后緣先出現(xiàn)一系列地裂縫，崩塌產(chǎn)生滯后于地裂縫少則幾個(gè)小時(shí)，多則數(shù)年。

圖3 王莊礦采空區(qū)邊緣地裂縫Fig.3 The goaf edge fissure group in Wang Zhuang

圖4 石圪節(jié)礦采動(dòng)地裂縫Fig.4 Dynamic ground fissures in Shi Gejie

2.2 地裂縫的類型特征

地裂縫的發(fā)育，在平面上或在剖面上，其形態(tài)總是和一定的圖形相聯(lián)系的:在平面形態(tài)上，單條地裂縫實(shí)際并不僅是一條簡單的直線，還有一些曲線，一般情況下，往往是若干條地裂縫組合在一起，縱橫交錯(cuò);在剖面形態(tài)上也是多種多樣的，一般來說，平直光滑的地裂縫面為數(shù)較少，而凹凸不平的地裂縫面卻比比皆是，大都近于90°，凹凸不平的地裂縫面的傾角則常常變化不定，甚至出現(xiàn)傾向相反的現(xiàn)象，裂縫一般表現(xiàn)為上寬下窄，多顯示出“V”形，也有的顯槽形或漏斗形，下面將按不同的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行分類。

2.2.1 平面幾何形態(tài)分類

(1)直線型:地裂縫平直，延伸方向穩(wěn)定，整條地裂縫沒有發(fā)生轉(zhuǎn)折;

(2)弧線型:地裂縫呈弧形彎曲，表現(xiàn)為一條弧形曲線;

(3)曲線型:地裂縫象鋸齒一樣彎曲轉(zhuǎn)折，但整條地裂縫朝一定方向延伸，一般在陡坎處發(fā)育，基本與陡坎延伸方向一致;

(4)分叉型:地裂縫發(fā)育一定長度后，然后朝兩個(gè)不同的方向延伸;

(5)平行型:幾條地裂縫大致相互平行，朝相同的方向延伸不長，相互間隔幾十厘米至數(shù)米不等;

(6)交錯(cuò)型:幾條地裂縫大小不一，相互交錯(cuò)縱橫，整體規(guī)模不大。

2.2.2 剖面形態(tài)分類

(1)拉伸型地裂縫。裂縫兩側(cè)的巖土體沒有發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)，或者說錯(cuò)動(dòng)非常小，出現(xiàn)這種裂縫一般是在裂縫的邊界線處或者塌陷區(qū)中央的壓縮區(qū)域。

(2)滑動(dòng)型地裂縫。裂縫兩側(cè)的巖土體發(fā)生了較大的錯(cuò)動(dòng)，潞安礦區(qū)裂縫兩側(cè)的下錯(cuò)高度大多數(shù)為0.2～0.4m，這些裂縫主要在工作面邊界區(qū)域，呈多條平行排列的裂縫群，調(diào)查區(qū)內(nèi)見到的地裂縫形狀大多見圖5。

圖5 潞安礦區(qū)地裂縫類型及組合特征示意圖Fig.5 Lu'an mining area ground fissure type and combined characteristic map

2.2.3 形成模式分類

(1)移動(dòng)盆地邊緣拉張裂縫帶。該裂縫帶位于采煤所形成的移動(dòng)盆地的外邊緣，其走向大致平行于煤礦采空區(qū)，規(guī)模較大，呈環(huán)狀，裂縫長度50～600m，最大可達(dá)1000m，寬度一般0.1～0.6m，最大寬度可達(dá)2m，主要分布于地形較為平坦的王莊礦、五陽礦、石圪節(jié)礦，形態(tài)特征以直線型為主。裂縫的力學(xué)性質(zhì)為張性，落差較小。

(2)地塹式裂縫群帶。主要分布于中低山、丘陵地區(qū)，地形高差較大，以第四系薄層覆蓋層為主的地區(qū)，比較典型的有司馬礦(圖6)。裂縫位于煤礦較大采空區(qū)上方及周邊，形成地塹式開采塌陷，裂縫形態(tài)以直線形、曲形、不規(guī)則形為主，落差較大，滑移明顯，裂縫帶規(guī)模較大，土地破壞嚴(yán)重。

圖6 司馬礦采空區(qū)邊緣地塹式裂縫群Fig.6 Goaf edge graben fissure group in Si Ma

(3)不規(guī)則裂縫帶。此類地裂縫在礦區(qū)內(nèi)比較普遍，主要分布于中小型煤礦采空區(qū)上方，一般情況下不出現(xiàn)開采塌陷，僅出現(xiàn)地裂縫，裂縫形態(tài)特征以直線、曲線、不規(guī)則為主，地裂縫規(guī)模一般較小，破壞較輕微。

3 地裂縫的形成機(jī)理及影響因素

礦區(qū)地裂縫的特征表明，礦區(qū)地裂縫均屬采空塌陷的派生裂縫，地下煤炭開采是地裂縫形成的主要原因，地質(zhì)構(gòu)造及地下水疏干對(duì)地裂縫形成亦產(chǎn)生一定的影響。從地下開采到地表沉陷是覆巖中應(yīng)力場、位移場復(fù)雜變化的過程，在這個(gè)過程中，開采空間是導(dǎo)因，覆巖破壞是過程，地表沉陷則為最終結(jié)果，而地表裂縫則是地表沉陷破壞的一種主要形式。潞安礦區(qū)開采方法對(duì)主采煤層采用綜放開采，垮落法管理頂板。地下煤層采出后，采空區(qū)直接頂板巖層在自重力及其上覆巖層的作用下，產(chǎn)生向下的移動(dòng)和彎曲，當(dāng)其內(nèi)部拉應(yīng)力超過巖層的抗拉強(qiáng)度極限時(shí)，直接頂板首先斷裂、破碎、相繼冒落，而老頂巖層則以梁或懸臂梁彎曲的形式沿層理面法線方向移動(dòng)、彎曲，進(jìn)而產(chǎn)生斷裂、離層。隨著工作面的向前推進(jìn)，受采動(dòng)影響的巖層范圍不斷擴(kuò)大，開采影響逐漸波及到地表，地表開始下沉，但下沉的速度和幅度不同，從而形成地面塌陷及其伴生的地裂縫。

潞安礦區(qū)煤炭開采初次采動(dòng)時(shí)在推進(jìn)方向的前方產(chǎn)生裂縫，裂縫在下山方向最為發(fā)育，其次是停采邊界。上山方向采深大于200m時(shí)沒有明顯的裂縫產(chǎn)生，采深稍淺時(shí)有輕微裂縫產(chǎn)生。裂縫方向大致平行于開采邊界。據(jù)統(tǒng)計(jì)，產(chǎn)生裂縫的拉伸變形臨界值在田地約為3～4mm/m，在濕軟的河床和有植被的地方稍大些，裂縫寬度約50mm，深度約5m。重復(fù)采動(dòng)時(shí)，走向和上、下山邊界均有嚴(yán)重裂縫，走向的裂縫一般有100mm的臺(tái)階，而上、下山邊界則形成了地塹型陷落條帶。下山比上山邊界要嚴(yán)重得多，上山邊界僅一級(jí)塌陷槽，下山的地塹則出現(xiàn)了兩級(jí)甚至三級(jí)塌陷槽，塌陷槽臺(tái)階尺寸由中部向兩邊逐漸減小，大臺(tái)階落差達(dá)600mm，小臺(tái)階有100mm。

決定采礦活動(dòng)產(chǎn)生地裂縫特征的有兩大因素:第一是自然因素，主要是地形地貌、表土層特性、互層特征、覆蓋層巖性的軟硬度等;第二是人為因素，主要包括煤層條件、開采條件、覆巖性質(zhì)等，潞安礦區(qū)的地裂縫完全是由于采煤引起的，根據(jù)研究分析認(rèn)為:煤層條件、覆巖性質(zhì)、開采條件及開采方法是決定潞安礦區(qū)采煤地裂縫分布特征的主要因素。

4 地裂縫的防治措施

潞安礦區(qū)所屬煤礦除石圪節(jié)煤礦資源儲(chǔ)量已接近采完，漳村煤礦服務(wù)年限還剩6年外，其它煤礦服務(wù)年限還較長。因此，隨著這些煤礦長期大規(guī)模的煤炭開采，形成大面積的采空區(qū)，導(dǎo)致采空塌陷伴生的地裂縫的數(shù)量和規(guī)模有進(jìn)一步增加的趨勢(shì)，所以為了有效防止地裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)大，避免因地裂縫造成更大的經(jīng)濟(jì)損失，提出如下防治措施:

(1)采取符合礦井實(shí)際情況的開采工藝和采礦技術(shù)措施。潞安礦區(qū)是山西省所屬的國家級(jí)煤炭規(guī)劃礦區(qū)，煤炭資源的高強(qiáng)度開發(fā)造成的塌陷裂縫較其他礦區(qū)更為嚴(yán)重。因此，在煤炭開采上尤要注意采用合理、科學(xué)的采礦工藝，減少塌陷裂縫的產(chǎn)生［5］。在開采方式上，局部區(qū)域可采用條帶式開采，頂板管理方法采用減緩下沉法或充填法。在開采過程中，應(yīng)該采取多種措施來消除開采邊界的影響，盡量協(xié)調(diào)開采，使各個(gè)工作面錯(cuò)開一定距離，相互抵消或部分抵消由地面拉伸和壓縮引起的變形，從而減少地面的變形量。在建筑物下采煤，一方面要在井下采取合理的采掘工藝，例如全柱開采、擇優(yōu)開采、連續(xù)開采等，盡量減少建筑物所在地表的移動(dòng)和變形;另一方面，要對(duì)建筑物采取結(jié)構(gòu)保護(hù)措施，以增加建筑物承受地表變形的能力，確保其安全。

(2)充填塌陷裂縫，防治水土流失。開采沉陷引起的地表裂縫有的非常細(xì)小，有的寬度可達(dá)0.1～0.6m;在厚層黃土區(qū)，裂縫深度可達(dá)數(shù)十米，上口寬度可達(dá)2m，這樣的裂縫在外界自然力量的作用下，使得土壤被加速侵蝕，造成土壤、母質(zhì)和水的損失，降低了土壤的肥力，影響農(nóng)作物的產(chǎn)量，因而充填塌陷裂縫，防止水土沿塌陷裂縫流失是塌陷裂縫綜合治理的根本。在充填塌陷裂縫時(shí)，一般在采動(dòng)影響基本穩(wěn)定之后進(jìn)行，在耕地內(nèi)充填裂縫時(shí)，應(yīng)先將裂縫附近0.5m的熟土鏟開推在一側(cè)，然后用生土進(jìn)行充填并搗實(shí)，再用原有的熟土覆蓋，對(duì)于溝谷部位的裂縫，最好用粘土充填。

(3)重視地裂縫觀測(cè)資料的積累并采取防范措施。布設(shè)地下井巷采區(qū)圍巖變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)和各采空區(qū)選擇典型地裂縫布設(shè)長期觀測(cè)點(diǎn)［6］。長期觀測(cè)資料的積累，可以為地裂縫減災(zāi)防災(zāi)對(duì)策的制定，提高趨勢(shì)預(yù)測(cè)水平提供充分的依據(jù)。

［1］王景明.地裂縫及其災(zāi)害的理論與應(yīng)用［M］.西 安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社，2000:6.WANG Jingming.Theory of ground fissures hazards and its application［M］.Xi'an:Shanxi Science and Technology Press，2000:6.

［2］閆文中.西安地裂縫與地面沉降災(zāi)害經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估［J］.上海地質(zhì)，2010，31(1):32-37.YAN Wenzhong.Evaluation on disaster economic losses of Xi'an ground［J］.Shanghai Geology，2010，31(1):32-37.

［3］蔣仁勇.山西潞安國家級(jí)規(guī)劃礦區(qū)煤炭開采地質(zhì)災(zāi)害及其成因研究［D］.2012，6:30-31.JIANG Renyong.The research of geologic hazard caused by Lu'an national coal mining activities，Shan'xi province［D］.2012，6:30-31.

［4］王晉麗，呂義清，劉鴻福，等.西曲礦采煤地裂縫分布特征及成因探討［J］.山西煤炭，2005，25(3):11-12.WANG Jinli，LV Yiqing，LIU Hongfu，et al.Distribution characteristics and genesis of geofracture in Xiqu district［J］.Shanxi Coal，2005，25(3):11-12.

［5］張玉寶，劉軍波.河北唐山市巍山長山地裂縫及其預(yù)防［J］.中 國 地 質(zhì) 災(zāi) 害 與 防 治 學(xué) 報(bào)，2013，24(1):84-85.ZHANG Yubao，LIU Junbo.Feature and prevention of Weishan ground fracture in Tangshan city［J］.The Chinese Journal of Geological Hazard and Control，2013，24(1):84-85.

［6］瞿偉，張勤，王慶良，等.晉中盆地構(gòu)造變形與地裂縫活動(dòng)GPS監(jiān)測(cè)分析［J］.上海國土資源，2012，33(3):16-20.QU Wei，ZHANG Qin，WANG Qingliang et al.GPS monitoring analysis of crustal tectonic deformation and ground fissures in the Jinzhong basin［J］.Shanghai Land＆ Resources，2012，33(3):16-20.