平頂山市主要地質(zhì)災(zāi)害及其發(fā)育特征

■陳光宇

（河南省地質(zhì)調(diào)查院 河南鄭州 450001）

平頂山市主要地質(zhì)災(zāi)害及其發(fā)育特征

■陳光宇

（河南省地質(zhì)調(diào)查院 河南鄭州 450001）

平頂山市地質(zhì)條件復雜，煤炭開采等各種人類工程經(jīng)濟活動強烈，地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)，主要地質(zhì)災(zāi)害有地面塌陷、地裂縫等。地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造及人類工程活動等因素控制著區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育類型，與氣象、水文、風化、植被等因素偶合，共同制約著地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度。采礦活動形成較大規(guī)模的采空區(qū)，是引發(fā)地面塌陷、地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害的主要因素。

地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特征致災(zāi)因子

0 引言

平頂山市位于河南省中部，中原城市群九城之一，是一座因煤而立、因煤而興、以煤炭生產(chǎn)為主導產(chǎn)業(yè)的新興工業(yè)城市，城市性質(zhì)為“以能源、化工為主的工業(yè)基地，豫中地區(qū)中心城市”。

平頂山煤礦區(qū)面積767 km2，總保有儲量75億t，煤質(zhì)優(yōu)良，煤種齊全。

現(xiàn)有21對生產(chǎn)礦井，年生產(chǎn)能力2341.1萬t。

截止2013年，剩余保有儲量26.59億t，其中生產(chǎn)礦占用18.88億t，在建礦占用3.69億t，待建礦占用4.02億t。

1 自然地理條件

1.1 氣象水文

平頂山地處北亞熱帶向暖溫帶的過渡地帶，季風性氣侯特征明顯，四季分明。

據(jù)平頂山氣象站資料，多年平均氣溫14.9℃，極端最高氣溫43.7℃（1976年6月11日），極端最低氣溫-19.1℃（1969年1月31日）；多年平均降水量801mm，最大年降水量1288.5 mm（1964年），年最小降水量408.2 mm（1966年）；歷年來24h最大降水量461.5 mm（1971年6月28日），時最大降水量106.7mm（1988年8月10日）；年平均蒸發(fā)量1488.6mm。

研究區(qū)屬淮河流域沙穎河水系，主要河流有沙河、湛河；水庫主要為白龜山水庫。

沙河：年平均流量16.82m3/s,最大流量3300m3/s。湛河：年平均流量8.8 m3/s，最大流量460m3/s。

白龜山水庫：座落在沙河之上，為一大型水庫，控制流域面積2730km2，庫容6.49億m3，歷年最大泄水流量3660 m3/s。

1.2 地貌

平頂山地處伏牛山脈與黃淮平原的過渡地帶，地勢西北高東南低，北高南低，北部最高山峰落鳧山海拔493.7m，東部平原最低海拔75.7m。

市區(qū)南北為山地，形成兩山夾一谷，由西北向東南傾斜，并向東南逐漸撒開的箕狀地形。

1.3 地層

區(qū)內(nèi)缺失下元古界、古生界奧陶系、志留系、泥盆系、石炭系下統(tǒng)及中生界侏羅系、白堊系，其余地層均有出露或揭露。

前第四系主要巖性為混合巖、混合片麻巖夾石英巖、砂頁巖、礫巖、白云巖、灰?guī)r、砂巖及煤層、頁巖夾煤層、砂質(zhì)泥巖、泥巖、粘土巖。

第四系分布廣泛，成因類型復雜，主要是沖積、沖洪積粘土、粉質(zhì)粘土、粉土及砂礫石層。

2 主要地質(zhì)災(zāi)害類型

研究區(qū)內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害主要為地面塌陷，次為地裂縫。據(jù)調(diào)查已發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害25處，其中地裂縫4處、地面塌陷21處。

3 地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育規(guī)律

3.1 地面塌陷

3.1.1 時空分布規(guī)律

對比1986年、1994年和2009年三次調(diào)查的采煤塌陷面積可知，采煤塌陷是隨時間而變化的。從1957年第一對生產(chǎn)井建成投產(chǎn)，至1986年調(diào)查采煤塌陷的29年間塌陷面積20.0km2，平均每年新增塌陷面積0.69km2。從1986調(diào)查，至1994年調(diào)查的8年間，塌陷面積達到81.63km2，比1986年增加61.63km2，平均每年增加塌陷面積7.70km2。從1994年調(diào)查，至2009年調(diào)查的15年間，塌陷面積達到149.55km2，比1994年增加67.92km2，平均每年增加4.53km2。隨著煤炭資源的不斷被采出，采煤塌陷面積還會逐漸擴大。

3.1.2 機理分析

區(qū)內(nèi)采煤活動較為集中，煤礦開采過程中常會形成大面積采空，而且機械掘進可改變巖體原有力學平衡，降低巖體抗壓、抗剪強度，加之巷道支護不當，并在降雨、風化、重力等因素累進破壞作用下，導致冒頂性地面塌陷。

地下采礦時，特別是采煤，回采過程中巷道及采空區(qū)的圍巖支護是臨時性的，不能制止上覆巖體的變形發(fā)展，使得松動帶的半徑和塌陷拱的高度變大，并在采空區(qū)上覆巖體中形成明顯的三帶即：冒落帶、裂隙帶和彎曲帶。它們都屬于地下采掘所引起的上部覆巖的松動范圍，稱它為采動區(qū)。

當?shù)叵碌V層被采出以后，采空區(qū)在自重及其上覆巖層的壓力下，產(chǎn)生向下彎曲和移動，當頂板巖層的拉張應(yīng)力超過該層巖層的抗拉強度時，直接頂板首先發(fā)生斷裂和破碎并相繼冒落，接著上覆巖層相繼向下彎曲、移動，進而發(fā)生斷裂和斷層，隨著采礦工作面向前掘進，采動影響的巖層范圍不斷擴大。

當?shù)V層開采的范圍進一步擴大到某種程度時，在地表就會形成一個比采空區(qū)大的多塌陷區(qū)，從而危及地表建筑物和農(nóng)田。

3.2 地裂縫

3.2.1 分布現(xiàn)狀

現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)地裂縫災(zāi)害點4處。境內(nèi)地裂縫災(zāi)害中，石龍區(qū)青草嶺地裂縫為巨型，北山油庫和落鳧山電視塔地裂縫為中型，金牛山風景區(qū)地裂縫為小型。地裂縫集中分布于塌陷區(qū)邊緣，為采空塌陷之伴生地裂縫。

西部青草嶺地裂縫，其主裂縫南起石龍區(qū)張莊村西南部的山坡上部，北到大口子，走向325°~345°，縱貫整個青草嶺?，F(xiàn)場勘測數(shù)據(jù)顯示，該裂縫已經(jīng)形成寬度85m-170m的裂縫帶，長度約4500m，裂縫帶面積為0.35km2，據(jù)調(diào)查裂縫帶在緩慢加寬。

座落在市區(qū)北部落鳧山山頂?shù)氖须娨曓D(zhuǎn)播臺，于1985年年初發(fā)現(xiàn)房屋墻壁產(chǎn)生裂縫，到1985年9月一場大雨之后，距電視轉(zhuǎn)播臺北約50m的地方發(fā)現(xiàn)一條長約500m，寬10～20cm，深度不詳?shù)牡亓芽p，其走向為310°。而后，辦公樓墻體裂縫加劇，地下室墻壁及山體南側(cè)陡坡處也發(fā)生了多處裂縫（圖1）。據(jù)1994年調(diào)查，地裂縫并不局限于落鳧山電視轉(zhuǎn)播臺一帶，落鳧山南坡及坡角處的林場一帶，大范圍內(nèi)均有地裂縫。

圖1 落鳧山地質(zhì)剖面及地裂縫示意圖

3.2.2 時空分布規(guī)律

經(jīng)調(diào)查大多地裂縫與礦區(qū)采空區(qū)相伴而生，分布在塌陷區(qū)邊緣，其規(guī)模與采空區(qū)大小、上覆巖體厚度及塌陷發(fā)育期有關(guān)。采空區(qū)大，上覆巖體厚度小，地裂縫的規(guī)模就大。地裂縫一般出現(xiàn)在地表移動變形初期和快速移動變形塌陷期，地表移動變形初期地裂縫一般不連續(xù)，長度小，寬度小，方向性不強?？焖僖苿幼冃嗡萜诘亓芽p一般規(guī)模大，延伸長，方向性明顯，寬度大，仔細觀察，還可辯認出下降盤和下降值。如1994年發(fā)生在建設(shè)路西段師專一帶的塌陷，屬快速塌陷，將建設(shè)路兩側(cè)樹木及房屋下沉1m多，有一條幾十米長的地裂縫將建設(shè)路裂開，北側(cè)下沉速度明顯大于南側(cè)。地表移動變形衰退期因塌陷日趨穩(wěn)定，無新地裂縫發(fā)生，原先的地裂縫也逐漸閉合穩(wěn)定。由于平頂山煤田是分層開采，地裂縫一般具有時開時合的特征。

落鳧山地裂縫是四礦放頂所致。電視轉(zhuǎn)播臺座落于堅硬的厚達100m的二疊系（P1-2sp）砂巖之上，下伏地層為軟硬相間的二疊系石盒子組（P1-2s）含煤巖系。由于上部二疊系砂巖較堅硬，風化裂隙和構(gòu)造裂隙發(fā)育，下部含煤巖系遭受采煤破環(huán)后，尤其是采空區(qū)放頂，上伏巖石失去支撐，在自重應(yīng)力作用下下沉，引起山體開裂，降雨加速了上覆巖石下沉及山體開裂。

4 致災(zāi)因素分析

地面塌陷、地裂縫是受地質(zhì)構(gòu)造、采礦條件、開采規(guī)模、上覆巖土體的組合關(guān)系、巖土（體）力學性質(zhì)以及氣象、水文等多種因素綜合作用的結(jié)果，大致可分為自然因素和人為因素。

4.1 自然因素

4.1.1 礦產(chǎn)埋藏條件

礦產(chǎn)埋深愈大（即開采深度愈大），變形擴展到地表所需的時間愈長，地表變形值愈小，變形比較平緩均勻,但地表移動盆地的范圍加大。

礦層厚度愈大，開采空間愈大，會使地表變形值增大。礦層傾角大時，使水平移動值增大，地表出現(xiàn)地裂縫的可能性增大，塌陷區(qū)和采空區(qū)投影面積越不一致。松散覆蓋層的厚度及性質(zhì)。松散覆蓋層越厚，豎向變形值越小，但變形范圍加大。區(qū)內(nèi)松散覆蓋層主要為粘性土，地表常出現(xiàn)地裂縫。

4.1.2 地質(zhì)構(gòu)造因素

礦層傾角平緩時，盆地位于采空區(qū)正上方，形狀基本上對稱于采空區(qū)；礦層傾角較大時，塌陷區(qū)在沿礦層走向方向仍對稱于采空區(qū)，而沿傾角方向，隨著傾角的增大，塌陷區(qū)中心愈向傾斜的方向偏移。

巖層節(jié)理裂隙發(fā)育，會促使變形加快，增大變形范圍。

斷層會破壞地表移動的正常規(guī)律，斷層帶上的地表變形相對劇烈。

4.1.3 巖性因素

如覆巖中均為極軟弱巖層或第四紀土層，頂板即使是小面積暴露，也會在局部地方沿直線向上發(fā)生冒落，并可直達地表，這時地表出現(xiàn)漏斗型塌陷坑。如紅砂嶺塌陷

厚度大的、塑性大的軟弱巖層或土體，覆蓋于較硬巖層上時，后者產(chǎn)生破壞，會被前者緩沖或掩蓋，使地表變形平緩。反之，上覆軟弱層較薄，則地表變形會快，并出現(xiàn)裂縫。焦作采煤區(qū)塌陷大多屬于該類情況。

另外，除以上因素，降雨、水文、植被等因素對地面塌陷也有一定的影響，尤其是降雨沿巖（土）體裂隙帶下滲或運移，可加速上覆巖土體的下陷，甚至成為誘發(fā)因素。

4.2 人為因素

4.2.1 采礦方法和頂板管理方法

采礦方法和頂板管理方法是影響圍巖應(yīng)力變化，巖層移動，覆巖破壞的主要因素。目前在煤礦應(yīng)用較為普遍的方法有長壁垮落法、長壁充填法和煤柱支撐法等。

垮落法是目前采用的最普遍，使覆巖破壞最嚴重的一種頂板管理方法。開采時頂板巖層一般都要發(fā)生冒落和開裂性破壞。當深厚比較大時，能促使上覆巖層迅速而平穩(wěn)地移動，地表下沉量達到最大。

用充填法采煤，對覆巖的破壞較小，一般只引起開裂性破壞而無冒落性破壞，能夠減小地表移動量，并使地表移動和變形更為均勻。

煤柱支撐法管理頂板，可分兩種情況：一種是保留的煤柱面積較大（如條帶法、房柱法等），煤柱能夠支撐住覆巖的全部重量，使其不發(fā)生破壞；另一種是保留的煤柱面積較?。ㄈ绲吨ǎ?，當采空區(qū)擴大到一定范圍后，刀柱被壓垮，覆巖發(fā)生冒落和開裂性破壞。

4.2.2 采空寬度的影響

地表變形的范圍與采空寬度有密切的關(guān)系。在煤層埋深不變的情況下，開采寬度越大，形成的地表影響越大。

5 結(jié)語

（1）區(qū)境內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害主要為地面塌陷，次為地裂縫。

（2）1957年至1986年塌陷面積20.0km2，平均每年塌陷面積0.69km2；1986年至1994年塌陷面積達到81.63km2，平均每年增加塌陷面積7.70km2；1994年至2009年塌陷面積達到149.55km2，平均每年增加4.53km2，采煤塌陷面積逐漸擴大。

（3）地裂縫與礦區(qū)采空區(qū)相伴而生，大多分布在塌陷區(qū)邊緣。

（4）區(qū)內(nèi)采空地面塌陷、地裂縫，主要受區(qū)內(nèi)礦體分布形態(tài)、地層（尤其頂、底板）巖性，地質(zhì)構(gòu)造、開采方式、降雨及人類工程活動等因素制約。其中，降雨及地下采掘是重要的誘發(fā)因素，區(qū)內(nèi)采礦活動較為強烈集中，在各種因素耦合作用下，引發(fā)地面塌陷、地裂縫。

[1]河南省地質(zhì)調(diào)查院 《河南省主要城市環(huán)境地質(zhì)調(diào)查評價》，2009.

[2]煤炭工業(yè)部鄭州設(shè)計研究院 《河南省平頂山礦區(qū)采煤沉陷情況報告》，2004年.

[3]河南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站 《河南省礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查與評估報告》，2003.

[4]平頂山市區(qū)人民政府 《平頂山市區(qū)礦產(chǎn)資源規(guī)劃》，2003.

[5]河南省地礦建設(shè)工程有限公司 《河南省平頂山礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境調(diào)查與評價報告》，2002.

[6]河南省國土資源廳 《河南省地質(zhì)災(zāi)害防治規(guī)劃 （2001-2010）》，2001.

P694[文獻碼]B

1000-405X（2015）-10-344-2