河南吳桂橋煤礦地質(zhì)災(zāi)害形成機(jī)制分析

■田飛 任佩佩 李揚(yáng) 李嘯馳

（河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第五地質(zhì)勘查院 河南鄭州450000）

河南吳桂橋煤礦地質(zhì)災(zāi)害形成機(jī)制分析

■田飛 任佩佩 李揚(yáng) 李嘯馳

（河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第五地質(zhì)勘查院 河南鄭州450000）

吳桂橋煤礦是駐馬店市唯一一家在產(chǎn)煤礦，位于驛城區(qū)古城鄉(xiāng)境內(nèi)，為大型全掩蓋式井田。經(jīng)過長期開采，出現(xiàn)了地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害。煤礦東部地層走向近東西向，西部轉(zhuǎn)為北西向。傾向北東。含煤地層為石炭系、二疊系，與上覆新近系為角度不整合接觸，與下伏奧陶系中統(tǒng)為平行不整合接觸。區(qū)內(nèi)構(gòu)造以北西向斷裂為主，次級(jí)斷裂有近東西向隱伏斷裂。礦區(qū)地面沉降主要由礦山采空區(qū)、大氣降水、人類活動(dòng)影響三部分構(gòu)成。

煤礦塌陷形成機(jī)制吳桂橋

1　引言

2012年以來，河南吳桂橋煤礦所在地古城鄉(xiāng)小馬園、代莊等多個(gè)村莊發(fā)現(xiàn)房屋開裂，地表公路，水泥地坪等出現(xiàn)裂縫，部分房屋受裂縫影響成為危房，嚴(yán)重威脅著當(dāng)?shù)鼐用竦纳?cái)產(chǎn)安全。為保護(hù)人民財(cái)產(chǎn)，當(dāng)?shù)卣叨戎匾暣耸录?，委托地質(zhì)部門對(duì)煤礦地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行調(diào)查，查明煤礦開采基本現(xiàn)狀及其開發(fā)對(duì)地質(zhì)環(huán)境的影響，查明地面塌陷及劃定地面塌陷危險(xiǎn)區(qū)域，并提出防治建議。

2　地質(zhì)環(huán)境背景

塌陷區(qū)屬丘陵地貌，地勢(shì)較為平緩，為波狀起伏的丘陵崗地地帶，地勢(shì)呈西南高東北低。海拔高程+160～+250m，相對(duì)高差約90m，山坡坡度較緩，一般15～25°。

2.1地層巖性

煤礦東部地層走向近東西向，西部轉(zhuǎn)為北西向。傾向北東，傾角10～25°，一般15°左右。含煤地層為石炭系、二疊系，與上覆新近系為角度不整合接觸，與下伏奧陶系中統(tǒng)為平行不整合接觸。奧陶系中統(tǒng)為煤系基盤，厚約230m，巖性為深灰色致密厚層灰?guī)r夾淺灰色白云質(zhì)灰?guī)r。

2.2構(gòu)造

調(diào)查區(qū)構(gòu)造以北西向斷裂為主，次級(jí)斷裂有近東西向隱伏斷裂。褶皺：總體為一向北東傾斜的單一構(gòu)造形態(tài)，地層傾角30°～40°，一般30°左右。據(jù)地震成果煤系地層呈單斜狀態(tài)，無明顯褶皺，整體看構(gòu)造簡單。斷裂：形成時(shí)期主要為燕山期和喜山期。以喜山期北北東和北東東向斷層為主，北西和近東西向次之。調(diào)查區(qū)受燕山期北西向駐馬店——正陽斷裂控制，是劃分調(diào)查區(qū)的邊界斷裂，構(gòu)造以斷裂為主，褶皺不太發(fā)育。

2.3水文地質(zhì)條件

工作區(qū)含水層分為淺層含水層及中深層含水層，淺層含水層主要是第四系孔隙水、砂礫石孔隙承壓水，中深層含水層為新近系孔隙-裂隙水、二2煤層頂板砂巖裂隙水、石炭系上統(tǒng)C2t灰?guī)r巖溶裂隙承壓水、奧陶系中統(tǒng)O2m石灰?guī)r巖溶裂隙水。

2.4工程地質(zhì)條件

根據(jù)巖石成因、工程地質(zhì)特征、巖石物理力學(xué)性質(zhì)，將本區(qū)巖（土）體分為三個(gè)巖組，分別是松散巖類多層土體、碎屑巖較堅(jiān)硬巖組、厚層狀堅(jiān)硬巖組。

3　地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生背景

地面塌陷的成因是多方面的，不同地區(qū)地面塌陷的規(guī)模和變形的特點(diǎn)也不同。由于工作區(qū)內(nèi)吳桂橋煤礦的開采，區(qū)內(nèi)形成地下采空區(qū)。依據(jù)資料綜合分析，該區(qū)沉降主要由礦山采空區(qū)、大氣降水、人類活動(dòng)影響三部分構(gòu)成。

4　形成機(jī)制原因分析

4.1地面塌陷的形成原因分析

煤礦采空區(qū)是工作區(qū)形成地面塌陷主要原因。地下煤層采出后，采空區(qū)上方的巖土層在重力作用下發(fā)生垮落、破裂、離層和彎曲。一般來說，在采空區(qū)覆巖移動(dòng)變形穩(wěn)定后，按巖層的破壞程度，從采空區(qū)向地表可依次劃分為3個(gè)不同的開采影響帶，即冒落帶、裂隙帶和彎曲帶，簡稱為“三帶”。若采空區(qū)至地表巖層均處于冒落帶范圍內(nèi)，則地表出現(xiàn)塌陷坑；若裂隙帶發(fā)育至地表，則地表以出現(xiàn)地裂縫為主；彎曲帶上方地表往往形成下沉盆地。而工作區(qū)內(nèi)采空區(qū)深厚比遠(yuǎn)大于30，所以目前工作區(qū)內(nèi)采空區(qū)影響帶只有冒落帶。又因?yàn)椴煽諈^(qū)開采埋深大，松散層厚度較大，因而導(dǎo)致地表變形緩慢，地面塌陷時(shí)間較長。所以在目前為止，并未在工作區(qū)內(nèi)出現(xiàn)塌陷坑，只是在大余莊、小余莊附近出現(xiàn)地面塌陷，據(jù)地面變形觀測顯示，該區(qū)域內(nèi)的地面塌陷仍在持續(xù)。另一方面在此基礎(chǔ)上加之近年氣象條件極不穩(wěn)定，極端天氣增多。降水入滲水可以使洞頂覆巖的含水層增大，自重加大，提高了對(duì)洞頂?shù)拇瓜驂毫?；其次，下滲水流會(huì)濕潤裂隙面，降低巖石塊體間的抗滑阻力，從而引起洞頂和洞壁的進(jìn)一步變形失穩(wěn)。另外，降雨強(qiáng)度大、歷時(shí)時(shí)間較長時(shí)，入滲的水流可以以灌入的方式快速進(jìn)入圍巖的寬大裂隙，形成較大的動(dòng)水壓力和沖刷作用，使原本由于礦山采空形成的不穩(wěn)定的洞室瞬間垮塌，造成地面塌陷?；谏鲜鲈虻耐瑫r(shí)，人為的工程活動(dòng)也可能起到了相應(yīng)的誘發(fā)作用。礦山開采爆破作業(yè)可使洞頂覆巖以及洞壁的裂隙進(jìn)一步擴(kuò)大，引起巖層破裂、位移加劇，進(jìn)而誘發(fā)地面塌陷發(fā)生。 由上述的采空區(qū)、氣象、人類工程活動(dòng)等綜合條件因素在長期歷史作用演變下，周而復(fù)始的破壞積累，最終導(dǎo)致該處地面塌陷的發(fā)生。綜上所述，地面塌陷，基本認(rèn)為是以礦山采空為主，大氣降水和人類工程活動(dòng)次之而導(dǎo)致的地面塌陷災(zāi)害發(fā)生。

4.2地裂縫的形成原因分析

吳桂橋煤田東西長7 km、南北寬3 km，根據(jù)規(guī)程計(jì)算出采空區(qū)影響地表變形邊界為170～410m。由于地下采空造成采空區(qū)頂板冒落直接引發(fā)地面塌陷可以伴生形成地裂縫，而大余莊村位于采空區(qū)影響范圍內(nèi)，所以可以斷定，地裂縫為采礦塌陷伴生。從氣象局搜集了當(dāng)?shù)?997年～2012年氣象資料顯示，2011年和2012年工作區(qū)內(nèi)蒸發(fā)量均大于同年的降雨量，區(qū)域內(nèi)地表土體中含水量降低，土體發(fā)生收縮變形，導(dǎo)致地表土體形成裂縫。從發(fā)育時(shí)間上看，其中1～7、9號(hào)地裂縫發(fā)生在2013年的7月份，10～14號(hào)地裂縫發(fā)生在2012年7月份，均發(fā)生在降雨量遠(yuǎn)低于蒸發(fā)量的干旱季節(jié)，氣溫較高，地下水位下降明顯，無降雨及地表徑流補(bǔ)充，土體含水率大幅度下降，土體收縮現(xiàn)象嚴(yán)重。依據(jù)取樣試驗(yàn)結(jié)果，雖然地裂縫分布區(qū)內(nèi)的膨脹土基本位于地下水位變動(dòng)帶以下，但地表巖土體仍具有一定的膨脹性，其膨脹率為17～35%，當(dāng)土體含水量發(fā)生較大變化時(shí)，仍會(huì)發(fā)生濕脹干縮情況。從發(fā)育特征上看，1、2、4、6、7、8、12號(hào)等7條地裂縫位于小馬園、代莊、大馬園等村莊附近的道路上，地形特點(diǎn)為道路旁邊均有沖溝或灌溉渠道，溝道深約1.5～3m，寬2～5m，7條裂縫發(fā)育方向與道路方向一致，與溝道平行分布，在道路兩側(cè)發(fā)育，且存在長度較短，不延續(xù)特征，推測為受溝道干濕變化，土體脹縮形成的地裂縫。3、5號(hào)裂縫位于小馬園村內(nèi)，近東西走向，寬0.1～2.5cm，長3～9m，規(guī)模較小，推測為道路雜填土受氣候、車輛碾壓等因素形成的土體裂縫。9、10、11號(hào)裂縫位于農(nóng)田內(nèi)，發(fā)育時(shí)間均為6、7月，裂縫均呈鋸齒狀，寬度0.8～1.4cm，裂縫上寬下窄，深度小于20cm，推測為天氣干旱土體收縮形成的脹縮裂縫。

5　結(jié)論

區(qū)內(nèi)地面塌陷，是以礦山采空為主，大氣降水和人類工程活動(dòng)次之而導(dǎo)致的地面塌陷災(zāi)害發(fā)生；地裂縫的形成是因地表土體中含水量降低，土體發(fā)生收縮變形，導(dǎo)致地表土體形成裂縫。建議煤礦繼續(xù)對(duì)礦區(qū)進(jìn)行地面塌陷監(jiān)測，可采用水準(zhǔn)測量和平面測量兩種方法來監(jiān)測地表的沉降變化情況，對(duì)地面變形進(jìn)行監(jiān)測預(yù)報(bào)，監(jiān)測結(jié)果應(yīng)及時(shí)上報(bào)相關(guān)部門，避免更大災(zāi)害的發(fā)生。

[1]羅銘玖，黎世美，盧欣祥，等.河南省主要礦產(chǎn)的成礦作用及礦床成礦系列 [M].北京：出版社，2000.

[2]劉傳正，等.地質(zhì)災(zāi)害勘查指南 [M].北京：地質(zhì)出版社，2002.

[3] 河南省駐馬店市吳桂橋煤礦地質(zhì)環(huán)境應(yīng)急調(diào)查報(bào)告[R] .河南省地質(zhì)工程勘察院，2013.9

F407.1[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-2-343-1