大雁礦區(qū)地面塌陷監(jiān)測方式及塌陷發(fā)育規(guī)律研究

鄧燕　苑宏超　邢永勝　劉慧芬

摘要：內(nèi)蒙古大雁礦區(qū)由于采礦活動，形成了采空區(qū)，采空區(qū)上方產(chǎn)生了地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害，本文通過對大雁礦區(qū)地形地貌、地層巖性及開采方式進(jìn)行分析，總結(jié)了大雁礦區(qū)塌陷形成的機(jī)理，為后期礦區(qū)環(huán)境治理提供參考。

內(nèi)蒙古自治區(qū)地域遼闊，礦產(chǎn)資源豐富，是我國重要的能源和原材料基地，素有“東林西鐵，遍地是煤”之美譽(yù)，區(qū)內(nèi)煤炭能源基地眾多、儲量大。各種不同的采礦方式產(chǎn)生的地面塌陷無論從形成機(jī)理，還是表現(xiàn)特征上都有很大差異，對不同地區(qū)和不同的開采方式形成的地面塌陷，以及歷史遺留的地面塌陷和新形成的地面塌陷發(fā)育規(guī)律研究，需要因地制宜。大雁礦區(qū)自二十世紀(jì)八十年代以來，隨著礦業(yè)開發(fā)強(qiáng)度的逐年加大，引發(fā)的地面塌陷（沉陷）地質(zhì)災(zāi)害無論從規(guī)模上還是分布范圍上都在逐年增加。對大雁礦區(qū)礦山地面塌陷進(jìn)行全面系統(tǒng)的調(diào)查研究，采用合理的監(jiān)測方法，為找出塌陷發(fā)育規(guī)律和特征提供理論依據(jù)，為以后科學(xué)可行的治理方案和治理措施提供依據(jù)。

1.礦區(qū)概況

1.1交通位置

大雁礦區(qū)位于大興安嶺西麓的海拉爾河中游，隸屬于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市鄂溫克族自治旗巴彥鎮(zhèn)，礦區(qū)東接牙克石市，西連海拉爾區(qū)，南鄰巴彥嵯崗蘇木，北至海拉爾河與陳巴爾虎旗相望。地理坐標(biāo)為東經(jīng)：120°10′12″～120°39′09″，北緯：49°06′18″～49°17′17″。礦區(qū)面積約230km²。

1.2地形地貌、地層巖性

大雁礦區(qū)地勢為四周高中部低，呈盆地狀，海拔標(biāo)高在640m～900m之間，屬寒溫帶大陸性半干旱氣候，平均降水量為348mm。地下水類型可分為第四系松散巖類孔隙水、煤系孔隙、裂隙水，水位埋深5m～15m。植被類型為寒溫型草甸草原，土壤類型以淡黑鈣土和暗栗鈣土為主。礦區(qū)北部及南部有水系和沼澤。

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)及礦區(qū)鉆探資料，大雁煤田出露地層由下往上主要有：中生界白堊系下統(tǒng)龍江組（K_u）的陸相中酸性火山一沉積巖組合，白堊系下統(tǒng)梅勒圖組（K_1m）的中基性火山巖夾中酸性火山碎屑巖及火山碎屑沉積巖，白堊系下統(tǒng)大磨拐河組（K1d）的含煤碎屑巖層，白堊系下統(tǒng)伊敏河組（K_1ym）的含煤地層及第四系海拉爾組（Q_h）的松散沉積物。

1.3煤層分布特征

大雁礦區(qū)含煤地層為中生界白堊系下統(tǒng)伊敏組和下部大磨拐河組。上部的伊敏組巖性為泥巖、粉砂巖夾煤層，含3層煤，目前在露天開采；下部大磨拐河組巖性為凝灰碎屑巖、泥巖、砂巖夾煤層，可劃分為上、中、下三個巖段，厚度在24m-335m之間，含煤12層，為本區(qū)最有經(jīng)濟(jì)價值的含煤地層，其中27、28、30煤層為主采煤層，埋深70m～290m之間，頂板巖性細(xì)砂巖為主粉砂巖次之，結(jié)構(gòu)較簡單。該段煤層全部為井工開采，開采方式為機(jī)械化綜放回采，頂板管理方式為全陷落法。地表為第四系松散沉積物，厚度在6m～52m之間。

2.礦區(qū)地面塌陷監(jiān)測

2.1礦區(qū)地面塌陷監(jiān)測區(qū)現(xiàn)狀

本工程主要監(jiān)測受地下采動影響地面塌陷情況，此工程監(jiān)測點布設(shè)位置位于雁南礦區(qū)第17勘探線至第20勘探線之間，煤層及圍巖屬白堊系下統(tǒng)大磨拐河組中部含煤巖段。監(jiān)測的采面為雁南礦東翼28-2煤層二段，工作面走向長度為1614米，工作面傾向長度為180米，煤層平均傾角為8°，煤層平均厚度為6.62米，平均采后為4m～6m，煤層平均采深為187.0米。該工作面利用綜放回采工藝，開采水平在+550m～+350m。工作面對應(yīng)地表高程在650m左右，地勢較為平坦，大部分為耕地。

2.2地面塌陷監(jiān)測點布置

本次監(jiān)測共布設(shè)監(jiān)測點26個，在采面走向方向布設(shè)15個，傾向方向上布設(shè)9個，各監(jiān)測點點間距為50m。其觀測線長度走向749.85m，傾向長400.40m。為了進(jìn)行測量，布設(shè)控制點5個。

2.3監(jiān)測點的測量

監(jiān)測點的觀測工作于2012年9月20日開始，每10天進(jìn)行一次觀測。2013年9月20日結(jié)束，觀測時間為一年，共觀測34次。

2012年9月20日到年末，通過監(jiān)測，所有監(jiān)測點未受采動影響，2013年1月25日的監(jiān)測結(jié)果顯示監(jiān)測點Z15下沉量為0.3米，這是工作面距離Z15測點70米，說明在本地區(qū)地質(zhì)條件下采深200米左右時，采動影響超前范圍為70米左右。隨著工作面的推進(jìn)，監(jiān)測點均開始塌陷，這是進(jìn)入下沉活躍期觀測，當(dāng)工作面的回采推進(jìn)一定距離后，地表下沉速度大于50mm/月。2013年4月30日測點Z15的下沉值為4.391米，與前后幾次的觀測值比較，可以得出Z15測點進(jìn)入穩(wěn)定期。工作面在2013年6月25日停采，通過各測點的觀測數(shù)據(jù)顯示到2013年8月末基本處于穩(wěn)定期。

3.地面塌陷發(fā)育規(guī)律。

3.1大雁礦區(qū)地面塌陷類型

通過對大雁礦區(qū)礦山地面塌陷實地調(diào)查研究，歸納總結(jié)出了大雁礦區(qū)地面塌陷的主要類型為連續(xù)型沉陷即沉陷盆地，局部地區(qū)由于頂板的二次垮落形成較為平緩的塌陷坑。

3.2大雁礦區(qū)地面塌陷發(fā)育規(guī)律

連續(xù)型沉陷是指在采動的影響下，地表從原有標(biāo)高向下沉降，在采空區(qū)上方地表形成一個比采空區(qū)面積大很多的沉陷區(qū)域，并最終形成地表移動盆地。連續(xù)型沉陷主要是由大規(guī)模深部開采形成的，地表變形在時間和空間上呈連續(xù)、漸變式發(fā)展，變形有明顯的規(guī)律性。地表移動盆地的形成，改變了地面原有的形態(tài)，引起了地表高低、坡度及水平位置的變化。連續(xù)型沉陷可以分為沉陷盆地及盆地邊緣地裂縫。

3.2.1沉陷盆地

在大雁沉陷盆地內(nèi)，不同部位移動和變形的性質(zhì)及大小各異。在采空區(qū)上方地表平坦，采動影響范圍內(nèi)沒有大的地質(zhì)構(gòu)造的條件下，最終形成的地表移動盆地可劃分為兩個區(qū)域（見圖1）：

（1）移動盆地的中間區(qū)域，稱為中性區(qū)域。位于盆地的中央部位，此范圍內(nèi)地表均勻下沉，地表下沉值達(dá)到該地質(zhì)采礦條件下應(yīng)有的最大值，一般不出現(xiàn)裂縫。

（2）移動盆地的邊緣區(qū)域，包括內(nèi)邊緣區(qū)域和外邊緣區(qū)域。內(nèi)邊緣區(qū)域稱為壓縮區(qū)域，位于采空區(qū)邊界附近到最大下沉點之間。在此范圍內(nèi)，地表下沉值不等，地表移動向盆地的中心方向傾斜，產(chǎn)生壓縮變形，一般不出現(xiàn)裂縫。外邊緣區(qū)域，又稱為拉伸區(qū)域。位于采空區(qū)邊界到盆地邊界之間，此區(qū)域內(nèi)地表下沉不均勻，地表移動向中心方向，產(chǎn)生拉伸變形，當(dāng)拉伸變形超過一定數(shù)值后，地面產(chǎn)生拉伸裂縫。

3.2.2沉陷盆地邊緣地裂縫

即上述外邊緣區(qū)域，這一區(qū)域是沉陷盆地伴生地裂縫的主要分布區(qū)。

4.結(jié)論

地面塌陷監(jiān)測結(jié)果為：本地區(qū)采深在200m以上時，地表呈現(xiàn)均勻緩慢下沉，一般不出現(xiàn)裂縫，但采深在100m左右時地表可見明顯的裂縫。在大雁地區(qū)地質(zhì)條件下，采深200m左右時，采動影響超前范圍為70m左右。下沉速度約為55mm/天。采動后5個月基本穩(wěn)定。

大雁礦區(qū)地面塌陷的主要類型為連續(xù)型沉陷即沉陷盆地，局部地區(qū)由于頂板的二次垮落形成較為平緩的塌陷坑。