撫順煤田東部地表變形特征及成因機(jī)制分析

王瑾,王聲喜

(遼寧省第十地質(zhì)大隊，撫順　113004)

?

撫順煤田東部地表變形特征及成因機(jī)制分析

王瑾,王聲喜

(遼寧省第十地質(zhì)大隊，撫順113004)

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查、勘查成果，在煤田地質(zhì)環(huán)境條件分析的基礎(chǔ)上，通過地質(zhì)構(gòu)造特征和水文地質(zhì)特征的分析，總結(jié)了老市政府-榆林橋南-天湖橋南地區(qū)的地表變形特征。受采煤活動引發(fā)的斷層活化效應(yīng)作用，榆林橋南地區(qū)地表變形最為強(qiáng)烈，伴隨地面沉陷發(fā)育有4條地裂縫，其次為老市政府地區(qū)發(fā)育有一條地裂縫，而天湖橋南地區(qū)未見采煤活動引發(fā)的變性破壞。在此基礎(chǔ)上劃分出硬巖區(qū)傾倒拉張破壞型、軟巖區(qū)地表移動沉陷破壞型、淺層地表塌陷破壞型3種成因破壞模式，最后從巖體的長期蠕變效應(yīng)、地質(zhì)構(gòu)造差異效應(yīng)、采充效應(yīng)、充填體低剛度效應(yīng)、采煤的采空效應(yīng)、重復(fù)采動效應(yīng)、礦震效應(yīng)等方面總結(jié)了變形影響因素。總體而言采煤活動是直接的主要誘發(fā)因素是外因，地質(zhì)結(jié)構(gòu)是控制因素是內(nèi)因，二者相互作用缺一不可。

地表變形；地面沉陷；地裂縫；成因機(jī)制；撫順市

1　前言

撫順市是個因煤而興建的城市，“煤在城下，城在媒上”。同時撫順城區(qū)坐落在渾河斷裂帶之上[1]，位于不同地質(zhì)體相互交錯的構(gòu)造薄弱部位，地質(zhì)構(gòu)造條件復(fù)雜。由于受采煤活動的影響，地表變形較為發(fā)育，主要表現(xiàn)為地面沉陷和地裂縫。前者多分布在東林路、榆林四路、榆林聯(lián)社及靶場一帶，后者則主要分布于上述地區(qū)的北部，沿渾河南岸地段。兩者在空間上有較明顯的分帶性。本文通過現(xiàn)場實地調(diào)查、工程鉆探、地面物探等勘查成果分析，查明了撫順站前(老市政府)、榆林橋南、天湖橋南三個地區(qū)的地表變形特征，并就地面沉陷、地裂縫的基本發(fā)育特征及成因進(jìn)行了分析，從而為撫順城區(qū)地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防提供基礎(chǔ)地質(zhì)資料，為撫順市政府開展地質(zhì)災(zāi)害綜合治理工作提供決策依據(jù)。

2　地質(zhì)環(huán)境條件

撫順市位于渾河河谷平原上，東西長約30 km，南北寬6～8 km，平均海拔65～99 m，地勢東高西低，東部為山地丘陵區(qū)，西部融入遼河平原[2]。撫順市區(qū)出露的地層由老至新有太古界花崗質(zhì)片麻巖；中生界白堊系小嶺組安山巖、凝灰?guī)r及含礫砂巖；新生界古近系及第四系。其中以古近系較發(fā)育，是本區(qū)的含煤巖系(圖1)，也是本區(qū)的軟弱巖層。下部為老虎臺組、栗子溝組，主要為玄武巖和凝灰?guī)r夾煤層，中部為礦產(chǎn)層，為古城子組厚8.57～110.50 m的本層煤，其上為計軍屯組油母頁巖層(厚度25.81～362.35 m)，上部為西露天組綠色泥巖和耿家街組褐色頁巖。第四系在河谷平原區(qū)多為沖積層，其下部為礫石、砂礫石層，上部為粘土層。

1.河流；2.地層界限；3.正斷層；4.逆斷層；5.太古代片麻巖；6.白堊系安山巖；7.老虎臺組玄武巖；8.栗子溝組凝灰?guī)r；9.古城子組煤；10.計軍屯組油頁巖；11.西露天組綠色頁巖；12.本層煤；13.井田界限；14.地裂縫；15.采煤沉陷區(qū)圖1　撫順煤田地質(zhì)簡圖

渾河斷裂是形成于太古代的NEE向區(qū)域性殼層斷裂,中生代燕山運動，渾河斷裂活動由擠壓轉(zhuǎn)為拉伸，在斷裂帶內(nèi)和斷裂帶南側(cè)形成了多個不連續(xù)的地塹或半地塹式盆地，堆積了小嶺組火山-火山碎屑巖系[3]。

自新生代古近紀(jì)起，本區(qū)構(gòu)造作用加劇，渾河斷裂繼續(xù)前期北升南降的態(tài)勢，形成了北斷層南超覆的半地塹式盆地。古新世早期，有地幔物質(zhì)沿斷裂噴溢，形成了厚達(dá)200 m的玄武巖及凝灰?guī)r，凝灰質(zhì)角礫巖、頁巖、炭質(zhì)頁巖夾煤層。始新世開始，火山活動停止，在盆地內(nèi)形成了厚達(dá)100余米的本層煤及油母頁巖，綠色泥巖夾褐色泥巖等湖相沉積物。漸新世晚期地殼開始擠壓收縮，渾河斷裂帶內(nèi)原先的正斷層，被改造為自北西向南東逆沖的逆沖斷層，F(xiàn)1將白堊系推覆到古近系之上，F(xiàn)1A將花崗片麻巖逆沖于白堊系之上，同時拖曳古近系形成一開闊的向斜構(gòu)造。這次擠壓運動一直延續(xù)到新近紀(jì)末。形成了以F1、F1A為代表的渾河斷裂主干斷裂面[3](圖1)及F13、F39、F41～F45等多條近東西向平行的逆沖斷層系。使煤系地層崁布于花崗片麻巖與白堊系巖石形成的“凹槽”內(nèi)(圖2)。第四紀(jì)以來，本區(qū)以間歇性上升和差異升降運動為主，形成了各級階地。自晚更新世以來，本區(qū)處于相對穩(wěn)定時期，若非人類采煤活動擾動，渾河斷裂始終保持穩(wěn)定狀態(tài)[4]。

3　地表變形分布特征

地表變形是受采煤活動和含煤構(gòu)造等因素綜合作用。據(jù)野外調(diào)查統(tǒng)計，截止2008年底，在老市政府-榆林橋南-天湖橋南地區(qū)已發(fā)現(xiàn)64處變形破壞點，其中老市政府地區(qū)內(nèi)分布有4處，占總數(shù)的6.25%；榆林橋南地區(qū)內(nèi)分布60處，占總數(shù)的93.75%；天湖橋南地區(qū)除有地基不均勻變形或建筑物本身的結(jié)構(gòu)引起的變形破壞外，沒有發(fā)現(xiàn)與采煤活動有關(guān)引起的變形破壞點。

3.1老市政府地區(qū)地表變形分布特征

該區(qū)地表變形為地裂縫。現(xiàn)場調(diào)查有明顯變形的建筑物呈線狀分布在西8路3號樓6單元、原公安局辦公樓和家屬樓、站前街23委44方塊1號樓等4處。主要表現(xiàn)為建筑物出現(xiàn)張開裂縫，這4處變形建筑物所反映出的地裂縫西起原千金小學(xué)(西五路)，東至站前街原市公安局大樓，總體呈線狀展布，延伸長近1 000 m，走向約北東72°，為老市政府地區(qū)唯一分布的地裂縫。

該地裂縫是本區(qū)西部的石油一廠-撫順發(fā)電廠地裂縫沿F1A斷層強(qiáng)變形破壞帶的東延部分，由于斷層性狀的差異，在F1A斷層與F41斷層交匯處，地裂縫向東沿性狀更差的F41斷層發(fā)育，發(fā)育強(qiáng)度向東明顯變?nèi)酰^中央大街后，郵電大樓沒有變形，僅站前街23委44方塊1號樓有輕微變形。該地裂縫受西露天礦采礦活動和季節(jié)性變化影響較弱[2]。

3.2榆林橋南地區(qū)地表變形分布特征

榆林橋南地區(qū)建筑物及地表淺部變形破壞跡象明顯，從所調(diào)查的60處變形點統(tǒng)計表明，各建筑物變形破壞點在平面上呈線狀展布，形成4條近東西向展布的地裂縫[5]。

(1) Ⅰ號地裂縫

即前人所稱的禮泉路地裂縫，形成主要受F44斷層控制。西起禮泉路35-2號樓，東至渾河南路榆林橋東350 m處，延伸長度大于1 500 m，走向北東80°～90°。橫跨地裂縫的建筑物破壞后形成一組中等傾角的斜裂縫，其剪張寬度達(dá)1 cm。在渾河南路路面上可見其上盤(北盤)下降，地面形成陡坎。目前該地裂縫有繼續(xù)向北東發(fā)展進(jìn)入渾河的趨勢。

(2) Ⅱ號地裂縫

即前人所稱的撫順電瓷廠-榆林小區(qū)地裂縫。位于老虎臺沉陷區(qū)北側(cè)，形成主要受F39斷層控制。西起原撫順市第二中學(xué)西側(cè)，東至榆林加油站南側(cè)，延伸長度約1 880 m，總體走向北東75°。代表性的破壞建筑物有榆林小區(qū)4號樓，以平行展布的斜裂縫為主要破壞特征，剪張寬度達(dá)1.0～3.0 cm。

(3) Ⅲ號地裂縫

形成主要受F42斷層控制。西起原東公園派出所車庫，東至榆林生產(chǎn)聯(lián)社北約200 m處路口，延伸長度大于2 000 m，總體走向NE75°[6]。典型破壞特征以垂直沉陷張開為主，代表性破壞建筑物有東林社區(qū)原東公園派出所，水平拉張寬度達(dá)5 cm。

(4) Ⅳ號地裂縫

形成主要受F41斷層控制。西起略陽街加油站(榆林道口東北側(cè))，東至榆林生產(chǎn)聯(lián)社北側(cè)100 m處，線段延伸長度大于1 000 m，總體走向約NE75°[6]。

榆林橋南地區(qū)范圍內(nèi)出現(xiàn)變形破壞對象涉及面較為廣泛，民用建筑物裂縫最大張開寬度，為1.0～3.0 cm，廠房及車間裂縫最大張開寬度為10 cm，擋墻、路面、圍墻、花壇等裂縫最大張開寬度為25 cm，裂縫張開形式主要有3種：①陡傾角展布的拉張裂縫;②中等傾角展布的剪張裂縫;③沉陷裂縫。

3.3天湖橋南地區(qū)地表變形分布特征

野外調(diào)查顯示，天湖橋南地區(qū)內(nèi)除有地基不均勻變形或建筑物本身的結(jié)構(gòu)引起的變形破壞外，沒有發(fā)現(xiàn)由采煤活動引發(fā)的變形破壞。如海新河復(fù)興生態(tài)園DLF105變形點原為廢棄垃圾填埋場，路面混凝土為近期拉開裂隙，與路基變形有關(guān)。

除上述具線性展布的地表變形以外，在榆林橋南地區(qū)和天湖橋南地區(qū)之間的區(qū)域內(nèi)有12處建筑物有變形破壞跡象，在海新河以南的撫順電力機(jī)車廠和萬新村榆林路東段，大部分房屋墻體有開裂現(xiàn)象，傾向不一，地面高低起伏，沉陷特征明顯。天湖橋南地區(qū)以外，即海新河以南分布有44處變形點，主要位于龍鳳礦沉陷區(qū)內(nèi)，呈聚集散點狀分布特征。

3.4地表變形發(fā)育特點

在本次所研究的3個地區(qū)中，變形破壞強(qiáng)度以榆林橋南地區(qū)為最大，老市政府地區(qū)次之。天湖橋南地區(qū)目前沒有見到與采煤活動有關(guān)的建筑物發(fā)生破壞。

變形破壞形式以拉張破壞為主，剪張破壞與沉陷破壞次之。形成以豎向拉開裂縫為主，次為中陡傾角的斜裂縫，緩傾角裂縫少見；F1A斷層以南變形破壞以大面積的地面沉陷為主；F1A斷層以北變形破壞呈線狀展布，地裂縫發(fā)育的主體優(yōu)勢方向與場區(qū)內(nèi)斷裂帶走向基本一致，呈北東60°～70°左右方向展布，與之相關(guān)的主要斷層有F1A、F41、F42、F44、F45等系列斷層。

變形破壞建筑物大多為低層至多層磚混結(jié)構(gòu)建筑物，騎跨斷層走向的建筑物變形影響寬度一般小于20 m；與斷層走向順行展布的建筑物整個樓體的變形破壞程度要強(qiáng)烈得多，影響寬度也相對較大。

榆林四路以南、榆林街道、原撫順電瓷廠院內(nèi)及其附近等地建筑物開裂現(xiàn)象普遍，建筑物變形兼具有較大面積集中散點分布特征，開裂方式無規(guī)律，并成一定規(guī)模，表明沉陷區(qū)的范圍在擴(kuò)大。

4　地表變形成因機(jī)制分析

渾河斷裂整體是穩(wěn)定的，但由于煤田開采而誘發(fā)了渾河斷裂撫順段的局部活動[7]，斷裂的這種活化效應(yīng)是導(dǎo)致?lián)犴槼菂^(qū)地表變形的主要因素。撫順城區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)特殊，巖體結(jié)構(gòu)和巖石力學(xué)性質(zhì)差異很大。老市政府地區(qū)、榆林橋南地區(qū)F1A斷層以北為花崗片麻巖硬巖區(qū)，F(xiàn)1A斷層以南為白堊系砂礫巖和古近系煤系地層、綠色頁巖、泥巖等軟巖區(qū)。硬巖區(qū)與軟巖區(qū)的變形破壞模式明顯不同，硬巖區(qū)以傾倒拉張破壞類型為主；軟巖區(qū)以移動盆地“地表沉陷”變形破壞型為主。

4.1硬巖區(qū)傾倒拉張破壞型

花崗片麻巖硬巖區(qū)變形破壞的主要表現(xiàn)形式：一是騎跨斷層的建筑物呈線狀破壞；二是橫跨斷層兩側(cè)呈南高北低的“反跌坎”態(tài)勢，即斷層北側(cè)的沉降量高于南側(cè)的沉降量，形成較明顯的沉降差。

在硬巖區(qū)近平行展布的F1A、F39、F41、F42、F43、F44、F45斷層，傾角60°～70°，在深部逐漸收斂，這些斷層將硬巖區(qū)巖體在空間上切割成近平行的巖體條塊，在平面上呈長條帶狀展布，見圖2；硬巖區(qū)新鮮花崗片麻巖強(qiáng)度高，抗壓強(qiáng)度60 MPa以上，抗拉能力較強(qiáng)，抗拉強(qiáng)度大于3 MPa，巖體本身一般不易被拉開破壞，而斷層是在地殼運動過程中地質(zhì)體內(nèi)產(chǎn)生的軟弱結(jié)構(gòu)面, 也是巖塊與巖塊之間的地質(zhì)分界線。在煤田采礦活動影響范圍內(nèi), 斷層帶是巖塊或地質(zhì)體位移變形中的間斷點或突變點, 能夠造成斷層帶附近巖石產(chǎn)生劇烈變形, 引發(fā)地面沉陷或形成地裂縫[8]。

平行巖體的傾倒拉張形式的運動是硬巖區(qū)發(fā)生變形破壞的主要模式。老虎臺煤礦正在進(jìn)行大規(guī)模的綜放開采，采出空間周邊巖體應(yīng)力失衡，在重力的作用下，巖塊體將發(fā)生指向采空區(qū)的的運動，見圖2；煤層挖除后如果不回填或回填不密實，F(xiàn)1A、F41、F42、F39、F43、F44、F45等兩兩斷層之間的巖塊體在重力作用下，將分別按圖2所標(biāo)示的小箭頭方向發(fā)生運動，傾倒拉張的結(jié)果使已有斷層發(fā)生拆離，內(nèi)部形成離層空隙，其上盤碎屑物質(zhì)在重力及地表水的作用下，不斷下移，在地面逐漸形成南高北低的“反跌坎”，每一條反跌坎都對應(yīng)一條斷層。

按照上述巖塊體運動理論，地表除斷層線兩側(cè)有差異沉降外，還應(yīng)有小范圍的整體沉降，并且總體表現(xiàn)為南低北高，符合采煤沉陷的大趨勢[9]。

4.2軟巖區(qū)地表移動沉陷破壞型

F1A斷層以南為軟巖區(qū)，變形破壞形式以大面積地表移動沉陷為主。據(jù)2004年監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，老虎臺礦沉陷區(qū)最大垂直沉陷量達(dá)16.4 m。

軟巖區(qū)巖性以頁巖、泥巖、煤為主，夾砂礫巖，巖體本身強(qiáng)度低，飽和抗壓強(qiáng)度小于5 MPa，抗拉能力更差，小于0.2 MPa，煤系地層傾角較緩，煤層被采掘后，隨著地下開采工作面逐步向前推進(jìn), 煤層頂板臨空面積不斷擴(kuò)大, 相當(dāng)于上覆巖層重量隨之不斷增加。而當(dāng)煤層頂板巖體拉伸應(yīng)力達(dá)到或超過巖體力學(xué)抗拉極限時, 采空區(qū)煤層頂板巖層便會發(fā)生垂向或側(cè)向拉伸位移變形。這種拉伸位移變形一般以橫梁或懸臂梁形式沿巖層層面法線方向向下彎曲, 并沿層面產(chǎn)生斷裂、離層空間和層間裂隙, 同時導(dǎo)致地層破碎和冒頂塌落現(xiàn)象。上覆巖層變形破壞逐步向地表發(fā)展，當(dāng)開采范圍足夠大時，巖層移動發(fā)展到地表，在地表形成一個比采空區(qū)大很多倍的沉陷盆地。

采空區(qū)因應(yīng)力平衡體系的打破，導(dǎo)致大范圍的巖體破壞并發(fā)生位移。采沉區(qū)上覆巖體的移動具有明顯的分帶性，一般自下而上可分為3個帶(圖3a)：冒落帶、離層帶和巖層整體位移帶。

1.太古代片麻巖；2.栗子溝組凝灰?guī)r；3.西露天組綠色頁巖；4.白堊系安山巖；5.古城子組煤；6.正斷層；7.老虎臺組玄武巖；8.計軍屯組油頁巖;9.鉆孔位置及編號圖2　平行斷層間巖塊運動示意圖

冒落帶的巖石破碎，破碎塊之間的空隙多而大，由下而上可細(xì)分為不規(guī)則冒落帶和規(guī)則冒落帶，根據(jù)撫順多年采煤經(jīng)驗，煤層上覆巖體冒落后的膨脹率為1.3，以此為依據(jù)，撫順地區(qū)采煤冒落理論段是開采高度的3.34倍。離層帶位于冒落帶之上，段高一般是冒落帶的2～3倍。巖層整體位移帶位于離層帶之上至地表之間，帶內(nèi)巖石整體彎曲脫落，其影響范圍達(dá)到地表時便形成地面沉陷區(qū)[10]。老虎臺井采界線是根據(jù)1999年12月修改后的巖層移動參數(shù)(針對機(jī)械化放頂采煤法)計算的，巖層走向移動角從原來的δ=70°變?yōu)棣?56.3°，巖層下山移動角由β=70°-0.6α變?yōu)棣?57.1°(α為煤層傾角),見圖3b。

地表移動整個動態(tài)過程劃分為初始階段，活躍階段，衰減階段。(1)初始階段：以量測精度為依據(jù)，把采動地表下沉10 mm作為開始移動的起點，直至地表點下沉速度達(dá)每月50 mm為止。(2)活躍階段：采動地表點下沉速度大于每月50 mm的整個時間段均為活躍階段，在此階段內(nèi)地表變形最大，地表變形對建筑物的影響也最大。(3)衰減階段：采動地表下沉速度小于每月50 mm直至下沉速度到每月5 mm為止，稱衰減階段[11]。

實際上榆林橋南地區(qū)老虎臺礦采用綜合機(jī)械化放頂煤法采煤，單層最大采放高度達(dá)20 m，上覆巖體擾動強(qiáng)烈，地面沉陷嚴(yán)重。老虎臺礦以北區(qū)域，即榆林橋南地區(qū)仍處于變形發(fā)展?fàn)顟B(tài)之中。

1.巖層整體位移帶；2.離層帶；3.冒落帶圖3　采空區(qū)上覆巖體移動和分帶示意圖

圖4　塌陷坑形成機(jī)理示意圖

4.3淺層地表塌陷破壞型

在軟巖區(qū)淺層還有一種變形破壞現(xiàn)象表現(xiàn)為塌陷坑的形式，地面塌陷坑形成的必要條件是要有淺埋的洞室或采空區(qū)，有大氣降雨滲漏條件，長時間的地下水潛蝕作用，最終形成塌陷坑。塌陷坑形成機(jī)理見圖4。

5　變形影響因素分析

場區(qū)內(nèi)地面沉陷及城市建筑物變形破壞等次生災(zāi)害均發(fā)生在老虎臺井礦、龍鳳井礦、西露天礦、勝利井礦等開采區(qū)或其影響范圍內(nèi)。發(fā)生上述次生災(zāi)害的直接誘因是采煤活動，從每座建筑物變形破壞的位置上看，它又與所處地質(zhì)條件密切相關(guān)，地下巖體結(jié)構(gòu)起決定性控制作用。各場區(qū)發(fā)生變形破壞的原因，可歸納為以下幾點：

(1) 巖體的長期蠕變效應(yīng)

撫順煤系地層為一套砂頁巖軟巖地層，在構(gòu)造作用下，巖體裂隙發(fā)育，完整性差。軟巖具流變特性，在煤層采空狀況下，上覆和側(cè)向巖體在應(yīng)力作用下向開挖空間緩慢移動發(fā)生蠕變。巖體蠕變分為3個階段：初始蠕變、等速蠕變、加速蠕變。在初始蠕變階段巖體變形以小的速度向開挖空間移動，等速蠕變階段開始損傷巖體形成小的裂紋，加速蠕變階段巖體裂紋持續(xù)加速擴(kuò)展，經(jīng)過不斷演化和累積，逐步發(fā)展成為貫通性裂縫。巖體蠕變發(fā)生的緩慢變形導(dǎo)致周圍應(yīng)力場產(chǎn)生調(diào)整，某些對變形適應(yīng)能力差的的建筑物將不可避免發(fā)生拉伸、剪切作用，最終導(dǎo)致地表建筑物發(fā)生變形破壞作用。

(2) 地質(zhì)構(gòu)造的差異效應(yīng)

場區(qū)地質(zhì)構(gòu)造條件復(fù)雜，近平行發(fā)育一組NEE向系列斷層，代表性斷層有F1、F1A、F41、F42、F43、F44、F45等，一般斷層破碎帶抗拉能力很差，加之這些斷層與采空臨空面近于平行，巖體變形向采空區(qū)位移，易于沿斷層發(fā)生拉張破壞，這是場區(qū)沿斷層分布的建筑物發(fā)生較強(qiáng)烈變形破壞的主要原因之一。由于斷層破碎帶物質(zhì)組成不均一，膠結(jié)程度不同，導(dǎo)致不同斷層帶或同一斷層帶在走向上，其物性與力學(xué)指標(biāo)都存在較大的差異。F1A斷層在東西走向方向上，從東至西構(gòu)造角礫巖的角礫大小由粗變細(xì)，膠結(jié)程度也由好變差。在天湖橋南區(qū)，F(xiàn)1A斷層由較堅硬的鈣質(zhì)膠結(jié)為主，角礫巖大小10～20 mm，而在老市政府區(qū)地區(qū)，角礫大小一般2～3 mm，膠結(jié)物為泥質(zhì)或火山灰膠結(jié)，總體上講天湖橋南區(qū)的F1A斷層性狀較老市區(qū)政府區(qū)要好。同一區(qū)域的斷層，如老市政府區(qū)的F1A和F42斷層也有性狀上的差異，F(xiàn)41斷層在較淺部位(ZKU1揭示)孔深13～30 m處為巖屑和斷層泥，其礦物蝕變?yōu)榫G泥石，遇水軟化。而F1A分布在較深部位(ZKU3揭示)孔深27.2～52.4 m為花崗片麻質(zhì)角礫巖，31 m深以下構(gòu)造角礫含量達(dá)70%～80%。當(dāng)同一區(qū)域的建筑物跨越不同的斷層時，下伏斷層的性狀決定了建筑物的受損的程度，這就是老市政府區(qū)為什么會沿F42斷層產(chǎn)生拉張變形破壞而沒有沿F1A發(fā)生破壞的主要原因。

(3) 采充效應(yīng)

老政府區(qū)位于西露天礦北邦，下部為勝利礦，勝利礦開采方法采用“條帶式”限厚水砂充填法。分別于1977年4月～1978年7月在-615 m水平、1985年8月～1987年7月在-650 m水平進(jìn)行了開采，1978年共采出煤105×104t，1985年共采出煤14.3×104t。由于采充效應(yīng)造成的大范圍應(yīng)力調(diào)整和重新分布。采礦后雖然進(jìn)行了充填，但充填總要滯后于開采，礦石一旦被采出，采空區(qū)周圍巖體將發(fā)生彈塑性變形且會在很長時間內(nèi)完成[12]。即使充填后，呈流體狀態(tài)的充填體也會有一段固結(jié)、硬化過程。在此過程中充填體不起作用，圍巖繼續(xù)變形。原位賦存的礦體是有初始地應(yīng)力的，而固結(jié)后的充填體是從零應(yīng)力狀態(tài)逐漸開始受力，并參與地層的應(yīng)力平衡。在此期間，大部分構(gòu)造應(yīng)力往往已釋放，構(gòu)造應(yīng)力的釋放必然引起大范圍巖體移動，因此，用充填體“置換”被采出的礦體，不可避免地要引起周圍巖體的移動，最終導(dǎo)致地表變形及地裂縫的產(chǎn)生[12]。

(4) 充填體低剛度效應(yīng)

充填體的變形模量、抗壓強(qiáng)度均較低，比礦體本身低1～2個數(shù)量級。以相對“軟”的充填體置換相對“硬”的礦體，充填體周圍的上、下盤巖體在大的水平地應(yīng)力作用下，不可避免地要產(chǎn)生閉合變形，由此而引起大范圍的巖體移動，誘發(fā)地面產(chǎn)生變形破壞[12]。

(5) 采煤的空區(qū)效應(yīng)

老虎臺礦采用放頂法開采，即使是勝利礦采用充填法開采，也不可避免地會留下一些未存空間。由于礦區(qū)水平構(gòu)造應(yīng)力高、巖體極為破碎，采空區(qū)會逐漸變形、破壞直至坍塌冒落，從而引起空區(qū)周圍巖體變形和移動。

(6) 重復(fù)采動效應(yīng)

老虎臺礦自下而上逐一分層放頂進(jìn)行開采。勝利礦開采后，附加了西露天礦露天開采。老虎臺礦深部開采結(jié)束后，將向淺部開采，這種重復(fù)采動影響更加劇烈，巖體的變形與移動將比以往更明顯，對地表建筑物的變形破壞影響更大。

(7) 礦震效應(yīng)

老虎臺礦震頻發(fā)，1998年的高強(qiáng)度礦震增多的主要原因是開采了-780 m水平，2002年達(dá)到高峰是因為又開采了-830 m水平。礦震的長期反復(fù)作用，對撫順市渾河以南城區(qū)安全產(chǎn)生一定不良作用，一是使場區(qū)脆性結(jié)構(gòu)建筑物疲勞損傷；二是誘發(fā)已經(jīng)穩(wěn)定的老采空區(qū)局部頂板再松動塌陷；三是加劇采煤沉陷的發(fā)展速度,使其范圍擴(kuò)大；四是誘發(fā)巖層水平位移，沿斷層產(chǎn)生拉張作用，跨斷層(地裂縫)建筑物受損。

以上是撫順市城區(qū)地表建筑物及地面產(chǎn)生變形破壞的主要原因，總體而言采煤活動是直接的也是主要的誘發(fā)因素，是外因；地質(zhì)結(jié)構(gòu)是控制因素，是內(nèi)因，二者相互作用缺一不可。

6　結(jié)語

本文通過對撫順煤田東部地區(qū)三個地塊內(nèi)地表變形的研究，初步判定該區(qū)的地表變形是在已有斷裂的基礎(chǔ)上，通過采煤工程的擾動，引發(fā)了一系列的斷層活化效應(yīng)，地面形成了地裂縫和采煤沉陷帶，具體表現(xiàn)為建筑物開裂，其開裂方式以拉開裂縫為主，其次為中等傾角的斜裂縫，最后是緩傾角裂縫少見。其變形模式表現(xiàn)為硬巖區(qū)以傾倒拉張破壞類型為主，軟巖區(qū)以移動盆地“地表沉陷”變形破壞型為主和淺層地表塌陷破壞型。

[1]撫順地方志辦公室，撫順市志(第一卷)[M].遼寧人民出版社，1993:231-244.

[2]刁純才.撫順地區(qū)地裂縫發(fā)育特征[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2011,30(3):420-422.

[3]王聲喜,郭蘭昌,程克愚.撫順市主要地質(zhì)災(zāi)害的成因機(jī)制及防治對策[J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù),2008，19(2):1-6.

[4]王聲喜，張慶義，王卓，等．渾河斷裂帶(撫順段)近期活動性與地質(zhì)災(zāi)害的關(guān)系[J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù),2008，19(4)：12-15.

[5]郭蘭昌.撫順市南站-天湖橋南地區(qū)地表變形特征及成因機(jī)制分析[J].科技與生活,2011,(21)：91.

[6]孫莉,劉寶華,王希軍,等.撫順礦區(qū)部分地塊地質(zhì)災(zāi)害特點與建設(shè)條件分析[J].中國科技縱橫,2011，(10)：37-37.

[7]趙廣信，常耀廣.渾河斷裂帶(撫順段)應(yīng)變分析[J].測繪通報，1995,(5)：3-6.

[8]孫秀波，蔣永臻，劉茂華，等.撫順市地裂縫特征及形成機(jī)理分析[J].中國地質(zhì)災(zāi)害及防治學(xué)報.2008,19(4):42-45.

[9]郭迅,戴君武.采煤沉陷與斷層相互作用引起地表建筑破壞特點分析[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2006，25(6)：851-854.

[10]徐瑞春，宋肖冰，柳景華，等.撫順礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害及其對策[R].長江水利委員會長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院，2007.3.

[11]李瑞斌,李鵬博,解盤石.影響開采損害的因素及地表分析[J].煤炭工程,2009，45(11)：66-68.

[12]李曉，路世豹，廖秋林,等.充填法開采引起的地裂縫分布特征與現(xiàn)場監(jiān)測分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2006，25(7)：1361-1369.

EAST OF FUSHUN COAL FIELD GROUND SURFACE DEFORMATION CHARACTERISTICS AND GENETIC MECHANISM ANALYSIS

WANG Jin，WANG Sheng-xi

(The Tenth Geological team of Liaoning province, Liaoning Fushun113004,China)

according to site survey, and exploration results, in coalfield geological environment conditions analysis of based Shang, through geological structure features and hydrological geological features of analysis, summary has old municipal government-Yulin Bridge South-Lake Bridge South area of surface deformation features, by mining activities raised of fault activation effect role, Yulin Bridge South area surface deformation most strongly, with ground subsidence development has four article to crack, second for old municipal government area development has a article to crack, and Lake Bridge South area not see mining activities raised of degeneration damage. This based Shang divided out hard rock district dumping pulled Zhang damage type, and soft rock district surface mobile subsidence damage type, and shallow layer surface collapse damage type three species causes damage mode, last from rock body of long-term creep variable effect, and geological structure differences effect, and mining filling effect, and filling body low stiffness effect, and mining of mining empty effect, and repeat mining moving effect, and mine earthquake effect, aspects summary has deformation effect factors. Overall mining activity is direct external factors is the main factor, is the controlling factor of geologic structure is internal and interaction are indispensable.

surface deformation; ground subsidence; ground fissures; mechanism; Fushun city

1006-4362(2016)03-0055-07

2016-05-22改回日期：2016-06-21

撫順市政府項目：撫順市部分地塊地質(zhì)災(zāi)害勘查(20080714)

P642.26

A

王瑾(1986-)，女，2009年7月畢業(yè)于河北農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代技術(shù)學(xué)院土木工程專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，吉林大學(xué)在讀資源工程碩士研究生，現(xiàn)就職于遼寧省第十地質(zhì)大隊，工程師，主要從事地質(zhì)災(zāi)害評估和環(huán)境地質(zhì)研究工作。E-mail:497819022@qq.com