唐山南湖生態(tài)園地面塌陷影響因素及保護對策分析

顧福計，趙永真，高明輝

(河北省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，河北 石家莊 050021)

唐山南湖生態(tài)園地面塌陷影響因素及保護對策分析

顧福計，趙永真，高明輝

(河北省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，河北 石家莊 050021)

南湖是唐山煤礦老采空區(qū)地面塌陷坑治理建成的AAAA級景區(qū)生態(tài)園，通過分析論證影響南湖生態(tài)園老采空區(qū)復(fù)活的各項因素及其塌陷形成機制，對該區(qū)采空塌陷及地裂縫發(fā)生的可能性、地質(zhì)災(zāi)害的危險性和危害性作了進一步分析，并提出了地質(zhì)災(zāi)害防治與生態(tài)保護的措施及建議。

礦業(yè)城市；老采空區(qū)；采空區(qū)復(fù)活；采空塌陷

1 地面塌陷現(xiàn)狀

1.1 唐山煤礦地質(zhì)環(huán)境

唐山南湖公園位于唐山城市中心區(qū)，是在唐山煤礦采空塌陷區(qū)治理基礎(chǔ)上，建成的我國北方最大的城市生態(tài)園。唐山煤礦位于開平煤田向斜西北翼的西南部，南湖公園處于向斜倒轉(zhuǎn)翼次級背向斜強烈褶皺帶，煤層和巖層陡立，被Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三條晚更新世活動斷層及分支斷層切割揉扭，Ⅲ斷層將奧陶系灰?guī)r推覆石炭-二疊系地層之上或?qū)??；鶐r頂面起伏變化大，北部埋深40～50 m，南部達160～180 m。覆蓋層底部為粘土卵礫石層，是孔隙水承壓含水層，局部有接觸天窗，煤系地層下伏的奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙發(fā)育，為巖溶水強含水層。

1.2 唐山煤層開采歷史與現(xiàn)狀

解放前，1891～1937年唐山煤礦對Ⅲ斷層上部倒轉(zhuǎn)翼強烈褶皺斷裂帶傾斜和急傾斜煤12、煤9、煤8、煤5等煤層大部分進行了開采，急傾斜煤采用落垛法和房柱法開采，緩傾斜煤層采用短壁法開采，全部陷落頂板管理。解放后，對Ⅲ斷層上部剩余的煤炭資源開采，同時開采下部正常翼-600～-800 m煤5、煤8、煤9、煤12等煤層，局部截至2000年和2013年。1973年、1975年至2007年增盛煤礦和劉莊煤礦對倒轉(zhuǎn)翼北部老采空區(qū)殘余煤柱進行了復(fù)采殘采。

1.3 地面塌陷狀況

唐山南湖公園所處的西塌陷坑面積約14余 km2，區(qū)內(nèi)有多個積水坑，水坑面積約5.91 km2，塌陷坑呈北北東向條帶狀分布，地表發(fā)育多條不連續(xù)地裂縫，塌坑最大深度達17 m。1976年唐山7.8級地震塌陷坑在強烈震動作用下，產(chǎn)生了不均勻沉陷， 2005年湖內(nèi)橋梁塌陷破壞。

2 南湖地面塌陷影響因素分析

據(jù)有關(guān)調(diào)查資料，南湖公園發(fā)現(xiàn)零散分布的地裂縫，表明現(xiàn)今南湖公園地面塌陷尚未全部穩(wěn)定。采礦活動是地面塌陷的直接誘因，礦層(體)地質(zhì)特征和地質(zhì)環(huán)境條件決定了礦山開采條件和地面塌陷特征。

圖1 開灤唐山礦甲——甲′地質(zhì)剖面圖

2.1 條件控制因素

實踐表明，復(fù)雜脆弱的構(gòu)造結(jié)構(gòu)體是地面塌陷地裂縫高易發(fā)地帶。南湖公園西部倒轉(zhuǎn)翼Ⅰ-Ⅲ斷層之間為強烈擠壓褶皺帶和斷層密集破碎帶，是地面塌陷、地裂縫高易發(fā)帶。鉆孔和井下開采揭露，急傾斜煤層節(jié)理、層理、片理發(fā)育，揉皺、順層變形嚴(yán)重。斷層上陡下緩落差大，Ⅰ號正斷層落差達155 m，傾角50°～70°；Ⅱ號逆斷層落差145 m，傾角一般為26°～35°；Ⅲ號逆斷層落差達370 m，一般傾角為24°～30°。斷層兩側(cè)發(fā)育多條分支小斷層。斷層將不同時代巖層錯位對接，或沿軟弱層面滑動，呈波浪起伏變化大。巖層受強烈擠褶皺和斷層切割擾動，使煤層、圍巖、覆巖及覆蓋層底部的巖土體結(jié)構(gòu)受到不同程度破壞，形成多級軟弱結(jié)構(gòu)面，特別是不連續(xù)的優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面原生地質(zhì)環(huán)境承載能力低，統(tǒng)計資料表明，當(dāng)斷層傾角大于20°斷層落差大于10 m時，斷層對采空塌陷產(chǎn)生冒落影響。成為地面塌陷、地裂縫高易發(fā)地段。

2.2 采動影響因素

受煤層圍巖覆巖傾角和復(fù)雜脆弱的巖體結(jié)構(gòu)制約，急傾斜煤層老采區(qū)采用落垛式開采，煤層采出后，一次形成較大空間，在垂向上形成不同高度、不同規(guī)模的冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶。導(dǎo)水裂隙帶在覆巖中產(chǎn)生垂直或近于垂直層面的裂隙和順層面脫開的離層裂隙。離層裂隙表征覆巖破壞是由下而上的擴展式的發(fā)展過程。水體下采煤，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度與覆巖堅硬程度、采礦方法和開采厚度有關(guān)。近百年開采實踐表明，急傾斜煤層采出后，采空區(qū)覆巖和圍巖沿斷層、節(jié)理、層面滑移、垮落、片幫，地表形成漏斗狀塌陷坑、塌陷槽及地裂縫臺階等不均勻變形。

南湖塌陷區(qū)Ⅲ斷層以下深部煤層尚未大規(guī)模開采，可采煤層有煤5、煤8、煤9、煤12和煤14(底部受奧陶系巖溶水威脅)，開采Ⅲ斷層以下向斜軸部煤層將導(dǎo)致Ⅲ、Ⅱ、Ⅰ斷層及分支斷層活動，牽動Ⅲ斷層以上老采空區(qū)活化，繼續(xù)發(fā)生地面塌陷、地裂縫。

2.3 地震與地應(yīng)力加劇因素

唐山煤礦地面塌陷區(qū)位于1976年7.8級地震震中區(qū)，地震烈度達10～11度，場地坑震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計基本地震加速度為0.20 g屬于地殼不穩(wěn)定區(qū)，地應(yīng)力高度集中區(qū)。不僅地表遭受強震破壞，老岳各莊塌陷積水坑下沉2 m，而且南湖公園塌陷區(qū)及周邊的水源井、地下水監(jiān)測孔井管被錯斷扭裂，破壞部位多為第四系松散層與基巖接觸面、石炭二疊系與奧陶系灰?guī)r接觸面等軟硬巖層界面，地質(zhì)結(jié)構(gòu)受到影響破壞。唐山7.8級震后余震時有發(fā)生，地震強烈振動加劇了地面塌陷。

礦震在煤炭系統(tǒng)稱之為沖擊地壓。1964年6月唐山煤礦曾發(fā)生過沖擊礦震，對采區(qū)產(chǎn)生影響。開采南湖公園Ⅲ斷層以下標(biāo)高-800～-1 200 m深部煤層，受到?jīng)_擊地壓(礦震)威脅，不僅對采場圍巖、覆巖變形破壞，而且影響到新老采空區(qū)殘存煤柱活動，加劇地面塌陷。

2.4 地下水促進因素

唐山煤礦礦坑充水水源為石炭——二疊系基巖裂隙水、上覆松散層孔隙水和下伏奧陶系巖溶水。地下水是一種難以壓縮、流動性大、最活躍的因素，沿導(dǎo)水?dāng)嗔褞Щ蚱渌渌ǖ烙咳胨w下開采區(qū)。地下水滲流沖刷、滲透潛蝕、軟化泥化和潤滑等作用，促進了覆巖土體變形破壞，加劇了開采條件下地面塌陷地裂縫發(fā)生。老采空區(qū)留設(shè)的煤巖柱在地下水、地應(yīng)力和礦山壓力作用下，不斷風(fēng)化剝落變形破壞，煤巖體對覆巖的頂托作用減少。導(dǎo)致覆巖土體具有長期變形效應(yīng)，失去支撐能力，這已被國內(nèi)外多年老礦巖柱變形破壞實例所證實，促進了地面塌陷隱患。

通過唐山煤礦南湖區(qū)地質(zhì)條件、新老采空區(qū)地面塌陷地裂縫發(fā)育分布規(guī)律、影響因素及形成機制分析，南湖區(qū)下伏淺部老采空區(qū)和深部開采區(qū)局部依然存在地面塌陷地裂縫災(zāi)害隱患，尤其是急傾斜煤層強烈褶皺帶和Ⅰ-Ⅲ斷層破碎帶不穩(wěn)定地段，發(fā)生地面塌陷地裂縫可能性大，地質(zhì)災(zāi)害危險性大-中等，對南湖區(qū)工程建設(shè)、生態(tài)保護和人員安全構(gòu)成威脅。

3 保護對策及與建議

目前唐山市在規(guī)劃南湖公園服務(wù)性二期建設(shè)項目，包括跨湖、跨河、跨路等多項高架軌道工和其他供游客觀光工程，其中唐胥路主軸跨線工程橋長1 484.911 m，路面寬6 m，一般性地面建筑服務(wù)設(shè)施樓層高度為1～3層。

1)鑒于南湖區(qū)采空塌陷受諸多因素影響與制約，在不同空間、時間、強度方面有很大的差異性，通常各采空區(qū)地面塌陷防治方案不具有通用性，可比性較差。編制塌陷防治和生態(tài)保護方案前，應(yīng)對防治區(qū)進行大比例尺專項勘查，查清底數(shù)，突出重點，根據(jù)成災(zāi)條件、致災(zāi)因素，結(jié)合地表已建及待建工程和保護對象，分區(qū)段編制保護預(yù)防與治理方案。

2)根據(jù)南湖區(qū)所處的區(qū)位條件和區(qū)域地質(zhì)水文地質(zhì)條件，南湖區(qū)下部壓覆的大量煤炭資源無論是現(xiàn)狀開采還是未來開采，在斷層破碎帶和強烈褶皺帶區(qū)域都應(yīng)設(shè)置防塌煤(巖)柱。

3)對南湖區(qū)Ⅰ～Ⅲ斷層褶皺帶地質(zhì)環(huán)境條件復(fù)雜脆弱地段，在采掘過程中應(yīng)堅持“預(yù)測預(yù)報、有疑必探、先探后掘、先治后采”的原則，超前查清斷層破碎帶、強烈擠壓破碎帶、導(dǎo)水裂隙帶的空間位置及特征，采用壁式充填法或柱式充填法進行保護性開采。

4)開展南湖區(qū)及周邊地面塌陷及地裂縫預(yù)防監(jiān)測。根據(jù)地面塌陷影響因素，監(jiān)測內(nèi)容：

(1)地面變形監(jiān)測及地面工程設(shè)施變形破壞監(jiān)測；包括公園內(nèi)生態(tài)建設(shè)大量的低層建筑物及路橋、管道等設(shè)施和園林區(qū)地表移動變形監(jiān)測；

(2)煤系地層主要含水層基巖裂隙水、上覆底部粘土卵礫石層孔隙水和奧陶系灰?guī)r巖溶水等地下水水位動態(tài)監(jiān)測；

(3)地下采空區(qū)Ⅰ斷層西北構(gòu)造塊、Ⅰ～Ⅲ斷層間構(gòu)造塊、Ⅲ斷層以下構(gòu)造塊不同開采水平涌水量監(jiān)測；

(4)地下采區(qū)不同開采水平采前及采后應(yīng)力場監(jiān)測，地應(yīng)力高度集中礦壓監(jiān)測，地下采區(qū)變形破壞監(jiān)測。

監(jiān)測網(wǎng)(點)布設(shè)，充分利用唐山煤礦地下水水位監(jiān)測孔、城市地下水水位監(jiān)測井、地震地下水水位監(jiān)測孔建網(wǎng)。礦坑涌水量、地下采區(qū)地應(yīng)力監(jiān)測和地下采區(qū)變形破壞監(jiān)測可采用唐山煤礦監(jiān)測資料。

5)南湖公園老采空區(qū)塌陷區(qū)擬建高架橋式跨路跨湖觀光瀏覽軌道工程，橋長總計1 484.911 m，由于橋梁承受變形能力較小，產(chǎn)生變形后不易削除，一旦發(fā)生塌陷地面變形破壞，則導(dǎo)致嚴(yán)重災(zāi)害。該建設(shè)場地地質(zhì)環(huán)境條件復(fù)雜脆弱，部分地段為煤巖層急傾斜強烈褶皺帶和斷層破碎帶，采空區(qū)覆巖易發(fā)生抽冒式塌陷，勘查資料表明，塌陷深度已達10～15 m，遠(yuǎn)超過緩傾斜塌陷盆地變形量，預(yù)測評估地質(zhì)災(zāi)害危險性大。建議在專項勘查評價基礎(chǔ)上，該軌道工程基礎(chǔ)采用筏板基礎(chǔ)。

[1]張洪波.唐山市區(qū)基礎(chǔ)地質(zhì)背景調(diào)查研究(內(nèi)部資料).唐山市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測站.1978.

[2]谷世銘,周全度.開灤唐山礦百年來涌水量穩(wěn)定的原因(內(nèi)部資料).河北省煤田第一勘探隊.1980.3.

[3]唐山市區(qū)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測報告(一九八五年).唐山市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測站.1986.3.

[4]調(diào)整公路下伏采空區(qū)危害性評價與處治技術(shù).東南大學(xué)出版社.2006.8.

[5]2016年唐山世界園藝博覽會服務(wù)區(qū)建設(shè)項目地質(zhì)災(zāi)害危險性評估報告、唐山市胥路主軸跨線橋建設(shè)項目地質(zhì)災(zāi)害危險性評估報告(內(nèi)部資料).中煤科工集團唐山研究院有限公司.2015.3.

2017-02-22

顧福計(1972-)，男，河北石家莊人，高級工程師，主要從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)方面工作。

P642.21

B

1004-1184(2017)04-0183-02