京西小窯采空區(qū)災(zāi)害特征及影響因素分析

吳言軍, 李根義,陳愛新,陳昌彥,周宏磊,付軍利

(1.北京市勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,北京 100038; 2.北京京巖工程有限公司,北京 100028；3.北京市門頭溝區(qū)科學(xué)技術(shù)委員會,北京 102300)

京西小窯采空區(qū)災(zāi)害特征及影響因素分析

吳言軍1、2, 李根義1,陳愛新1,陳昌彥1,周宏磊1,付軍利3

(1.北京市勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,北京 100038; 2.北京京巖工程有限公司,北京 100028；3.北京市門頭溝區(qū)科學(xué)技術(shù)委員會,北京 102300)

京西山區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，小窯淺層采空區(qū)災(zāi)害頻繁，對地區(qū)工程建設(shè)及生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重影響和損失。小窯采空區(qū)主要災(zāi)害類型為地面塌陷及由其誘發(fā)的崩塌、不穩(wěn)定斜坡和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，災(zāi)害活動(dòng)有著隱蔽性、突發(fā)性及隨機(jī)性的特征，受地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、地形地貌以及氣候條件、人類活動(dòng)等內(nèi)外地質(zhì)作用因素影響，又表現(xiàn)出一定的客觀規(guī)律。本文通過分析京西山區(qū)小窯采空區(qū)災(zāi)害特征和致災(zāi)因素，以便于開展針對性的防范措施，希望能為京西山區(qū)工程建設(shè)提供一些參考和幫助。

京西；小窯采空區(qū)；塌陷災(zāi)害；影響因素

1 引言

京西山區(qū)位于北京平原的西部，行政區(qū)域上主要包括門頭溝、房山區(qū)，是北京地區(qū)的主要產(chǎn)煤區(qū)，為京西煤田的主要分布區(qū)域，煤田面積為1 019 km2。該地區(qū)采煤歷史久遠(yuǎn)，小窯眾多，大量的煤層被部分或全部開采，在地下不同層位留下了大量的采空區(qū)。據(jù)資料分析，京西地區(qū)采空區(qū)面積36.92 km2，其中淺部小窯采空區(qū)6.52 km2，共有歷代開采的老小窯3 000多座[1]。小窯淺層采空區(qū)塌陷災(zāi)害發(fā)育，引起地面塌陷、邊坡崩塌以及泥石流、煤矸石等次生地質(zhì)災(zāi)害問題，對地區(qū)生態(tài)環(huán)境地質(zhì)產(chǎn)生了一定不良作用，且給當(dāng)?shù)厝嗣竦纳拓?cái)產(chǎn)帶來了較大損失。如位于小窯采空區(qū)上的千年古剎戒臺寺[2]、108國道、潭王公路、京西棚戶區(qū)改造項(xiàng)目[3]等多個(gè)重大工程項(xiàng)目均曾發(fā)生過不同規(guī)模的地質(zhì)災(zāi)害問題，嚴(yán)重地影響了當(dāng)?shù)卣５纳钌a(chǎn)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

近年來，隨著社會和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，位于北京山區(qū)的一些高等級公路、鐵路線、新城規(guī)劃、旅游服務(wù)設(shè)施等得到了快速建設(shè)和發(fā)展，為減少或避免采空區(qū)安全風(fēng)險(xiǎn)，因此分析研究該地區(qū)小窯塌陷災(zāi)害特征及處理措施有著一定的社會和經(jīng)濟(jì)意義。本文以北京山區(qū)門頭溝某地區(qū)小窯采空區(qū)災(zāi)害研究為例展開分析評價(jià)，并針對性提出防范措施，希望能有利于提高地區(qū)防災(zāi)減災(zāi)水平及工程建設(shè)的安全。

2 小窯采空區(qū)致災(zāi)特征

2.1 小窯采空區(qū)分類

小窯采空區(qū)是指在不同歷史年代，由人工采煤形成的地下空間，一般由洞口、巷道、采空區(qū)等部分組成。根據(jù)不同劃分依據(jù)，京西小窯采空區(qū)可分多種不同類型，詳見表1。

表1 小窯采空區(qū)分類

根據(jù)回填與否，還可以劃分為已回填采空區(qū)、未回填采空區(qū)；根據(jù)開采面積，劃分為大面積、小面積采空區(qū)；按煤層厚度，劃分為薄層采空區(qū)、厚層采空區(qū)等。另外還可以根據(jù)采空區(qū)或煤層傾角、采空區(qū)覆巖頂部軟硬巖巖性特征、有無充水等根據(jù)需要進(jìn)行詳細(xì)劃分。

2.2 小窯采空區(qū)塌陷災(zāi)害模式

根據(jù)前人研究[5-7]及現(xiàn)場調(diào)查、探測結(jié)果，在門頭溝某地區(qū)小窯采空區(qū)發(fā)育有多種塌陷模式，形成規(guī)律與采空區(qū)部位、地質(zhì)環(huán)境及人類活動(dòng)有關(guān)。

(1) 漏斗型塌陷

正漏斗型是指小窯采空區(qū)洞口周邊巖土物質(zhì)在自身重力及風(fēng)化、沖刷、振動(dòng)等作用下向下塌落，形成平面呈橢圓形、立面呈上大下小的形狀。該種類型一般多發(fā)生在以斜井、豎井形式開采的小窯洞口或巷道處，在本研究區(qū)較為常見(圖1)。

圖1 正漏斗型塌陷

反漏斗形塌陷區(qū)在立面呈上小下大的形狀，多分布于采空區(qū)或巷道下部巖體破碎、上部巖體完整的地層中，也可能是深層采空區(qū)三帶變形逐漸發(fā)展至地面的階段(圖2、圖3)。該種類型也可成為“錐筒形”。漏斗型塌陷一般具有突發(fā)性、隨機(jī)性、危害性大的特點(diǎn)，常造成房屋倒塌、公路斷路、水體消失、管線斷裂等災(zāi)害，應(yīng)加以重視。

圖2 反漏斗型塌陷

圖3 梁橋場地高密度電法成果圖

(2) 洼地型塌陷

洼地型是采空區(qū)或巷道在重力作用下發(fā)生較大面積的沉降現(xiàn)象，一般平面上呈不規(guī)則橢圓形，立面呈緩變下凹形，多發(fā)生在深層、大面積采空區(qū)或巷道埋深較大區(qū)域，另外上部覆巖多為軟質(zhì)巖或第四系松散土類地層。該型式也有人稱作“鍋底型”、“碟型”(圖4、圖5)。洼地型塌陷一般具有緩變性特點(diǎn)，作用時(shí)間較長，常導(dǎo)致建筑物變形、道路下陷開裂、水體滲漏、管道變形等災(zāi)害，由于該種塌陷模式變形時(shí)間長，面積大，且不易發(fā)覺及治理難度較大，須引起人們的重視。

圖4 洼地型塌陷

圖5 煤窯M14場地高密度電法成果圖

(3) 溝槽型塌陷

溝槽型是小窯巷道上覆巖土體在內(nèi)外動(dòng)力作用下，發(fā)生沉降、塌落的現(xiàn)象，平面多呈長條形、立面上呈槽型，多發(fā)生在以平硐形式開采的小窯淺層采空區(qū)或巷道處(圖6、圖7)。

圖6 溝槽型塌陷

圖7 采煤巷道多道瞬態(tài)瑞雷波法成果圖

(4) 直筒型塌陷

直筒型一般分布在豎井形式開采的小窯采空區(qū)或巷道、風(fēng)井處，多是由于采煤豎井、巷道或風(fēng)井沒有進(jìn)行回填或回填不實(shí)形成，平面上呈圓形，立面上呈井形，也有人把該種塌陷型式稱為“井型”。由于古小窯開采時(shí)代多沒有豎井的施工技術(shù)，故一般均分布于老、新小窯采空區(qū)，且多發(fā)生在硬質(zhì)巖石采空區(qū)。該種塌陷模式規(guī)模較小，但一般塌陷深度較大，一旦人、物掉入，后果嚴(yán)重(圖8)。

圖8 直筒型塌陷

2.3 小窯采空區(qū)誘發(fā)災(zāi)害模式

(1) 煤層采空區(qū)

研究區(qū)小窯采空區(qū)一般位于山體下部，地面下埋深均較深，一般為50～100 m左右，煤層厚度一般在0.3～0.9m左右(采空層厚度約1.5～2.0 m)，采厚比大于30，為深層采空區(qū)，發(fā)生地面塌陷的可能性相對較小；不同于大型國礦開采，有相對完善的支護(hù)措施和監(jiān)測系統(tǒng)，小窯一般無支護(hù)或簡易支護(hù)，采空層頂板易發(fā)生塌落，導(dǎo)致上部覆巖的變形破壞，從而引發(fā)地面塌陷災(zāi)害或上部山體邊坡滑塌失穩(wěn)災(zāi)害。

(2) 采煤巷道

相對于煤層采空區(qū)來說，研究區(qū)采煤巷道尤其是外部進(jìn)口巷道一般埋深較淺，在5～30 m左右，若按采厚比計(jì)算，大部分小于30，為淺層采空區(qū)。小窯采煤巷道一般無支護(hù)措施，易于發(fā)生坍塌，從而產(chǎn)生地面塌陷及誘發(fā)上部山體斜坡發(fā)生崩塌災(zāi)害。

(3) 采煤巷道洞口

研究區(qū)小窯洞口一般裸露，埋深淺，上部覆蓋有少量第四系碎石土層，多位于山體斜坡的坡腳處或溝谷岸坡地帶，應(yīng)力較為集中且常遭受地表水體沖刷侵蝕，洞口或淺部巷道上部巖土體難以形成承載拱，容易發(fā)生變形破壞，從而引發(fā)洞口坡體失穩(wěn)或上部斜坡巖體發(fā)生變形破裂，導(dǎo)致崩滑塌災(zāi)害的發(fā)生。經(jīng)調(diào)查，在研究區(qū)小窯洞口段是經(jīng)常引起邊坡滑移、巖體開裂破壞及坍塌的地段之一。研究區(qū)建設(shè)用地后期規(guī)劃和建設(shè)時(shí)須充分重視小窯洞口段邊坡的穩(wěn)定性問題。

(4) 煤矸石或棄渣

煤矸石[8,9]或棄渣不僅壓占耕地面積，還不可避免地要覆蓋農(nóng)田、林地或覆蓋水體，因而破壞了生態(tài)環(huán)境。而且煤矸石從暴露于自然環(huán)境開始就同時(shí)進(jìn)行著物理、化學(xué)、生物變化，煤矸石表面經(jīng)風(fēng)化后形成的粉狀顆粒容易污染大氣質(zhì)量，危害人們的身體健康，抑制作物生長，惡化自然環(huán)境。

研究區(qū)煤礦多為鄉(xiāng)鎮(zhèn)和個(gè)人辦的小煤礦，幾乎都無合理規(guī)劃的廢石場，小窯開采出來的煤矸石和棄渣一般隨意堆放，無防范措施，堆放位置多分布在采煤巷道洞口處斜坡及溝谷、溝口地帶，這些不合理堆積的煤矸石和棄渣為泥石流災(zāi)害的發(fā)生提供了大量松散碎屑物質(zhì)。

3 小窯采空區(qū)災(zāi)害特征及影響因素

3.1 災(zāi)害特征

據(jù)資料分析，北京西山土法采煤已有近800多年的歷史, 歷史小窯眾多，大量的煤層被部分或全部開采，在地下不同深度留下了大量的采空區(qū)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，研究區(qū)已發(fā)現(xiàn)塌陷坑1 000多個(gè)，涉及到10多個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)辦事處，有40多個(gè)村莊受到不同程度的危害，數(shù)千畝林地、耕地被毀，給當(dāng)?shù)厝藗冋５纳a(chǎn)生活造成了嚴(yán)重影響，阻礙了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。

受經(jīng)濟(jì)及技術(shù)條件限制，京西小窯采空區(qū)一般開挖空間小，多無支撐或臨時(shí)簡易支撐，遇煤則挖，無煤棄之，任其自然塌落，且分布無規(guī)律，導(dǎo)致其產(chǎn)生的塌陷災(zāi)害在空間上分布規(guī)律性差。由于小窯采深淺，不同于大型國礦采空區(qū)上覆巖體塌陷有著明顯變形帶分布規(guī)律，其塌陷災(zāi)害發(fā)生一般無典型時(shí)間預(yù)測規(guī)律，隨機(jī)性較強(qiáng)，且容易對地面建(構(gòu))筑物造成不利影響。另外由于小窯規(guī)模小，一般勘探方法很難查明其分布情況，處理或預(yù)防措施難以準(zhǔn)確實(shí)施或奏效，導(dǎo)致其災(zāi)害頻發(fā)。

受小窯采空變形塌陷影響，位于其采空區(qū)或洞口、巷道上部或邊緣的巖土體易產(chǎn)生變形開裂甚至破壞，誘發(fā)斜坡巖土體發(fā)生崩塌、滑坡，甚至給附近溝谷提供碎屑物源，產(chǎn)生泥石流災(zāi)害。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在研究區(qū)30%～50%的泥石流、崩塌、滑坡地質(zhì)災(zāi)害與由于煤窯采礦有一定關(guān)聯(lián)。最為典型的北京西山千年古剎戒臺寺滑坡就是與煤窯采空塌陷直接相關(guān)，導(dǎo)致北京市投入巨資進(jìn)行治理修復(fù)。2009年108國道南村隧道在建設(shè)施工時(shí)發(fā)生坍塌事故，據(jù)調(diào)查，場區(qū)分布有煤窯采空區(qū)，隧道坍塌與采空塌陷關(guān)系密切。

3.2 主要影響因素分析

(1) 地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)經(jīng)歷了多旋回、多期次的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，形成了地形倒置構(gòu)造地貌現(xiàn)象，山體褶皺變形強(qiáng)烈，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，完整性較差，為小窯采空區(qū)塌陷災(zāi)害的發(fā)生提供了便利條件；另外研究區(qū)位于九龍山向斜(向斜山)的南翼斜坡溝谷位置，從構(gòu)造力學(xué)上來看，處于拉張應(yīng)力分布帶，拉張應(yīng)力易產(chǎn)生拉裂崩塌，再考慮到山體邊坡下伏有采空區(qū)的力學(xué)影響機(jī)制，易于誘發(fā)山體崩滑塌災(zāi)害的形成。

另外京西山區(qū)本身就是地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育區(qū)，小窯采空區(qū)變形塌陷為其他地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生提供了邊界條件，進(jìn)一步誘發(fā)了災(zāi)害現(xiàn)象的發(fā)生。受地質(zhì)構(gòu)造影響，地表淺部巖層傾角較大，對于陡傾煤層來說，其發(fā)生塌陷災(zāi)害的概率較高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在門頭溝某研究區(qū)，有約50%的塌陷災(zāi)害發(fā)生在陡傾煤層中，小窯塌陷模式以漏斗形和直筒型為主；由小窯采空區(qū)誘發(fā)的崩塌、滑坡災(zāi)害也易發(fā)生在陡傾地層區(qū)域。

(2) 地層巖性

研究區(qū)小窯主要開采賦存于侏羅系窯坡組地層中淺層煤炭，采空區(qū)圍巖以強(qiáng)風(fēng)化-中等風(fēng)化粉砂巖、砂巖、泥巖為主。根據(jù)鉆探結(jié)果表明，巖芯呈碎塊或短柱狀，巖體節(jié)理裂隙很發(fā)育，鉆探過程中存在漏漿現(xiàn)象，節(jié)理傾角約30°～40°。巖體為碎裂塊狀結(jié)構(gòu)，巖體破碎-較破碎，巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度平均值為12.28～36.35 MPa，屬較軟巖-軟巖，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅳ～Ⅴ級。

該組地層軟硬不均的特點(diǎn)決定了小窯采空區(qū)易發(fā)生地面變形，是小窯采空致災(zāi)的內(nèi)在物質(zhì)基礎(chǔ)。

(3) 地形地貌

礦山開采造成的巖石移動(dòng)會影響到地表陡坡的穩(wěn)定性，產(chǎn)生崩塌或滑坡，即山體滑塌。一般情況下，地表坡度較陡、地形切割深度較大時(shí)，當(dāng)巖層傾向與陡坡方向一致或陡坡位于變形區(qū)內(nèi)、陡坡傾向與地表最大變形方向傾向一致時(shí)，易產(chǎn)生山體滑塌。研究區(qū)小窯巷道、洞口位置多分布在山體斜坡的坡腳或中下部及溝谷岸坡地帶，應(yīng)力集中，且易遭受水體沖刷侵蝕，具有誘發(fā)山體斜坡或岸坡失穩(wěn)的動(dòng)力條件。

研究區(qū)溝谷相對高差多在80～500 m，坡度多大于30°,溝谷上游山體坡度一般在35°以上，溝床平均縱比降為30‰～50‰，溝谷地形有利于水體匯集和固體碎屑的集中，且溝坡、溝口等多堆放有煤矸石及棄渣，具有發(fā)生誘發(fā)泥石流災(zāi)害的勢能條件和物質(zhì)基礎(chǔ)。

(4) 氣象水文

研究區(qū)是典型的暖溫帶半濕潤季風(fēng)型氣候，降雨量有著明顯的季節(jié)性特點(diǎn)，年降雨主要集中分布6～9月4個(gè)月內(nèi)，約占年降雨量的80%～90%。根據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，研究區(qū)煤窯采空塌陷發(fā)生在6～9月的概率最高，見圖9，約占中塌陷量的62%。這充分說明了研究區(qū)采空塌陷與降雨的密切關(guān)系。

圖9 京西山區(qū)采空塌陷年度分布統(tǒng)計(jì)表

據(jù)研究資料分析[1]，門頭溝區(qū)門城鎮(zhèn)老空區(qū)發(fā)生的數(shù)十起塌陷事件，90%以上發(fā)生在居民的廚房，另外不足10%則與地下輸水管線跑、冒、滲、漏有關(guān)。這足以說明水是塌陷發(fā)生不可忽視觸發(fā)因素之一。

隨著區(qū)域煤礦停采、小窯關(guān)閉及環(huán)境條件的改善，研究區(qū)地下水水文地質(zhì)條件將得到改善，地下水位也將升高，地下水對采空區(qū)覆巖的不利影響作用將更加明顯和突出，在后期區(qū)域規(guī)劃時(shí)須加以注意。

(5) 人類開采活動(dòng)

研究區(qū)小窯自遼金時(shí)代就有開采記載，人類開采活動(dòng)歷史悠久，直到2008年才全面禁止開采。經(jīng)調(diào)查，研究區(qū)小窯塌陷災(zāi)害發(fā)生主要集中于3個(gè)歷史時(shí)期：近代以前、近代至建國及建國到至今。近代以前不管小窯是官窯還是私窯，其土法開采技術(shù)十分落后，開挖以平硐為主，遇煤則挖，遇水則停，開采季節(jié)多避開豐雨時(shí)期，開挖洞室多無支撐，簡易排水，其發(fā)生小型塌陷災(zāi)害概率一般應(yīng)較高，但受歷史條件限制，相對記錄較少；近代至建國前，歷經(jīng)軍閥混戰(zhàn)、帝國主義侵占煤礦、國民黨混亂統(tǒng)治時(shí)期[10]，小窯開采十分混亂，歷史礦難呈高發(fā)狀態(tài)；建國后20世紀(jì)50～80年代，小窯開放開采，多快好省，盜挖私采現(xiàn)象嚴(yán)重，淺層煤層開采強(qiáng)度達(dá)到高峰，同期產(chǎn)生的小窯塌陷災(zāi)害呈頻發(fā)狀態(tài)。

4 結(jié)論

(1) 京西山區(qū)小窯采空區(qū)災(zāi)害發(fā)育，存在著多種類型，不同的類型有著不同的致災(zāi)模式和災(zāi)害表現(xiàn)形式。采空區(qū)塌陷災(zāi)害模式主要有漏斗型、洼地型、溝槽型及直筒型等，誘發(fā)災(zāi)害模式及類型多樣。

(2) 京西小窯采空區(qū)埋深淺，易于發(fā)生地面塌陷或誘發(fā)崩塌、滑坡及泥石流災(zāi)害，危害較為嚴(yán)重。地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、地形地貌、氣象水文及人類開采活動(dòng)等是影響采空區(qū)災(zāi)害的主要因素，其中地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、地形地貌是采空區(qū)災(zāi)害發(fā)生的內(nèi)在因素，氣象水文、人類活動(dòng)是采空區(qū)災(zāi)害發(fā)生的誘發(fā)因素。

(3) 在京西小窯采空區(qū)進(jìn)行工程建設(shè)時(shí)應(yīng)加強(qiáng)前期地質(zhì)調(diào)查、評估及勘察工作，查明采空區(qū)的穩(wěn)定性及致災(zāi)特征，合理規(guī)避災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。在進(jìn)行建設(shè)或?qū)Σ煽諈^(qū)治理時(shí)，應(yīng)根據(jù)場地采空區(qū)的分布特點(diǎn)、施工條件、設(shè)計(jì)條件等選擇適宜工程措施進(jìn)行防范及治理，從技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)合理性等方面進(jìn)行分析和選擇。

(4) 京西小窯采空區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，工程建設(shè)時(shí)應(yīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)、施工工作，采取適宜措施減少采空區(qū)災(zāi)害的不利影響；對于復(fù)雜、較大型采空區(qū)還應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測工作，以確保工程安全。

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ANALYSISABOUTINFLUENCEFACTORSANDCOLLAPSEDISASTERCHARACTERISTICSOFSMALLCOALMINEGOBAREASINTHEWESTOFBEIJINGMOUNTAINAREA

WU Yan-jun1、2,LI Gen-yi1,CHEN Ai-xing1,CHEN Chang-yan1,ZHOU Hong-lei1,FU Jun-li3

(1.BGI Engineering Consultants LTD，Beijing 100038，China；2.Beijing Jingyan Geotechnical CO.,LTD, Beijing 100028，China；3.Beijing Mentougou Science and Technology Commission, Beijing 102300，China)

The small coalmine gob areas disaster happens frequently in Beijing West Mountain area due to complex geological conditions, and had brought serious impacts and losses on the engineering construction and ecological environment. The main disaster types are land collapse and Induced disasters, such as collapse, unstable slopes, mudslides etc. and the disaster activities with characteristics of hidden, sudden and randomness. The disaster events show certain objective laws affected on influence factors that geological structure, lithology, topography,climatic conditions and human mining activities and so on. The paper according to land subside disaster characteristics and disaster-causing factors, and hope to Easy to carry out provide some references and help for the engineering construction in the west of Beijing Mountain area.

West mountain area in Beijing；small coalmine gob areas；collapse disaster；Influence factors

1006-4362(2017)03-0046-06

2016-11-15改回日期2017-02-12

受北京市科委委托的研究課題：淺層采空區(qū)綜合探測及災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)關(guān)鍵技術(shù)示范研究(Z121100000812006)資助。

P694;TD167

A

吳言軍(1976-)，男，高級工程師，主要從事巖土工程、工程地質(zhì)、地質(zhì)災(zāi)害等方面的勘察、設(shè)計(jì)工作。E-mail:gkswyi@sina.com