鐵錘山地面塌陷發(fā)育現(xiàn)狀及變形規(guī)律的探析

韋 杏 杰

(中化地質(zhì)礦山總局廣西地質(zhì)勘查院，廣西 南寧 530004)

0 引言

近年來，中國區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害勘查深化與普及，經(jīng)過多年地質(zhì)災(zāi)害勘探及防治研究，學(xué)者對地面塌陷規(guī)律、特征、地面沉降、變形的成因與防治以及地質(zhì)災(zāi)害的分布等方面已做了一定深度的研究[1-3]。國內(nèi)外筆者采用灰色理論方法[4]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[5]、支持向量機(SVM)和最小二乘支持向量機(LS～SVM)等[6-8]方法。但這些研究大多是以地表變形問題來展開，特別是以地表變形為主。對普遍存在的地面塌坑則沒有做太多系統(tǒng)的研究工作，尤其是對塌坑形成、演化機制及擴展規(guī)律缺乏系統(tǒng)、深入地分析和研究。

由于江山市大陳鄉(xiāng)鐵錘山大部分礦區(qū)境內(nèi)，之前石煤無序開采，留下了大面積的破壞區(qū)，這些破壞區(qū)存在諸多安全隱患。據(jù)相關(guān)調(diào)查統(tǒng)計，自1970年以來，該區(qū)發(fā)生多處地面塌陷，局部石煤自燃引發(fā)山林火災(zāi)，累計毀壞林地150多畝，石灰窯倒塌3座，直接經(jīng)濟損失300多萬元。塌陷坑的數(shù)量和面積還在不斷地增加；地面裂縫在不斷增多、增大；加之周圍有部分石灰?guī)r露采礦山在生產(chǎn)，新塌陷或老塌陷擴大仍然存在。因此，對這一問題開展系統(tǒng)深入的研究，具有必然的學(xué)術(shù)價值、工程意義和經(jīng)濟效益。本文以鐵錘山地面變形為例，依據(jù)多年的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對鐵錘山地面塌陷發(fā)育現(xiàn)狀及變形規(guī)律進行初步的分析和探究。

1 工程概況

鐵錘山地面塌陷屬石煤采空區(qū)冒頂型塌陷。區(qū)內(nèi)石煤開采歷史悠久，屬江山市石煤集中開采區(qū)，礦區(qū)從新中國成立前的零散民采到二十世紀(jì)七十年代集中開采至二十世紀(jì)八九十年代個體采煤盛行。

鐵錘山塌陷區(qū)位于江山市區(qū)345°方向直距8 km的大陳鄉(xiāng)烏龍村，中心地理坐標(biāo)：東經(jīng)118°34′52″，北緯28°48′04″。東側(cè)為48省道、西側(cè)及南側(cè)為鐵錘山山脊、北側(cè)以皂腳樹底水庫為界，總面積約為2.4 km2；近山頂有多處廢棄的露采石灰?guī)r礦山，沿山腳及近山腰一帶遍布有幾十個采煤老窿。

2 地面塌陷的原因

2.1 地型地貌

該區(qū)屬丘陵剝蝕、巖溶區(qū)，海拔100 m～400 m，山體多呈饅頭形，地勢較平緩，總體地勢北西高，南東低，地形坡度10°～30°間，最高山頭401 m，最低處約114 m，最大相對高差約287 m。區(qū)域范圍內(nèi)煤層主要沿社山底—烏龍村復(fù)式褶皺軸部兩側(cè)分布，大致呈北東方向。礦區(qū)侵蝕基準(zhǔn)面標(biāo)高為153.0 m，最高280.0 m；石煤層最高出露高程230 m，最低出露高程155 m。該區(qū)內(nèi)特有的地質(zhì)條件，土體較松散、地表破碎、淺部土體存在微孔隙通道，影響到地表陡坡的穩(wěn)定性，陡坡易發(fā)生應(yīng)力集中，甚至產(chǎn)生開裂，為地面塌陷的發(fā)生提供便利的地形條件。

2.2 氣象水文

江山市屬亞熱帶季風(fēng)型氣候，年平均氣溫約17 ℃，年平均降水量1 684.1 mm，年平均蒸發(fā)量1 466.1 mm，北部大陳鄉(xiāng)一帶年降雨量位于1 600 mm等值線內(nèi)。區(qū)內(nèi)有一條無名溪流自北西向南東中間流過，支溝發(fā)育，屬季節(jié)性山溪河流，河寬2 m～3 m, 流量受氣候和季節(jié)性變化明顯，雨季水位易漲，枯水期水量小至干枯。北側(cè)緊鄰皂腳樹底水庫，最大庫容27萬m3，水位標(biāo)高195 m～204 m，高于最低侵蝕基準(zhǔn)面標(biāo)高114 m。

地下水的長期交替升降變化，使土體的濕度、飽和度及水化學(xué)成分發(fā)生變化，從而促進土體的崩解脫落速度，有利于地下水對土體的潛蝕作用，從而加速塌陷的發(fā)生。

2.3 地層巖性

區(qū)內(nèi)出露地層有奧陶系下—中統(tǒng)胡樂組(O1-2h)；奧陶系下統(tǒng)寧國組(O1n)、印渚埠組(O1y)；寒武系上統(tǒng)—奧陶系下統(tǒng)西陽山組(∈3-O1x)；寒武系上統(tǒng)華嚴(yán)寺組(∈3h)；寒武系中統(tǒng)楊柳崗組(∈2y)；寒武系下統(tǒng)大陳嶺組(∈1d)、荷塘組(∈1h)；震旦系上統(tǒng)—寒武系下統(tǒng)燈影組(Z2-∈1dn)；震旦系上統(tǒng)陡山沱組(Z2d)等十組地層。鐵錘山荷塘組含煤地層褶皺節(jié)理發(fā)育，連續(xù)性、完整性較差，促使沉降變形加快，增大變形范圍，還會加劇地表裂縫的發(fā)展，出現(xiàn)不連續(xù)的移動和變形，易形成不連續(xù)的塌陷坑。

2.4 煤層分布特征及變化

2.4.1空間分布及規(guī)模

依據(jù)荷塘組含煤地層分布，區(qū)內(nèi)煤層分為沙塢、社山底及大青壟三個塊段。沙塢段賦存于社山底—烏龍村復(fù)式褶皺南東翼，煤層大致沿山腳斷續(xù)出露；社山底段煤層賦存于社山底—烏龍村復(fù)式褶皺東西兩翼；大青壟段賦存于社山底—烏龍村復(fù)式褶皺北西翼，煤層大致沿山腳斷續(xù)出露。鐵錘山礦區(qū)有40余個老窿，煤層厚度一般為1 m～4 m，最厚處可達7 m，平均厚度約2.5 m，煤層平均傾角約12°，為緩傾斜礦體，埋深0 m～80 m，受褶皺影響，沿傾向及走向波狀起伏變化。

2.4.2煤巖層變化及結(jié)構(gòu)

石煤層由薄層狀石煤及黑色硅質(zhì)頁巖組成10個～30個韻律層，硅質(zhì)巖單層厚1 cm～2 cm，少數(shù)可達5 cm～8 cm，石煤層單層厚5 cm～20 cm，含煤地層荷塘組厚度變化在10 m～37 m。雖含煤地層荷塘組厚度變化不均，但石煤層的厚度變化不大，一般厚度在2 m～3 m。

石煤為塊狀與薄片狀構(gòu)造，呈黑色和黑褐色，具泥狀及不平整斷口、性脆堅硬，地表風(fēng)化后常呈淺灰白色而質(zhì)量變輕。主要結(jié)構(gòu)為泥質(zhì)隱晶結(jié)構(gòu)、泥質(zhì)結(jié)構(gòu)、粉砂泥質(zhì)結(jié)構(gòu)。

2.4.3開采現(xiàn)狀及影響

鐵錘山礦區(qū)石煤礦體呈層狀，煤層頂板圍巖為硅質(zhì)巖及硅質(zhì)頁巖，頂板巖石受構(gòu)造及開采影響存在約0.5 m偽頂，頂?shù)装鍘r層局部受斷層或褶皺影響產(chǎn)狀變化較大。該區(qū)采用空場采礦法中的全面采礦法開采，頂板管理為全部垮落法。但大多礦主在采礦時為追求經(jīng)濟效益，礦柱預(yù)留不規(guī)范，形成的采空區(qū)過大，而礦層頂板管理又跟不上，致使形成了大范圍的塌陷隱患區(qū)。礦井停采后，井口封閉又沒有封死，曾引起石煤自燃，石煤自燃又加劇了采空區(qū)的塌陷。

3 地面塌陷與變形規(guī)律的探究

地面塌陷受控于地下空間分布、水文地質(zhì)特征及構(gòu)造的影響，而塌陷的強烈程度與采空區(qū)頂板的厚度及其巖石力學(xué)性質(zhì)有關(guān)，地面塌陷是一個復(fù)雜的地質(zhì)力學(xué)和地質(zhì)體形變的過程[1,9]。鐵錘山地面塌陷是由于煤層被從賦存它的巖體中采出后，形成采空區(qū)，其圍巖的平衡狀態(tài)遭到破壞，原由煤層承受的上部荷載轉(zhuǎn)嫁于周圍巖體，圍巖在新應(yīng)力作用下，進行應(yīng)力重新分布和調(diào)整并產(chǎn)生變形，當(dāng)變形播及地表地面時，就會產(chǎn)生地面塌陷[10]。

3.1 分布特征

鐵錘山地面塌陷及變形分布受控于地下采煤巷道和煤層采空區(qū)的分布密切相關(guān)，區(qū)域地面塌陷主要分布于社山底礦段開采區(qū)的東側(cè)山脊、大平崗東側(cè)山腰和南側(cè)山腳及沙塢村一帶。

3.2 發(fā)育規(guī)律

地表變形最初為小型凹地，隨著采空區(qū)的不斷擴大，凹地逐漸擴展為凹陷盆地，此盆地即為移動盆地。鐵錘山地表的移動和變形在空間和時間上都是不連續(xù)的，即在漸變中有突變。

3.2.1裂縫

鐵錘山石煤采空區(qū)地面裂縫多與塌陷坑相伴出現(xiàn)，沿地面塌陷坑的長軸方向延伸，平行于主采巷道，與地下采空區(qū)具有連通性，主要分布于社山底東西兩側(cè)的采空區(qū)邊部及邊緣地帶；地表建筑的開裂均表現(xiàn)為正曲率變形特征，即裂隙均為上寬下窄狀，與地下采空區(qū)不相通，主要分布于沙塢采空區(qū)東部的烏龍村所在地帶，地表裂縫的形狀為楔形，地面開口大，隨深度的增大而減小，地表裂縫平行于主采巷道或采空區(qū)邊界發(fā)育。

3.2.2移動盆地

鐵錘山石煤采空區(qū)最終的地表移動盆地的范圍應(yīng)大于采空區(qū)的范圍，移動盆地的形狀與采空區(qū)是相對應(yīng)的，最終移動盆地具有下列特征：

1)整個移動盆地位于采空區(qū)的正上方，盆地的形狀與采空區(qū)形狀基本一致；

2)盆地的中間部分，地表下沉均勻一致，當(dāng)局部深厚比較小地段，也可能出現(xiàn)不連續(xù)的變形地帶；

3)盆地的內(nèi)邊緣，呈凹陷彎曲，產(chǎn)生壓縮變形，不出現(xiàn)裂縫；靠近盆地邊界的外邊緣，呈凸突彎曲，產(chǎn)生拉伸變形，當(dāng)變形超過一定抗拉承載力，地表產(chǎn)生裂縫。

3.2.3地表臺階

分布于移動盆地的邊部或局部開采深厚比較小地段。鐵錘山石煤采空區(qū)地表臺階主要分布于社山底東側(cè)及大青壟的大平崗東坡塌陷坑邊部，沿地表裂縫兩側(cè)地面出現(xiàn)錯動，形成臺階。落差一般在幾厘米到幾十厘米間，最大可達50 cm，落差的大小與裂縫的寬度成正比關(guān)系。

3.2.4塌陷坑

鐵錘山石煤采空區(qū)地表出現(xiàn)大大小小塌陷坑十余處，這主要與淺部開采的緩傾斜厚層煤有關(guān)，地表的移動和變形在空間和時間上是非連續(xù)的、漸變的，與地下采空區(qū)具有連通性，產(chǎn)生抽冒的結(jié)果。

3.3 塌陷區(qū)變形分析

鐵錘山礦區(qū)開采煤層頂板覆巖類型為中硬巖石，冒落帶高度主要取決于采出厚度或直接頂板巖石的的碎脹系數(shù)。結(jié)合《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》[11]，其變形預(yù)計根據(jù)經(jīng)驗公式計算如下[12-14]：

Umax=Wmax×bc

(1)

εmax=1.52bcWmax/r

(2)

(3)

(4)

其中，Umax為水平方向最大位移；Wmax為最大下沉量；εmax為水平方向最大變形；b為水平移動系數(shù)，按覆巖性質(zhì)取0.3，bc=b(1+0.008 6α)；r為主要影響半徑，r=Ho/tgβ=80/1.6=50，Ho為采空區(qū)最大埋深80 m；tgβ為主要影響角正切；Hm為冒落帶高度；Hi為導(dǎo)水裂隙帶高度；M為煤層采厚(含偽頂)。

類比確定有關(guān)參數(shù)及計算結(jié)果見表1。

表1 采區(qū)地表移動與變形計算結(jié)果表

根據(jù)地表移動變形計算結(jié)果(見表1)及地質(zhì)礦產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《地質(zhì)災(zāi)害危險性評估技術(shù)規(guī)范》[15]確定采礦影響程度強烈，根據(jù)地表移動變形預(yù)計及地面塌陷現(xiàn)狀，可對采空區(qū)地面塌陷進行穩(wěn)定性及危險性評價。

4 結(jié)語

1)采空區(qū)變形特征隨著煤層埋藏深度的不同而有所變化。淺部采空區(qū)的移動盆地邊界明顯，移動區(qū)較窄，但變形劇烈，裂縫發(fā)育，并經(jīng)常由裂縫發(fā)展為階梯狀錯落臺階，隨著煤層埋藏深度的加大，移動盆地相對于采空區(qū)范圍逐漸擴大，移動區(qū)寬度也相應(yīng)加大，移動區(qū)坡度變緩，自移動盆地中心向盆地邊緣逐漸過渡。

2)鐵錘山石煤采空區(qū)地面塌陷現(xiàn)狀與變形的理論預(yù)計是基本吻合，區(qū)內(nèi)采礦影響程度強烈，采空區(qū)影響范圍內(nèi)發(fā)生塌陷的可能性大，基于地面變形和移動的理論計算，且可以處理采空區(qū)塌陷后對地面變形問題。

3)利用移動盆地變形理論，對石煤采空區(qū)地面塌陷的變形規(guī)律、影響因素進行了有效性評述；將鐵錘山地面塌陷影響區(qū)劃分為危險性大區(qū)0.07 km2，危險性中等區(qū)0.57 km2。

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