鐘家山煤礦區(qū)采煤沉陷發(fā)育特征及發(fā)展趨勢分析

徐 超， 胡秋祥， 石 磊， 徐衛(wèi)東

(1.東華理工大學(xué)水資源與環(huán)境工程學(xué)院，南昌 330013；2.江西省煤田地質(zhì)勘察研究院，南昌 330001)

0 引言

經(jīng)濟的發(fā)展需要大量的礦產(chǎn)資源作為支撐，尤其是煤炭資源，作為我國主要的能源，需求量是十分巨大的，全國85%的電力都是依賴煤炭發(fā)電的，此外作為化工原料還主要用于冶金、建材、化工等方面，煤炭資源在國民經(jīng)濟中扮演著十分重要的角色。然而地下煤炭開采后形成了大面積的地下采空區(qū)，造成地表出現(xiàn)塌陷坑、房屋開裂、農(nóng)田下沉無法耕種等現(xiàn)象[1]，嚴(yán)重影響和制約當(dāng)?shù)氐纳a(chǎn)、生活和經(jīng)濟發(fā)展[2-4]。

1 礦區(qū)概況

1.1 自然地理環(huán)境

鐘家山煤礦區(qū)位于樂平市南東13km，區(qū)內(nèi)為起伏不平的丘陵地形，最低標(biāo)高18m，最高標(biāo)高75.5m，最大相對高差57.5m。區(qū)內(nèi)地表水系較發(fā)育，最大的河流為樂安江，歷史最高洪水位29.67m，最低枯水位17.92m。歷年最大流量5 320m3/s，最小流量9.45 m3/s。區(qū)內(nèi)氣候?qū)贉嘏睗裥?，降水豐富，年最大降雨量1 914mm，年最小降雨量1 551mm，年最大蒸發(fā)量1 289mm，年最小蒸發(fā)量1 150mm，4～7月份為雨季，常降暴雨引起山洪暴發(fā)。

1.2 地質(zhì)

根據(jù)鉆孔揭露情況，區(qū)內(nèi)發(fā)育地層由新到老有：第四系(Q)、侏羅系下統(tǒng)門口山組(J1m)及二疊系上統(tǒng)樂平組(P3l)。

礦區(qū)位于竹山里-橋頭丘向斜的東北端，主體構(gòu)造走向呈北東向展布，區(qū)內(nèi)發(fā)育次一級褶曲，斷裂發(fā)育并有巖漿巖侵入。

1.3 煤層

二疊系上統(tǒng)樂平組老山段是本區(qū)主要含煤地層，其保有平均厚度約125m，老山段共含煤五層即B2、B3、B4、B5及B6煤層，平均總厚約4.30m。其中以B2與B3煤層為主采煤層，煤層產(chǎn)狀變化較大，傾角從20°～48°，平均約為35°。煤層頂板巖性以泥巖、頁巖為主，為易冒落至中等冒落頂板。

表1 礦區(qū)各煤層厚度變化及層間距表Table 1 Mine area coal seam thickness variations and seam intervals

1.4 開采概況

本區(qū)煤礦開采歷史悠久，自清末期間就有當(dāng)?shù)剞r(nóng)民進行開采，區(qū)內(nèi)老窯密布，河西老窯主要分布在茶亭至鐘家社區(qū)以及竹家?guī)X西北區(qū)域；河?xùn)|老窯主要集中在竹山里至小院前一帶的區(qū)域內(nèi)，據(jù)老窯調(diào)查資料顯示，垂深70m以上煤層均遭破壞。

自1955年起，鐘家山煤礦開始進行正規(guī)開采，其開采歷經(jīng)鐘家山煤礦(河西)、鐘家山煤礦(河?xùn)|)和河西斜井煤礦三個階段，采煤方法均為走向長壁后退式、冒落法管理頂板，頂板支護采用雜木架廂支護。

根據(jù)表2，礦區(qū)采深大小范圍為10～300m，傾角29°～41°，采厚0.85～4.30m，采深、傾角、采厚變化均比較大。

鐘家山煤礦區(qū)經(jīng)過數(shù)十年的開采，井下的資源儲量基本開采完畢，已形成自東竹山里經(jīng)樂安江河下至河西鐘家山地下大片采空區(qū)。

表2 礦區(qū)各階段開采情況表Table 2 Mine area staged mining situations

2 采煤沉陷形成機理及影響因素

2.1 采煤沉陷形成機理

煤層開采后，采空區(qū)主要依靠洞壁和保安煤柱維持圍巖穩(wěn)定，但由于在巖體內(nèi)部形成一個空洞，使其天然應(yīng)力平衡狀態(tài)受到破壞，產(chǎn)生局部的應(yīng)力集中。當(dāng)采空區(qū)面積較大、圍巖強度不足以抵抗上覆巖土體重力時，頂板巖層內(nèi)部形成的拉張應(yīng)力超過巖層抗拉度極限時產(chǎn)生向下的彎曲和移動，進而發(fā)生斷裂、破碎并相繼冒落，隨著采掘工作面的向前推進，受影響的巖層范圍不斷擴大，采空區(qū)頂板在應(yīng)力作用下不斷發(fā)生變形、破裂、位移和冒落，自下而上出現(xiàn)冒落帶、裂隙帶和下沉帶，結(jié)果在地表形成塌陷盆地。

2.2 地表沉陷規(guī)律及影響因素分析

地表沉陷即地表移動變形，是指采空區(qū)面積擴大到一定范圍后，巖層移動發(fā)展到地表，使地表產(chǎn)生移動和變形。

地表沉陷規(guī)律[2]是指地下開采引起的地表移動和變形的大小、空間分布形態(tài)，及其與地質(zhì)采礦條件的關(guān)系。

當(dāng)采深和采厚的比值較大時，地表的移動和變形在空間和時間上是連續(xù)的、漸變的，具有明顯的規(guī)律性。當(dāng)采深和采厚的比值較小或具有較大的地質(zhì)構(gòu)造時，地表的移動和變形在空間和時間上將是不連續(xù)的，移動和變形的分布沒有嚴(yán)格的規(guī)律性，地表可能出現(xiàn)較大的裂縫或沉陷坑。

地表沉陷的影響因素眾多，主要因素有：煤層埋藏深度、煤層開采厚度、煤層上覆巖性結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造以及地表地形特征等因素[2-7]。

(1)煤層埋藏深度：礦區(qū)煤層埋藏深度為10～300m，在煤層埋藏較淺的部位，采動對地面的影響大，反之則小。

(2)煤層開采厚度：礦區(qū)開采煤層最小厚度為0.85m，最大厚度為4.30m，在煤層厚度較小處，開采后地表變形值相應(yīng)要小，反之則大。

(3)煤層上覆巖性結(jié)構(gòu)：區(qū)內(nèi)煤層上覆巖性結(jié)構(gòu)主要由頁巖、砂質(zhì)頁巖組成，總體來說，煤層上覆巖層比較堅硬，這對地面建筑物的保護有利。

(4)地質(zhì)構(gòu)造：區(qū)內(nèi)斷層等地質(zhì)構(gòu)造相對發(fā)育地段，煤層采動后對地表變形影響較大。

(5)地表地形特征：區(qū)內(nèi)地形總體比較平緩，沒有大的山體，不會因采動引起山體滑移致使地表移動變形加劇。

3 采煤沉陷特征

3.1 采煤沉陷類型

區(qū)內(nèi)采煤沉陷比較發(fā)育，截至2017年12月，采煤沉陷在地表破壞形式主要有地面塌陷坑、裂縫(包括地面裂縫和房屋等建筑物裂縫)、沉陷洼地等3種類型，尤以地面塌陷坑最為直觀、破壞性最大。地面塌陷坑特征見表3。

表3 礦區(qū)地面塌陷坑特征Table 3 Mine area surface sinkhole characteristics

3.2 采煤沉陷分布特征

區(qū)內(nèi)采煤沉陷發(fā)生時間相對集中，主要發(fā)生于1960年代初期、1980年代中后期及1990年代初期三個集中期，與區(qū)內(nèi)采煤活動發(fā)生時間相吻合。采煤沉陷災(zāi)害分布見圖1。

1960年代初期，采煤沉陷主要發(fā)生于鐘家山煤礦(河西)礦區(qū)范圍內(nèi)，這期間采煤沉陷的表現(xiàn)形式主要為裂縫和沉陷洼地。北部煤層埋藏較淺地表變形嚴(yán)重，南部煤層埋藏較深地表變形輕微。如資料記載的1961年8月對某工作面進行開采后，僅相距4個月左右的時間，至1961年12月就開始出現(xiàn)地面沉陷現(xiàn)象。礦區(qū)北部地表出現(xiàn)地面沉陷，面積為15 000m2，東西寬100m，南北長為150m，呈橢圓形盆地，由采空區(qū)邊緣到最外裂縫之間為破壞帶，其寬度為28～31m，破壞帶由7條主要大裂縫圍繞下沉中心構(gòu)成20°交角互成X型破裂帶，而表土層裂縫實測傾角為90°，深部情況不明，其沉陷寬度37～50m，共經(jīng)歷25個月才穩(wěn)定下來。南部由于地質(zhì)條件(煤層埋藏深)的改變，沉陷輕微，曾發(fā)現(xiàn)呈85°角的裂縫，下沉最大深度為0.675 5m。

1980年代中后期采煤沉陷主要發(fā)生于鐘家山煤礦(河?xùn)|)礦區(qū)范圍內(nèi)，這期間采煤沉陷的表現(xiàn)形式主要為地面塌陷坑和房屋開裂，且都分布在采空區(qū)對應(yīng)的地表區(qū)域。鐘家山煤礦(河?xùn)|)礦區(qū)范圍內(nèi)的桃園村、西橋村等曾于1985—1987年先后出現(xiàn)多處地面塌陷坑和房屋開裂現(xiàn)象。

1990年代初期采煤沉陷現(xiàn)象在河西和河?xùn)|均有發(fā)生，且以地面塌陷坑為主。這一時期鐘家山煤礦已經(jīng)基本處于停產(chǎn)關(guān)停狀態(tài)，而私人無證小煤窯極度盛行，無序開采保安煤柱和淺層煤層，遺留了大量的廢棄巷道、井筒及采坑等，為地面塌陷坑的形成提供了條件。如1990年發(fā)生于河西鐘家村的地面塌陷坑就位于廢棄巷道正上方；1995年發(fā)生于小院前的塌陷坑就是廢棄采坑引起的。

2014年至2017年期間，鐘家村茶亭組西南側(cè)的農(nóng)田內(nèi)陸續(xù)發(fā)生6處塌陷，塌陷坑分布位置大致呈南北向展布，平面形態(tài)均呈近圓形，直徑最大者達5m，最小者近2m，坑深最大達10m，目前陷坑多已充水。在塌陷坑旁發(fā)現(xiàn)廢棄的井筒，經(jīng)訪問當(dāng)?shù)卮迕瘢说卦兴饺诵∶焊G于1990年代期間進行過短暫采煤活動，后因整改而關(guān)閉。分析主要原因為該區(qū)域地下存在廢棄巷道，并且未進行過充填，歷經(jīng)數(shù)年的地質(zhì)環(huán)境變化，巷道頂部冒落裂隙帶溝通第四系含水層，引起地下水位的變動，不斷對第四系松散層(黏土、砂礫石)進行沖刷、淘蝕，進而導(dǎo)致地面塌陷。

圖1 采煤沉陷災(zāi)害分布圖Figure 1 Coal mining subsidence hazard distribution

3.3 采煤沉陷發(fā)育特征分析

區(qū)內(nèi)采煤活動引起的地面沉陷具有明顯的差異性，以下三個區(qū)域內(nèi)采煤沉陷災(zāi)害尤為發(fā)育。

(1)在采空區(qū)及巷道分布的區(qū)域，對應(yīng)的地表采煤沉陷災(zāi)害(地面塌陷、裂縫、地面下沉)發(fā)育程度強、規(guī)模也往往較大；

(2)在煤層埋藏淺、開采厚度大的區(qū)域，采煤沉陷災(zāi)害發(fā)育；

(3)在老窯密布區(qū)，由于無序開采、全頂板冒落，采煤沉陷災(zāi)害發(fā)育。

4 采煤沉陷發(fā)展趨勢

2017年5月，通過對鐘家山煤礦區(qū)及礦區(qū)外圍進行訪問和實地調(diào)查核實后，對區(qū)內(nèi)采煤沉陷發(fā)展趨勢有如下認(rèn)識：

(1)采煤沉陷區(qū)基本穩(wěn)定。采煤沉陷區(qū)已基本無沉陷跡象，開裂的老房子也已基本拆掉重建。曾發(fā)生過地面塌陷的區(qū)域(如浯口鎮(zhèn)桃園村下港組以東至原鐘家山煤礦(河?xùn)|)礦部)如今也已經(jīng)新建大量樓房，均未發(fā)現(xiàn)房屋開裂現(xiàn)象。原沉陷的農(nóng)田也已與周圍環(huán)境基本一致，能正常耕種。

(2)老窯區(qū)仍存在地面塌陷隱患。接渡鎮(zhèn)鐘家村茶亭組西南側(cè)區(qū)域內(nèi)(區(qū)內(nèi)曾一度盛行偷采濫采的私人小煤窯)在最近五年內(nèi)仍有地面塌陷的發(fā)生，將來老窯采空區(qū)發(fā)生地面塌陷的可能性高。

5 結(jié)語

(1)區(qū)內(nèi)采煤沉陷發(fā)生時間與采煤活動一致，始發(fā)于20世紀(jì)60年代初期，盛發(fā)于80年代中后期，20世紀(jì)90年代中后期趨于減弱。

(2)采煤沉陷表現(xiàn)形式以裂縫、塌陷坑為主，主要發(fā)育于采空區(qū)、巷道及老窯分布區(qū)域。

(3)區(qū)內(nèi)采煤引起的沉陷變形已基本趨于穩(wěn)定，局部老窯采空區(qū)仍需加強防范地面塌陷隱患。