采煤沉陷區(qū)地面塌陷原因及塌陷坑附近房屋居住安全分析

劉 貴

(1.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京 100013； 2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

地面塌陷是指上覆巖層發(fā)生破壞，巖土體下陷或塌落在地下空洞中，在地表形成不同形態(tài)的塌坑。地面塌陷是地下礦產(chǎn)采空區(qū)或喀斯特區(qū)常見的一種地質(zhì)災(zāi)害，據(jù)調(diào)查我國東北、西北、華北以及南方諸省均分布有地面塌陷，南方地區(qū)的喀斯特塌陷最多，而北方地區(qū)則以礦產(chǎn)開發(fā)引起的地面塌陷為主[1]。在多年開采的煤礦區(qū)，特別是經(jīng)歷過小煤礦開采的老礦區(qū)，在非采動(dòng)時(shí)期也往往會(huì)出現(xiàn)地面突然塌陷的情況，嚴(yán)重影響居民的生命財(cái)產(chǎn)安全。

2011年8月24日15時(shí)左右，在北方某城市南環(huán)路南側(cè)液化氣站西墻外發(fā)生地面塌陷事件，致使停在地面的兩臺(tái)挖掘機(jī)沉落塌陷坑內(nèi)，造成挖掘機(jī)損壞。而塌陷坑的位置距離最新的居民房屋僅約15m，對當(dāng)?shù)鼐用癞a(chǎn)生嚴(yán)重心理影響。本文根據(jù)此區(qū)域煤層賦存、煤礦開采歷史、自然條件等進(jìn)行分析，深入研究該地區(qū)導(dǎo)致地面塌陷的影響因素并對附近房屋的安全現(xiàn)狀進(jìn)行分析，以便及時(shí)采取有效措施，保證居民生命財(cái)產(chǎn)安全。

1 塌陷概況

經(jīng)現(xiàn)場踏勘，在南環(huán)路南側(cè)液化氣站西墻兩側(cè)有兩處塌陷坑，其中液化氣站西墻內(nèi)塌陷坑發(fā)生在2011年8月19日，因其在墻內(nèi)，外界不太了解，社會(huì)影響不大，沒有造成財(cái)產(chǎn)損失。2011年8月24日在液化氣站西墻外再次發(fā)生地表塌陷事件，致使停在地面的兩臺(tái)挖掘機(jī)沉落塌陷坑內(nèi)，造成財(cái)產(chǎn)損失。塌陷坑緊鄰液化氣站西墻，中心距南墻約8m，塌陷坑為橢圓形，東西直徑約10m，南北直徑約6m。

2 塌陷坑周邊煤礦開采情況

2.1 塌陷區(qū)域下部煤層地質(zhì)情況

該處地表標(biāo)高為+487m，地表向下地層分別為第四系沖擊土層，厚度約10m，依次賦存二疊系、石炭系主含煤地層，含一、二、三、四、五、六、七煤層。其中二、三、四、六、七煤層均為可采煤層。一至二煤層間巖層約20m，二至三煤層間巖層厚度約20m，三至四煤層間巖層約50m。二煤層平均厚度約2m，三、四煤層較厚，三煤層厚平均4.2m，直接頂為粘土質(zhì)細(xì)砂巖，厚2.0～4.0m，老頂為粗中粒長石砂巖，較難冒落，遇水易膨脹。四煤層為厚復(fù)合煤層，四煤層平均厚度在5.0～11.0m，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，含夾石2～4層，最大厚度1.2m，最小厚度0.3m。該區(qū)域煤層基本走向N60°W，傾向SW，平均傾角在30°左右，四層煤的直接頂為粘土質(zhì)細(xì)砂巖，厚2.0～4.0m，老頂為粗中粒長石砂巖，較難冒落。底板為含根莖化石的砂質(zhì)粘土巖，厚度2.0m左右。

2.2 某公司一號(hào)井2444面地質(zhì)采礦條件

2011年此區(qū)域是第三次開采，2444工作面運(yùn)輸巷標(biāo)高+380m，回風(fēng)巷標(biāo)高+396m，采面西邊界距塌陷坑水平距離40m，高差91m，于2011年8月20日構(gòu)成回采條件，采用“巷柱式采煤方法”進(jìn)行回采，全部垮落法管理頂板，爆破采煤工藝，掘巷均采用鉆爆法掘進(jìn)方式。該采區(qū)四煤層是復(fù)合型之厚煤層，原始煤層厚度在8～10m之間，含多層夾層，粘土巖、煤質(zhì)頁巖、煤交互成層，以底夾石為最厚在0.6～2.5m之間；走向東南—西北，傾向西南，煤層傾角在20°～35°之間，煤巖類型為亮型～半亮型，煤種為貧煤，現(xiàn)復(fù)采剩余煤量，平均厚度約4.0m。2444工作面位置及井上下對照如圖1所示。

圖1 井上下平面對照示意圖

2.3 附近其他主要小煤礦情況

塌陷坑附近主要的小煤礦有老廠子村4號(hào)井，開采四煤層；老廠子村7號(hào)井開采四煤層；老廠子村6號(hào)井開采二煤層；老廠子村李某井，開采二煤層。其中老廠子村4號(hào)井，6號(hào)井，7號(hào)井的批準(zhǔn)開采范圍見圖1，分3塊，共由14個(gè)角點(diǎn)組成，此區(qū)域四煤的平均厚度約4.0m，煤層傾角平均為30°，平均采深約90m；老廠子村李某井的批準(zhǔn)開采范圍見圖1，由12個(gè)角點(diǎn)組成，此區(qū)域二煤的平均厚度約2m，煤層傾角平均約20°，平均采深約80m。

2.4 塌陷區(qū)域煤層歷史開采情況

20世紀(jì)80年代以前國有大礦曾對該區(qū)域二、三、四層煤進(jìn)行過初次回采；80年代中期至近年來，還曾有十余個(gè)地方煤礦及多個(gè)私挖小窯在該區(qū)域下部各煤層進(jìn)行過開采，其中在該塌陷區(qū)正下部進(jìn)行回采過的小煤礦主要有：老廠子村4號(hào)井，老廠子村7號(hào)井，老廠子村6號(hào)井，老廠子村李某井，這些井都曾多次越界開采至液化氣站下方，液化氣站及周圍曾出現(xiàn)過多次地表塌陷坑，據(jù)1998年7月12日《小煤礦破壞情況調(diào)查》記載：由于老廠子村4號(hào)井越界開采，造成液化氣站出現(xiàn)4個(gè)塌陷坑、圍墻斷裂、主灌區(qū)基礎(chǔ)下沉。1998年至今，又相繼出現(xiàn)過多個(gè)塌陷坑。

2.5 塌陷區(qū)西側(cè)居民房屋情況

現(xiàn)場對塌陷坑西側(cè)南環(huán)路居民房屋進(jìn)行了查看，登記，總共13個(gè)宅基，建成房屋居住有10戶，其中最靠近塌陷坑房屋，在塌陷坑北邊距離約15m。房屋建設(shè)時(shí)間基本在2009—2010年間，多為2層樓房。平面位置如圖1所示。

3 地面塌陷坑原因分析

由地質(zhì)采礦條件可知，本區(qū)域地下可采煤層較多，可采煤層有二、三、四、六、七共5層煤，塌陷坑地表接近煤層露頭區(qū)域，各煤層埋深均比較淺，其中二煤層埋深最淺，平均只有幾十米，三、四煤層較厚，三層煤厚平均4.2m，四煤層厚度為5.0～11.0m，最淺埋深約100m，且煤層傾角較大，平均傾角約30°。由實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)知，當(dāng)采深與采厚的比值小于30時(shí)[2，3]，地表有可能出現(xiàn)較大的裂縫或塌陷坑，傾角大的煤層更易出現(xiàn)抽冒塌陷坑的情況[4-7]。該區(qū)域煤層開采累計(jì)采深采厚比遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于30，故在本區(qū)域進(jìn)行地下開采地表較易出現(xiàn)塌陷坑。

采煤方法對地表沉陷充分性影響較大，一般情況采用現(xiàn)代化的長壁工作面開采，由于工作面尺寸大，中間沒有煤柱支撐，采用全部垮落法管理頂板后，上覆巖層垮落比較充分，隨著煤層開采的推進(jìn)，地表下沉也比較充分，待地表移動(dòng)穩(wěn)定后，其地表殘余移動(dòng)與變形較小。如果采用部分開采方法，如房柱式開采或刀柱式開采，都是采用留設(shè)煤柱支撐管理頂板，此時(shí)采空區(qū)遺留較多的殘留煤柱，老采空區(qū)上覆巖層一般垮落不充分，并且一般情況下，小煤礦開采殘留煤柱的長期穩(wěn)定性得不到保證，一旦煤柱失穩(wěn)，后期地表殘余移動(dòng)與變形就比較大，如果再有外力的作用，將促進(jìn)老采空區(qū)的活化。

地表殘余移動(dòng)與變形是相對于正常的地表移動(dòng)與變形而言的，一般而言正常的地表移動(dòng)與變形認(rèn)定標(biāo)準(zhǔn)為[8，9]：當(dāng)?shù)乇碜畲笙鲁咙c(diǎn)的下沉值達(dá)到10mm時(shí)，即認(rèn)為地表移動(dòng)開始，六個(gè)月內(nèi)地表下沉的累計(jì)值不超過30mm時(shí)，即認(rèn)為地表移動(dòng)基本結(jié)束。正常的地表移動(dòng)結(jié)束后，地表還會(huì)有殘余地表移動(dòng)與變形，這是由于老采空區(qū)雖然經(jīng)過了長時(shí)間的自然壓實(shí)，但開采后形成的采空區(qū)、巖體中的離層、裂縫帶和冒落帶巖塊的未充分壓密、孔隙中飽水等現(xiàn)象仍將長期存在[10-12]。在受到自然力(如地震)或外力(如在臨近煤柱開采等)擾動(dòng)時(shí)，仍有可能使上覆巖層再次產(chǎn)生壓縮和下沉，導(dǎo)致地面出現(xiàn)新的移動(dòng)和變形，對地面建筑物安全構(gòu)成影響。

由歷史開采情況可知，80年代以前國有大礦曾對該塌陷區(qū)域二、三、四層煤進(jìn)行過初次回采，采用的采煤方法均為刀柱式開采；80年代中期至近年來，還曾有十余個(gè)地方煤礦及多個(gè)私挖小窯在該區(qū)域下部各煤層進(jìn)行過開采，復(fù)采次數(shù)較多，小煤窯開采的特點(diǎn)多是哪有好煤往哪挖，采空區(qū)內(nèi)留設(shè)的小煤柱支撐，上覆巖層的垮落不會(huì)充分，且采用的多為炮采工藝，開采不夠規(guī)范。此區(qū)域老采空區(qū)由于留設(shè)窄小煤柱較多，且復(fù)采次數(shù)較多，上覆巖層間的平衡是一種不穩(wěn)定平衡，一旦有外界作用力就會(huì)導(dǎo)致失去平衡，重新運(yùn)動(dòng)，達(dá)成新的平衡，這時(shí)表現(xiàn)在地表上就會(huì)有新的地表移動(dòng)與變形。

根據(jù)提供資料可知，近期沒有小煤窯在此區(qū)域私挖亂采，排除了小煤礦開采導(dǎo)致地表塌陷的可能。某公司一號(hào)井2444工作面于2011年8月20日按留設(shè)保護(hù)煤柱規(guī)定掘進(jìn)到位，構(gòu)成回采條件，采用巷柱式采煤方法由西向東進(jìn)行后退式回采，塌陷事件發(fā)生在2011年8月19日和24日，從時(shí)間上分析沉陷傳遞不到地表，從理論上分析即使出現(xiàn)塌陷也應(yīng)在采區(qū)正上方稍偏向上山方向，不會(huì)向西偏移出40余米，但由于2444工作面采用爆破采煤工藝，掘巷也均采用鉆爆法掘進(jìn)方式，放炮震動(dòng)對采空區(qū)活化起到外力擾動(dòng)的作用，并且距離較近，故2444工作面準(zhǔn)備巷道掘進(jìn)和工作面開采的放炮作業(yè)是本次塌陷事件的影響因素之一。另外由于該區(qū)域開采煤層較淺，地表裂縫多，之前也出現(xiàn)過塌陷坑，雨水會(huì)沿地表裂縫流入老采空區(qū)，在雨水的浸泡下，有加速窄小煤柱失穩(wěn)或上覆巖層平衡被打破的趨勢，并且2011年降雨量較大，8月又適逢雨季，更有利于地表塌陷坑的的發(fā)生。綜上所述，液化氣站西墻兩側(cè)出現(xiàn)塌陷坑的主要原因如下：

1)煤層賦存條件。①煤層傾角：該區(qū)域賦存煤層屬傾斜煤層，局部屬急傾斜煤層，傾角較大，由地表移動(dòng)與破壞形式可知，回采該類煤層具有產(chǎn)生抽冒塌陷坑的基本條件；②采厚：該區(qū)域主采煤層，三、四號(hào)煤層，屬于厚及特厚煤層，三層煤厚平均4.2m，四層煤厚度為5.0～11.0m，易導(dǎo)致地表非連續(xù)變形的出現(xiàn)；③采深：塌陷坑地表接近煤層露頭區(qū)域，各煤層埋深均比較淺，其中二煤層埋深最淺，平均只有幾十米。

2)重復(fù)采動(dòng)。該區(qū)域復(fù)采次數(shù)較多，且多采用刀柱式開采，為窄小煤柱失穩(wěn)和上覆巖層不穩(wěn)定平衡提供了條件。根據(jù)資料知，80年代以前國有大礦曾對該區(qū)域二、三、四煤層進(jìn)行過初次回采，80年代中期至近年來，還曾有十余個(gè)地方煤礦及多個(gè)私挖小窯在該區(qū)域下部各煤層進(jìn)行過開采。

3)殘留煤柱長期穩(wěn)定性。小煤礦開采，殘留煤柱基本不滿足長期穩(wěn)定的要求，上覆巖層間的平衡是一種不穩(wěn)定平衡，隨著時(shí)間的推移及外力擾動(dòng)，煤柱失穩(wěn)會(huì)導(dǎo)致失去平衡，重新運(yùn)動(dòng)，達(dá)成新的平衡，地表上就會(huì)有新的地表移動(dòng)與變形，導(dǎo)致地表出現(xiàn)塌陷坑的可能。

4)放炮震動(dòng)。從本次塌陷事件發(fā)生的時(shí)間看，某公司一號(hào)井2444工作面準(zhǔn)備巷道掘進(jìn)和工作面回采的放炮作業(yè)是塌陷事件發(fā)生的誘因之一，因?yàn)榉排谡饎?dòng)明顯地對采空區(qū)活化起到外力擾動(dòng)的作用。

5)大氣降水。大氣降水是塌陷事件發(fā)生另一個(gè)誘因，由于本區(qū)域開采煤層較淺，地表裂縫多，雨水會(huì)沿地表裂縫流入老采空區(qū)，在雨水的浸泡下，有加速窄小煤柱失穩(wěn)或上覆巖層平衡被打破的趨勢，且2011年降雨量較大，8月又處于雨季，為地表塌陷坑的發(fā)生創(chuàng)造了有利條件。

4 塌陷坑西側(cè)民房損壞情況及居住安全性

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，塌陷坑西側(cè)居民房屋損壞情況較輕，均在Ⅰ級(jí)損壞范圍內(nèi)。根據(jù)地表移動(dòng)變形計(jì)算及結(jié)果可知，老廠子村4號(hào)井，6號(hào)井，7號(hào)井在其批準(zhǔn)范圍開采，影響范圍接近液化氣站西側(cè)塌陷坑，南環(huán)路南側(cè)居民房屋均在其沉陷影響范圍內(nèi)；老廠子村李某井按其批準(zhǔn)范圍開采，對塌陷坑發(fā)生地?zé)o影響，南環(huán)路南側(cè)居民西邊約5戶在其沉陷影響范圍內(nèi)；某公司一號(hào)井2444工作面開采，塌陷坑所在地在其沉陷影響范圍西邊緣內(nèi)側(cè)，對南環(huán)路南側(cè)居民房屋影響較小。井上下位置如圖2所示。

圖2 A-A’剖面示意圖

由于老廠子村4號(hào)井，6號(hào)井，7號(hào)井和李志才井已禁止開采，以前開采，距離現(xiàn)在時(shí)間較長，在不出現(xiàn)能影響到居民房屋的地下采礦活動(dòng)的情況下，其地表的殘余移動(dòng)與變形較小，對地面房屋影響較小，2444工作面開采對區(qū)域靠東邊房屋有影響，但影響較小，從地表連續(xù)變形的角度看，房屋會(huì)有損壞，但損壞過程是連續(xù)的過程，不會(huì)突然倒塌，居住安全是可以控制的。

但由于本區(qū)域采礦地質(zhì)條件，歷史開采情況，大氣降雨，自然力或外力作用等因素，不能排除地表再次出現(xiàn)塌陷坑等非連續(xù)變形的可能。所以有關(guān)部門應(yīng)對本區(qū)域地質(zhì)條件進(jìn)行進(jìn)一步的探測，在探測的基礎(chǔ)上提出合理的方案進(jìn)行治理，或采取集體搬遷等措施，以保證本區(qū)域居民生命財(cái)產(chǎn)安全。

5 結(jié) 論

1)本次地面塌陷坑的出現(xiàn)原因是多方面的。首先，煤層賦存條件是前提，煤層傾角較大，采深采厚比較小，可采或局部可采煤層較多；其次，開采方式是主因，國有大礦與小煤礦刀柱式開采，為窄煤柱失穩(wěn)和上覆巖層不穩(wěn)定平衡提供了條件；最后，2444工作面巷道掘進(jìn)和回采的放炮作業(yè)與大氣降水是誘因，放炮震動(dòng)與雨水浸泡導(dǎo)致窄小煤柱失穩(wěn)或上覆巖層平衡被打破，最終導(dǎo)致地面塌陷坑的出現(xiàn)。

2)對塌陷坑西側(cè)居民房屋損壞及居住安全進(jìn)行了分析，2444工作面開采會(huì)對靠東邊房屋有影響，但影響較小，另外老采空區(qū)地表殘余變形，若是連續(xù)變形，量值較小，居住安全是可以控制的。但由于文中分析的種種因素，不能排除地表再次出現(xiàn)塌陷坑等非連續(xù)變形的可能。有關(guān)部門應(yīng)對本區(qū)域地質(zhì)條件進(jìn)行進(jìn)一步的勘探，并提出合理的處置方案。