咸陽彬長礦區(qū)采空地面塌陷發(fā)育特征及其形成條件

侯小峰，趙秋鵬，劉博濤

（中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心陜西總隊(duì)，陜西 西安 710003）

彬長礦區(qū)位于陜西省北部的長武、彬縣二縣境內(nèi)，礦區(qū)面積約670km2，可采資源量達(dá)69 億噸。在地貌單元上處于渭北黃土高塬溝壑區(qū)，塬區(qū)黃土蓋層厚度多在250m 左右，但周邊溝壑密集，溝坡陡峻，相對高差達(dá)200m 左右。然而礦區(qū)黃土覆蓋層厚，山地丘陵密集，黃土本身的特性，如濕陷性、大空隙、垂直節(jié)理發(fā)育、力學(xué)強(qiáng)度較低等，造成了這些地區(qū)地面塌陷的特殊性。破壞土地資源，水土流失嚴(yán)重，上訪等現(xiàn)象增多，加劇了社會(huì)矛盾，給當(dāng)?shù)厝嗣竦纳顜砹藝?yán)重的影響。

本文對彬長礦區(qū)因開采導(dǎo)致的地面塌陷進(jìn)行了現(xiàn)場調(diào)查，明確了主要采空區(qū)地面塌陷分布的范圍、對人們生產(chǎn)生活的影響、發(fā)育類型以及影響地面塌陷的因素[1]。

1 區(qū)域地質(zhì)環(huán)境

1.1 地形地貌

彬長礦區(qū)屬陜北黃土高原與隴東黃土高原結(jié)合部的塬梁溝壑區(qū)，基本地貌有河谷階地、黃土塬和黃土梁峁三種。涇河河谷高程+850m ～+870m，塬面高程+1050m ～+1320m，地形相對高差200m，為殘塬梁峁地貌。

1.2 氣象水文

屬典型的暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫11.1℃，年平均降水量538.2mm。

區(qū)內(nèi)水系以涇河為主干，有數(shù)條支流分南北呈羽狀匯入。

1.3 地層巖性

彬長礦區(qū)自東南向西北沿涇河及支流由老到新依次出露有中生界三迭系中、上統(tǒng)，侏羅系中、下統(tǒng)，白堊系下統(tǒng)地層。新生界新近系及第四系覆蓋其上。

彬長礦區(qū)的采礦層為延安組，共8 層，有對比意義和開采價(jià)值的5 層，自上而下編號(hào)為1、2、3、4上、4 層，分別含于三個(gè)礦層中：上礦層1、2、3 層，中礦層4上層，下礦層4 層。l、2、3、4上層為局部可采礦層，4 層為全區(qū)可采礦層。

1.4 地質(zhì)構(gòu)造

彬長礦區(qū)位于太峪背斜以北，地表大面積黃土復(fù)蓋，溝谷出露的白堊系地層產(chǎn)狀平緩，其深部侏羅系隱伏構(gòu)造據(jù)鉆探工程揭露，為一走向N50°～70°E，傾向NW ～NNW 向的單斜構(gòu)造。

1.5 水文地質(zhì)條件

彬長礦區(qū)地下水含水層從上之下依次為第四系孔隙潛水含水層、新近系孔隙、裂隙承壓水含水層、白堊系層狀裂隙承壓水含水層、侏羅系層狀裂隙承壓水含水層，第四系孔隙潛水含水層可分為河谷區(qū)小型潛水（Q4）和梁塬區(qū)黃土層潛水（Q1+2+3），侏羅系層狀裂隙承壓水含水層可分為安定、直羅組層狀裂隙承壓水含水層和延安組層狀裂隙承壓水含水層。

2 地面塌陷特征及分布規(guī)律

2.1 變形特征

彬長礦區(qū)開采至今，發(fā)育地面塌陷數(shù)十處之多，塌陷范圍內(nèi)的房屋、土地、道路、水窖都遭到了不同程度的損害[2]。

彬長礦區(qū)采礦層厚度變化大、全區(qū)主采層4 號(hào)礦層厚0.1m ～43.8m，平均10.6m。礦層結(jié)構(gòu)簡單，含夾矸1 ～2 層。埋深大，最深達(dá)700 多米。礦區(qū)構(gòu)造簡單，無大的斷裂構(gòu)造。因此對主采層采用綜放開采，垮落法管理頂板。采空區(qū)直接頂板巖層在自重力及其上覆巖層的作用下，產(chǎn)生向下的移動(dòng)和彎曲，當(dāng)其內(nèi)部拉應(yīng)力超過巖層的抗拉強(qiáng)度極限時(shí)，直接頂板首先斷裂、破碎、相繼冒落，而老頂巖層則以梁或懸臂梁彎曲的形式沿層理面法線方向移動(dòng)、彎曲，進(jìn)而產(chǎn)生斷裂、離層。隨著工作面的向前推進(jìn)，受采動(dòng)影響的巖層范圍不斷擴(kuò)大。當(dāng)回采工作面推進(jìn)一定距離時(shí)，開采影響波及到地表，地表開始下沉，但下沉的速度和幅度不同，從而形成地表沉降盆地，在盆地中心產(chǎn)生壓應(yīng)力，沉降速度及幅度均較大，邊緣產(chǎn)生張應(yīng)力（外邊緣區(qū)）或壓應(yīng)力（內(nèi)邊緣區(qū)）。內(nèi)邊緣區(qū)地表下沉不均勻，向盆地中心傾斜，呈凹形，產(chǎn)生壓縮變形，地表受擠壓，無裂縫形成的條件。而外邊緣區(qū)，地表下沉亦不均勻，向盆地中心傾斜，但呈凸形，產(chǎn)生張應(yīng)力，有形成張性裂縫的條件。當(dāng)采動(dòng)拉應(yīng)力超過地表巖土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，地表就會(huì)出現(xiàn)裂縫，水平拉應(yīng)力使地表在水平方向拉開，形成裂縫寬度，垂直拉應(yīng)力則使地表在垂方向拉開，形成裂縫落差。根據(jù)對彬長礦區(qū)采空地面塌陷的調(diào)查及分析，彬長礦區(qū)地面塌陷類型主要有地面裂縫、次生的滑坡、崩塌2 種類型[3]。

地面裂縫，裂縫一般長幾米至幾公里不等，寬幾厘米至數(shù)米，根據(jù)裂縫的平面形態(tài)類型又可進(jìn)一步區(qū)分為直線型裂縫、弧線型裂縫、分叉型裂縫。剖面上大部分的裂縫均有下錯(cuò)，有的裂縫無錯(cuò)動(dòng)，有的裂縫深度較小，有的裂縫則貫通黃土層。

地面塌陷的另一主要特征表現(xiàn)為次生的滑坡、崩塌，在塬邊發(fā)生，一般無威脅對象。

2.2 分布規(guī)律

地面裂縫一般在強(qiáng)降雨后突然顯現(xiàn)，降雨對地面裂縫的發(fā)育有加劇作用；地面裂縫形態(tài)有直線型、弧線形和分叉型三種；平行或銳夾角交與溝谷的裂縫，溝谷邊緣，斜坡加劇了裂縫的發(fā)育，靠近溝邊裂縫增多，且在陡崖附近裂縫常發(fā)生分叉；地面裂縫剖面形態(tài)大多存在錯(cuò)動(dòng)，在靠近溝谷邊緣處錯(cuò)動(dòng)加劇，高度達(dá)1.5m；回采工作面穿過溝谷時(shí)，地面裂縫下錯(cuò)方向先是與回采方向相反，至溝谷邊緣附近時(shí)，下錯(cuò)方向變化為于回采方向相同。無論在斜坡帶，還是地勢相對平坦的峁頂，裂縫均垂直于地表，未見明顯的傾斜面；溝谷兩側(cè)由采礦引起的滑坡，一般規(guī)模較大，且平行于后緣的裂縫發(fā)育明顯；當(dāng)回采工作面穿過溝谷時(shí)，溝谷兩側(cè)的滑坡類型不同。坡向與回采方向相同的一側(cè)，滑坡類型為推移式滑坡，坡向與回采方向相反的一側(cè)，滑坡類型為牽引式滑坡；且推移式滑坡規(guī)模往往大于牽引式滑坡規(guī)模。

3 地面塌陷演化過程

（1）沉積建造與該地層的形成為該地區(qū)提供了豐富的礦產(chǎn)資源。區(qū)內(nèi)位于鄂爾多斯盆地南緣，盆地內(nèi)有巨厚的沉積地層。該礦區(qū)地層為侏羅系中統(tǒng)延安組，其采礦資源儲(chǔ)量豐富、結(jié)構(gòu)簡單，賦存穩(wěn)定，開采條件相對優(yōu)越。長期開采形成的采空區(qū)，引起地下水位下降、地裂縫及地面塌陷廣泛發(fā)育，尤其是類似大佛寺礦區(qū)的高強(qiáng)度開采，地質(zhì)環(huán)境破壞更為嚴(yán)重，無疑使原本脆弱的生態(tài)環(huán)境雪上加霜。

（2）不同強(qiáng)度地開發(fā)利用礦產(chǎn)資源，地下采空區(qū)為地面塌陷提供了空間條件。高強(qiáng)度開采在該地區(qū)已經(jīng)造成了嚴(yán)重的地面塌陷。從地質(zhì)災(zāi)害學(xué)的角度研究地面塌陷的形成過程及相應(yīng)變形特征的演化過程，主要集中三個(gè)階段。

礦區(qū)開采后，頂部巖層變形破壞的變形破壞演化過程如下。

圖1 近水平礦區(qū)開采后頂板巖層變形與破壞示意圖

圖2 裂縫→次生崩滑形成過程

4 形成條件

4.1 地形地貌

區(qū)內(nèi)地面塌陷主要分布河谷階地區(qū)和黃土塬、黃土峁、黃土梁，斜坡陡坎以及“V”型溝谷發(fā)育。

4.2 土體結(jié)構(gòu)

該地區(qū)地面塌陷區(qū)巖土體類型均為多層結(jié)構(gòu)，一般由上而下為第四系黃土、新近系紅粘土、侏羅系與三疊系砂泥巖互層等，開采層賦存于侏羅系中統(tǒng)延安組地層中，巖層近乎水平層理。礦區(qū)開采后在其頂板上出現(xiàn)冒落帶、基巖內(nèi)出裂隙帶、紅粘土與黃土層內(nèi)出現(xiàn)彎曲變形帶，也就是說地面塌陷是采空區(qū)上覆多層結(jié)構(gòu)的巖土體移動(dòng)和變形破壞的結(jié)果，巖土體的移動(dòng)和變形破壞是一種復(fù)雜的物理、力學(xué)現(xiàn)象，取決于多種因素，其中最主要的是巖體的結(jié)構(gòu)和物理力學(xué)性質(zhì)、礦層傾角、開采深度、厚度、采空區(qū)的大小、開采方法、黃土層厚度等[4]。

4.3 降雨

降雨對地面裂縫的發(fā)育具有加劇作用，降低土體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，裂縫寬度增大。

4.4 礦區(qū)的開采

該礦區(qū)具有采礦層厚，埋深淺的特點(diǎn)，開采深度、寬度、采厚及基巖厚度，都會(huì)影響地面塌陷的范圍，開采深度大，工作面充分采動(dòng)寬度就大工作面變寬，采厚變大，會(huì)加劇地面裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。

5 結(jié)語

該礦區(qū)的地面塌陷規(guī)模較大，危害性較大。地面塌陷具隱蔽性、突發(fā)性特點(diǎn)，根據(jù)地面塌陷的發(fā)育特征和誘發(fā)因素，對礦區(qū)等地下開采區(qū)域做好井巷的支護(hù)和回填。應(yīng)按照“誰誘發(fā)、誰治理”的原則，解決礦區(qū)開采帶來的一系列礦山地質(zhì)環(huán)境問題，以保證開采區(qū)周邊村民的生命財(cái)產(chǎn)安全[5]。