陜西省長武縣三臺村地面塌陷特征及恢復(fù)治理方案探討

楊春輝，姚 剛

（陜西地礦區(qū)研院有限公司，陜西 咸陽 712000）

咸陽市長武縣境內(nèi)東南部25km的三臺村，地處彬州市、長武縣中間區(qū)域。2017年4月，該村1、2組耕地中出現(xiàn)多條裂縫，局部土地下陷，形成多級錯臺，地面大面積塌陷。地面塌陷嚴(yán)重破壞了耕地，造成村民恐慌，給當(dāng)?shù)鼐用裆a(chǎn)生活帶來了極大的不利影響。

1 地形地貌

塌陷區(qū)位于黃土塬邊，北邊界及東邊界為塬邊陡坡，南邊界為開闊黃土塬，西邊界為村道。整體地形西高東低，坡度較緩，區(qū)內(nèi)分布多級梯田，最高點(diǎn)位于西邊村道丁字口，高程1050.0m，最低點(diǎn)位于東邊陡坡，高程994.8m，相對高差55.2m（圖1）。

圖1 地形地貌圖

2 地層巖性

區(qū)內(nèi)地層由老到新依次為：三疊系上統(tǒng)胡家村組（T3h），侏羅系下統(tǒng)富縣組（J1f），侏羅系中統(tǒng)延安組（J2y）、直羅組（J2z）、安定組（J2a），白堊系下統(tǒng)宜君組（K1y）、洛河組（K1l）、華池組（K1h），上第三系（N），第四系下更新統(tǒng)（Q1）、中更新統(tǒng)（Q2）、上更新統(tǒng)（Q3）、全新統(tǒng)（Q4）。

3 礦井開拓特征

塌陷區(qū)下方對應(yīng)采煤工作面，采用傾向長壁綜合機(jī)械化后退式采煤法回采，全部垮落法處理頂板。工作面走向長度1316.8m，傾向長度為186m，開采平均深度500m，采厚平均約8.3m～13.9m，采厚比約62.5。

該工作面開采煤層為侏羅系延安組4煤層：上部，黑色玻璃光澤，以鏡煤、亮煤為主，夾少量暗煤，為半亮型煤，呈柱狀、塊狀。夾0層～3層泥巖夾矸。煤層厚度為8.3m～13.9m，平均煤層厚度11m，實(shí)際回采過程采厚6.5m～9.5m，

4 塌陷區(qū)特征

塌陷區(qū)中心地理坐標(biāo)為：N：35°05′33″，E：107°54′59″，分布范圍長約600m，寬約200m，面積約0.12km2，表現(xiàn)為南、北兩端地形較高，中間凹陷。

塌陷區(qū)位于煤礦采空區(qū)正上方，走向長壁綜采放頂煤，長期大規(guī)模的開采形成采空區(qū)，隨著采空區(qū)面積不斷增大，煤層的頂板（覆巖）失去支撐，頂板巖層隨之發(fā)生彎曲、斷裂、垮落，產(chǎn)生傾斜變形和水平移動，垮落過程中引發(fā)采空區(qū)周圍巖體變形、松動、乃至破壞采空區(qū)上覆巖層隨之彎曲下沉，覆巖層的這種彎曲達(dá)到地面后，引發(fā)地面塌陷、地裂縫，形成多級錯臺（圖2）。地表的沉陷表現(xiàn)為連續(xù)性、不均勻性、全區(qū)遍布性。

圖2 局部地面塌陷

圖3 地裂縫

塌陷區(qū)共發(fā)育16條裂縫，呈近直線狀延伸，走向225°～275°，各條裂縫近平行展布，單條裂縫長度約21m～344m（圖3）。其中6條張開度較大地裂縫其張開度0.08m～0.4m，可探深度0.5m～2.1m，存在明顯的錯臺，錯臺高度一般0.05m～0.4m，最大錯臺高度達(dá)0.8m，南側(cè)兩條裂縫間局部形成明顯地面塌陷。其余10條地裂縫張開度約2cm～5cm，無明顯下錯。

5 恢復(fù)治理方案

5.1 指導(dǎo)思想

通過實(shí)施塌陷區(qū)治理工程，消除因采煤活動而產(chǎn)生的地質(zhì)災(zāi)害，修復(fù)受損的鎮(zhèn)村道路及荒廢的土地，礦區(qū)生態(tài)環(huán)境得到有效改善，附近居民生產(chǎn)生活安全得到保障，從而實(shí)現(xiàn)礦產(chǎn)資源開發(fā)與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)的可持續(xù)發(fā)展。

5.2 地裂縫恢復(fù)治理方案

本次治理根據(jù)塌陷區(qū)裂縫寬度、錯臺等發(fā)育特征分為兩類，采用不同的修復(fù)方案（表1）。

表1 裂縫治理分類表

5.2.1 Ⅰ類方案

（1）開挖方案。采用開挖程度較大的Ⅰ類開挖。開挖共分三層，累計(jì)深度2m，詳見Ⅰ類裂縫開挖斷面圖。第一層斷面呈矩形，開挖寬度2.5m，深度0.5m；第二層斷面呈矩形，開挖寬度1.5m，深度0.5m；第三層斷面呈矩形，開挖寬度0.5m，深度1m（當(dāng)?shù)谌龑娱_挖至裂縫寬2cm～3cm可停止向下開挖）。

（2）回填方案。裂縫區(qū)土壤剖面重構(gòu)采用合理的剝離、堆墊、貯存、回填等重構(gòu)工藝，構(gòu)造一個適宜土壤剖面發(fā)育和植被生長的土壤剖面層次、土壤介質(zhì)和土壤物理環(huán)境，根據(jù)黃土丘陵溝壑區(qū)采煤塌陷地裂縫的特點(diǎn)及自然土壤的剖面特征，重構(gòu)后的土壤剖面從下往下依次為表層土、保水層、生土層、墊土層。

表層土：表層土是農(nóng)作物生長及植被恢復(fù)的基礎(chǔ)，主要參數(shù)是厚度，根據(jù)復(fù)墾后的方向來確定，因利用方向?yàn)楦兀硗翆雍穸瘸涮?0cm。

保水層：保水層的主要作用的是保水、隔水、植被生長提供養(yǎng)分等。保水層可釆用秸稈和黃土混合物構(gòu)成，厚度10cm左右。由于西部地區(qū)風(fēng)大，水土流失嚴(yán)重，保水層放在地表不易固定，因此，本方案考慮將該層放到表土層與生土層的中間。

生土層：利用黃土進(jìn)行充填，充填后搗實(shí)。

墊土層：三七灰土進(jìn)行充填，每充填30cm左右夯實(shí)一次。

圖4 地裂縫回填斷面圖

5.2.2 Ⅱ類方案

（1）開挖方案。對于裂縫寬度較小且錯臺不發(fā)育的裂縫F3、F5、F6、F7、F8、F10、F11、F12、F13、F15采用Ⅱ類開挖。

開挖共分三層，累計(jì)深度1.25m，詳見Ⅱ類開挖斷面圖。第一層斷面呈矩形，開挖寬度1.25m，深度0.5m；第二層斷面呈矩形，開挖寬度0.75m，深度0.25m；第三層斷面呈矩形，頂寬0.25m，深度0.5m（當(dāng)?shù)谌龑娱_挖至裂縫寬2cm～3cm可停止向下開挖）。

（2）回填方案。裂縫區(qū)土壤剖面重構(gòu)采用合理的剝離、堆墊、貯存、回填等重構(gòu)工藝，構(gòu)造一個適宜土壤剖面發(fā)育和植被生長的土壤剖面層次、土壤介質(zhì)和土壤物理環(huán)境。

根據(jù)黃土丘陵溝壑區(qū)采煤塌陷地裂縫的特點(diǎn)及自然土壤的剖面特征，重構(gòu)后的土壤剖面從下往下依次為表層土、保水層、生土層、墊土層。

表層土：表層土是農(nóng)作物生長及植被恢復(fù)的基礎(chǔ)，主要參數(shù)是厚度，根據(jù)復(fù)墾后的方向來確定，因利用方向?yàn)楦?，表土層厚度充?0cm。表土主要來源于裂縫兩側(cè)剝離的表層土。為了防止雨水浸泡導(dǎo)致裂縫區(qū)充填區(qū)黃土下陷，重構(gòu)后的表層土可以預(yù)留一定的拱高，拱高度5cm左右。

保水層：保水層的主要作用的是保水、隔水、植被生長提供養(yǎng)分等。保水層可釆用秸稈和黃土混合物構(gòu)成，厚度10cm左右。由于西部地區(qū)風(fēng)大，水土流失嚴(yán)重，保水層放在地表不易固定，因此，本方案考慮將該層放到表土層與生土層的中間。

生土層：利用黃土進(jìn)行充填，充填后搗實(shí)。

墊土層：三七灰土進(jìn)行充填，每充填25cm左右夯實(shí)一次。

5.3 地面塌陷修復(fù)方案

塌陷區(qū)地面凹陷，對地表地形造成破壞，同時也不利于地表排水，需對地面進(jìn)行平整，盡可能恢復(fù)原有地形。

地面凹陷全區(qū)分布，本次治理結(jié)合原有梯田、陡坎地形等因素，將塌陷治理區(qū)分為20個治理區(qū)T1-T20，每個治理區(qū)設(shè)置修復(fù)基準(zhǔn)高程（詳見附件施工平面布置圖及治理剖面圖），通過整平、覆土等將治理區(qū)回填至設(shè)計(jì)高程，在梯田陡坎處等局部地段可依據(jù)地形，就勢回填，然后用裝載機(jī)整平。

6 結(jié)論

三臺村地面塌陷屬煤礦采空引起的塌陷，其對農(nóng)田破壞嚴(yán)重，威脅著附近居民的安全。通過工程施工治理，能夠消除隱患給村民生命財(cái)產(chǎn)安全帶來的威脅，修復(fù)損壞的耕地，恢復(fù)地貌景觀，是居民安居樂業(yè)，維護(hù)社會穩(wěn)定，促進(jìn)了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展，保證人與自然和諧發(fā)展。