廣州市城市采空區(qū)分布規(guī)律及災(zāi)害分析

羅小平, 謝色新, 張建國, 寧康超

(中國煤炭地質(zhì)總局廣東煤炭地質(zhì)局勘查院， 廣東 廣州 510440)

1 前言

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，城市地質(zhì)扮演越來越重要的角色。煤礦在開采過程中會在地下形成采空區(qū)，這些采空區(qū)會引起一系列的地質(zhì)災(zāi)害：地面坍塌、巖層移動、地裂縫等。一旦發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害，往往影響范圍廣、損失大，易出現(xiàn)人員傷亡。據(jù)統(tǒng)計，全國發(fā)生大規(guī)模采空區(qū)災(zāi)害達180處以上，累計塌陷面積超過70萬km2，造成的損失超過500億元。而對礦山城市，采空區(qū)災(zāi)害尤為嚴重，嚴重影響城市工程建設(shè)與發(fā)展，因而對采空區(qū)的研究重心也從礦山逐漸轉(zhuǎn)移到城市。

本文通過對廣州市嘉禾礦區(qū)以往煤田資料的綜合整理分析研究和調(diào)查走訪，以及礦區(qū)工程地質(zhì)勘察成果，查明嘉禾礦區(qū)采空區(qū)的分布范圍、深度和空間關(guān)系，明確不同深度采空區(qū)的橫向和縱向的影響范圍，進而對煤礦采空區(qū)災(zāi)害做出分析，為城市建設(shè)勘察工作提供指導(dǎo)和參考經(jīng)驗；進一步豐富城市地質(zhì)災(zāi)害理論，為城市采空區(qū)的治理提供理論依據(jù)。

2 采空區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件

2.1 區(qū)域地質(zhì)背景

廣州市在大地構(gòu)造上位于華南褶皺系(一級構(gòu)造單元)，粵北、粵東北- 粵中拗陷帶(二級構(gòu)造單元)，粵中拗陷(三級構(gòu)造單元)，廣從斷裂、瘦狗嶺斷裂及廣三斷裂是本區(qū)構(gòu)造的基本骨架，自加里東構(gòu)造階段便開始活動，經(jīng)歷了海西-齊全印支構(gòu)造階段、燕山構(gòu)造階段和喜馬拉雅山構(gòu)造階段，主要表現(xiàn)為強烈的繼承性斷裂活動，并引起差異斷塊升降。主要以廣從斷裂和瘦狗嶺斷裂為界線分成四個構(gòu)造區(qū)：增城凸起，廣花凹陷，東莞盆地，三水斷陷盆地[1-2]。區(qū)域地震活動微弱，地震烈度為6度，無活動性斷裂，區(qū)域穩(wěn)定性較好。

采空區(qū)地層區(qū)劃屬東南地層區(qū)中的粵中地層分區(qū)，主要地層為石炭系中上統(tǒng)(C2+3)、上古生界二疊系上統(tǒng)(P)、三疊系下統(tǒng)(T1)、中生界白堊系上統(tǒng)(K2)、古近系古新統(tǒng)(E1)、第四系(Q4)。

區(qū)域僅個別地方見極少量安山巖侵入，呈脈狀貫入體，巖性為灰白色～淡綠色致密杏仁狀安山巖。

2.2 氣象水文

廣州市地處南亞熱帶，屬于南亞熱帶季風氣候，受季風環(huán)流所控制。冬季處于極地大陸高壓的東南緣，常吹偏北風，恰在冷暖氣團交綏地帶，氣象要素變化大。夏季受副熱帶高壓及南海低壓槽影響，常吹偏南風，暖濕氣流的盛行，氣候高溫多雨，因而擺脫了干燥及信風帶的影響，而表現(xiàn)出季風氣候的特色。受低緯海洋濕潤氣流的調(diào)節(jié)，夏季不像中國內(nèi)陸長江流域一些盆地那樣酷熱。

整體來講，廣州地區(qū)日照充足，熱量豐富，長夏無冬，雨量流沛，干濕季明顯。樹木常綠，花果常香，魚蝦常鮮。但熱帶氣旋、暴雨、洪澇、干旱、寒潮和低溫陰雨也常出現(xiàn)。

采空區(qū)周邊只有石井河、棠溪涌等小型河流，無大型河流，西距石井河直線距離約2.8 km、東距蕭崗涌直線距離約1.2 km。

2.3 地形地貌

新市墟站、新市墟- 白云文化廣場區(qū)間場地位于沖洪積平原地貌邊緣，車站以東逐漸進入臺地地貌，車站大里程端場地為沖洪積平原地貌邊緣。地面標高一般約9.2～10.9 m，新市墟站以東地面逐漸抬升至11～23 m。車站場地內(nèi)由于經(jīng)過城市化改造，地面較平整。

2.4 地層與巖石

地層主要為二疊系中統(tǒng)龍?zhí)督M、第四系。

龍?zhí)督M(P2l)地層上部為紫紅雜色含鐵質(zhì)粉砂巖與淺色細粒石英砂巖、砂質(zhì)泥巖互層；中部為灰白- 深灰色砂巖、粉砂巖互層，底見石英細砂巖；下部主要含煤層、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、高嶺土質(zhì)泥巖和煤交互成層，厚度較穩(wěn)定；其中第二段(P2l2)為主要含煤系地層。K1底～K3底屬海陸交替相沉積，厚約130 m，主要由灰～灰白色砂巖，灰～深灰色粉砂巖、泥巖和煤層組成，含煤19層。煤層平均間距為3～14.0 m。

采空區(qū)及周邊不見巖漿巖。

2.5 地質(zhì)構(gòu)造

采空區(qū)位于廣花凹陷東南緣的新市- 嘉禾向斜東翼，向斜為一被斷裂所復(fù)雜化的單斜構(gòu)造，受新華夏構(gòu)造體系所控制，地層走向北東5°～30°，傾向北西，傾角一般為40°～70°，局部直立倒轉(zhuǎn)，構(gòu)造以斷裂為主，區(qū)內(nèi)斷層主要有13條，其性質(zhì)為走向、橫向及斜向正斷層或逆斷層，斷層對煤層破壞很大，構(gòu)造復(fù)雜程度屬復(fù)雜[3-4]。

2.6 工程地質(zhì)條件

巖土層劃分為八大層，從上往下分別為：①人工填土；②沖積- 洪積砂層；③沖積- 洪積土層，包括河湖相淤泥質(zhì)土、可塑狀粉質(zhì)黏土；④殘積土層；⑤巖石全風化帶；⑥巖石強風化帶；⑦巖石中等風化帶；⑧巖石微風化帶。

礦井工程地質(zhì)條件較為良好，煤層頂?shù)装鍘r石一般比較穩(wěn)定。其頂?shù)装鍨閺婏L化～中風化泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、細砂巖。在主要煤層頂?shù)装? m以內(nèi)，巖石不完整，較破碎，屬軟巖～較硬巖，較不穩(wěn)定，常有冒頂片幫現(xiàn)象。

2.7 水文地質(zhì)條件

采空區(qū)及周邊地下水主要有兩種類型，分別為松散層孔隙水、基巖裂隙水。地下水水位埋深變化較大，一般穩(wěn)定水位埋深為1.5～4.20 m，標高為4.97～8.94 m。第四系孔隙水主要接受大氣降水補給及含水層側(cè)向補給?；鶐r裂隙水主要由第四系孔隙水越流補給[5]。

2.8 井田開采情況

井田未做正規(guī)礦山設(shè)計，淺部有民窯開采。地表淺部小煤窯、老窿密布且開采歷史悠久，老窯及采空區(qū)無法查清。但據(jù)煤田鉆孔所見老窯推定在-30 m以上為采空區(qū)。

老窿主要為民間間歇性開采，距今時間長，開采情況沒有書面記載，加上被后來工程活動及植被生長所掩蓋，地表調(diào)查難于發(fā)現(xiàn)。老窿常發(fā)生突然涌水，同時發(fā)生瓦斯爆炸，造成慘重傷亡事故。

地質(zhì)環(huán)境條件綜合分析：區(qū)域地質(zhì)背景條件復(fù)雜程度屬中到簡單，地形地貌條件簡單，地質(zhì)構(gòu)造條件簡單，地層巖性和巖土體工程地質(zhì)性質(zhì)中到簡單，考慮煤層因素為中到復(fù)雜，水文地質(zhì)條件中等，人類活動對地質(zhì)環(huán)境的影響強烈。綜合評估認為地質(zhì)環(huán)境條件復(fù)雜程度為復(fù)雜。綜合分析地質(zhì)環(huán)境條件各因素得出，采空區(qū)內(nèi)主要致災(zāi)地質(zhì)環(huán)境因素有人類工程活動、地下采礦工程地質(zhì)條件，地質(zhì)構(gòu)造和水文地質(zhì)條件屬從屬因素，后期人類工程為激發(fā)因素。

3 城市采空區(qū)分布特征

3.1 采空區(qū)分布特征

1) 采空區(qū)縱向分布特征

地鐵線周圍通過物探智能微動勘探推測采空區(qū)深度主要分布在10～70 m，具體如圖1所示。根據(jù)十四號線彭邊站專項勘察、詳勘鉆孔統(tǒng)計如圖2、圖3所示，鉆孔揭露采空區(qū)主要分布在10～50 m和70～80 m深度范圍內(nèi)，高程標高為10～-30 m，局部標高為-50～-60 m，與物探推測采空區(qū)深度情況幾乎一致。

圖1 廣州地鐵十四號線彭邊站物探揭露采空區(qū)深度分布

圖2 彭邊站周圍采空區(qū)埋深及高程分布圖

圖3 彭邊站采空區(qū)標高分布圖

2) 采空區(qū)平面分布特征

采空區(qū)平面展布與煤層走向一致，采空區(qū)深度越大，平面分布范圍越大，采空區(qū)無固定形態(tài)，與煤層平面形態(tài)有一定的相似性，部分呈條帶狀[6]。

3.2 采空區(qū)充填特征

通過對采空區(qū)鉆探取芯，可以看出采空區(qū)充填特征：一是充填物以細粒的黏土、碎石、煤渣和木屑為主，松散堆積，具一定的壓實，巖芯采取率在50%以上，部分還能取出壓實較好的完整巖芯，鉆探過程中鉆進速度快，輕微漏漿，頂板多為強風化的粉砂巖或泥質(zhì)粉砂巖為主，裂隙發(fā)育多被壓實[7-8]。

二是充填物多以大顆粒的砂巖或粉砂巖碎石、木塊以及煤屑為主，松散堆積，壓實較差，尚未固結(jié)，巖芯采取率多在50%以下，鉆進過程中有輕微掉鉆或鉆進速度明顯加快，漏水量較大。

三是基本無充填或者半充填，巖芯采取率極低或者無巖芯，鉆進過程中明顯掉鉆，孔口吸風，泥漿全漏，頂板為穩(wěn)定性相對較好的砂巖，裂隙發(fā)育，鉆探過程中有明顯掉鉆漏水現(xiàn)象。

四是充填物為頂板自然垮落物，采出的巖芯只有少量朽木和巖石碎塊，鉆進過程中無明顯掉鉆，但沖水后鉆具自然下落，泥漿全漏，可見明顯的裂隙帶、彎曲帶。

4 城市采空區(qū)變形規(guī)律

地表移動，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，在地表沉陷的研究中稱這一過程和現(xiàn)象為地表移動。開采引起的地表移動過程，受多種地質(zhì)采礦因素的影響，因此，隨開采深度、開采厚度、采煤方法及煤層產(chǎn)狀等因素的不同，地表移動和破壞的形式也不完全相同。在采深和采厚比值較大時，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。當采深和采厚的比值較小(一般小于30)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格的規(guī)律性，地表可能出現(xiàn)較大的裂縫或塌陷坑。

傾斜煤層開采、地表未達到充分采動時，覆巖移動如圖4所示。

(1)在傾斜方向上，移動盆地的中心偏向采空區(qū)的下山方向，和采空區(qū)中心不重合。

(2)移動盆地與采空區(qū)的相對位置，在走向方向上對稱于傾斜中心線，而在傾斜方向上不對稱，煤層傾角越大，這種不對稱性越加明顯。

(3)移動盆地的上山方面較陡，移動范圍較??；下山方面較緩，移動范圍較大。

圖4 傾斜煤層采空區(qū)上覆巖層內(nèi)移動分帶示意圖

5 城市采空區(qū)災(zāi)害分析

5.1 地面沉降災(zāi)害

根據(jù)采空區(qū)分布特征及變形規(guī)律對城市采空區(qū)穩(wěn)定性進行分析，深部采空區(qū)場地穩(wěn)定性等級為穩(wěn)定，淺部采空區(qū)場地穩(wěn)定性等級為處于欠穩(wěn)定—不穩(wěn)定之間，容易造成地面沉降。

隨著廣州市的發(fā)展，采空區(qū)原為水塘、稻田和菜地已大部分為建筑物所覆蓋，近地面的小煤窯和開采期間的地面沉降痕跡已被后期人類活動所掩蓋。經(jīng)調(diào)查，采空區(qū)周邊共發(fā)生地裂縫和房子變形等災(zāi)害22處，從側(cè)面反映采空區(qū)存在地面沉降的風險較大。

5.2 采空區(qū)對城市建設(shè)的影響

煤層的存在對地鐵施工運營構(gòu)成了安全隱患，地鐵施工盾構(gòu)作業(yè)時遇到煤層，容易造成垮塌，遇到高瓦斯煤層時，有可能會引起瓦斯爆炸等事故。

民間開挖的老窿普遍存在，標高在0～50 m，這些老窿距今時間長，開采情況沒有書面記載，加上被后來工程活動及植被生長所掩蓋，地表調(diào)查難于發(fā)現(xiàn)，對老窿的分布、形態(tài)、采掘情況不了解。這些老窿在地鐵建設(shè)的標高范圍內(nèi)，將對地鐵建設(shè)帶來較大的隱患。

綜合分析，在城建施工過程中，施工的動態(tài)荷載及地下水位的變化可能激活采空區(qū)破裂巖層導(dǎo)致地面發(fā)生塌陷，巷道支護較好的采空區(qū)下沉可能在采后很多年才發(fā)生，甚至50年以上。另外保護煤柱也可能發(fā)生風化現(xiàn)象，引起采空區(qū)塌陷。因此認為采空區(qū)對城市建設(shè)的影響較大。

5.3 采空區(qū)場地工程建設(shè)適宜性

采空區(qū)場地屬于儲水、匯水構(gòu)造區(qū)，構(gòu)造應(yīng)力條件復(fù)雜，周邊斷裂縱橫，地下溶蝕現(xiàn)象發(fā)育，地下水水量豐富，場內(nèi)發(fā)育斷裂。采空區(qū)垮落不充分，現(xiàn)狀地面較穩(wěn)定，但在工程施工擾動下存在不連續(xù)變形的可能，工程建設(shè)對采空區(qū)的穩(wěn)定性影響較大，采空區(qū)存在瓦斯含量較高的不利作業(yè)環(huán)境，且呈飽水狀態(tài)容易引發(fā)基坑地下水突涌問題。綜合判斷工程場地地質(zhì)條件復(fù)雜。工程場地未見已發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，工程建設(shè)過程中可能發(fā)生崩塌或滑坡、地面沉降和地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害。因此場地工程建設(shè)適宜性差，但場地不良地質(zhì)作用可通過工程措施予以防治。由于廣州地區(qū)經(jīng)濟發(fā)達，工程建設(shè)頻繁，在不良地質(zhì)和地質(zhì)災(zāi)害治理方面積累了大量的工作經(jīng)驗，擬建場地通過采取相應(yīng)的防治措施，可以進行工程建設(shè)，處理后的場地基本適宜地鐵工程建設(shè)。

6 結(jié)論

(1) 綜合評估認為廣州市嘉禾礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件復(fù)雜程度為復(fù)雜，其中人類工程活動、地下采礦工程地質(zhì)條件為采空區(qū)內(nèi)主要致災(zāi)地質(zhì)環(huán)境因素，地質(zhì)構(gòu)造和水文地質(zhì)條件為從屬因素，后期人類工程為激發(fā)因素。

(2) 移動盆地的中心偏向采空區(qū)的下山方向，和采空區(qū)中心不重合；移動盆地與采空區(qū)的相對位置，在走向方向上對稱于傾斜中心線，而在傾斜方向上不對稱，煤層傾角越大，這種不對稱性越明顯；移動盆地的上山方面較陡，移動范圍較?。幌律椒矫孑^緩，移動范圍較大。深層采空區(qū)場地穩(wěn)定性等級為穩(wěn)定，淺層采空區(qū)場地穩(wěn)定性等級為欠穩(wěn)定—不穩(wěn)定，容易造成地面沉降。

(3) 采空區(qū)存在地面沉降、地裂縫等災(zāi)害，在城建施工過程中，施工的動態(tài)荷載及地下水位的變化可能激活采空破裂巖層導(dǎo)致地面發(fā)生塌陷，對城市建設(shè)的影響較大。場地工程建設(shè)適宜性屬適宜性差，但可通過工程措施予以防治。