鹽湖礦區(qū)地面變形地質(zhì)災(zāi)害特征及演化分析*

蔣麗蘭，劉治宇，王杜鵑，蔣 魁，楊 超

（1.湖南省煤炭地質(zhì)勘查院，湖南 長沙 410014；2.湖南省勘查設(shè)計研究院，湖南 長沙 410014）

近年來，采取切實技術(shù)措施，科學(xué)有效防治地質(zhì)災(zāi)害，確保人民生命財產(chǎn)安全、安居樂業(yè)、保障社會穩(wěn)定，越來越受到礦區(qū)企業(yè)和當(dāng)?shù)卣闹匾暋Ｈ欢?，由于歷史原因及礦區(qū)的不規(guī)范開采形成的大量采空區(qū)，造成區(qū)域內(nèi)不同程度的地面變形的地質(zhì)災(zāi)害時有發(fā)生，嚴重影響當(dāng)?shù)厣a(chǎn)、生活和經(jīng)濟發(fā)展。本文以湖南省衡陽市常寧市鹽湖鎮(zhèn)上沖村地面變形地質(zhì)災(zāi)害補充調(diào)查[1]為例，查明了研究區(qū)基本情況；通過物探及地面調(diào)查手段，研究分析了冒落帶、裂隙帶、彎曲帶與地面變形地質(zhì)災(zāi)害形成機理；查明了區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害類型及時空對應(yīng)關(guān)系，綜合分析了地面變形地質(zhì)災(zāi)害變形初始期、盛發(fā)期、平緩期及發(fā)展趨勢。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理環(huán)境

研究區(qū)位于湖南省衡陽市常寧市東南部的鹽湖鎮(zhèn)境內(nèi)，距常寧市城區(qū)約14 km，屬剝蝕丘陵地貌，地勢總體東部和西部高，中部低；南面高、北面低，最大相對高差為132 m。天子江為區(qū)內(nèi)主要地表徑流，該河流量季節(jié)性變化顯著，雨季下游最大流量24.089 m3/s，一般流量1～5 m3/s。區(qū)內(nèi)氣候為亞熱帶季風(fēng)氣候，歷年降雨為902～1 812.2 mm，多年平均降雨量1 342.93 mm，日最大降雨量141.3 mm（1976年7月9日），1972年～1981年月最大降雨量233.1 mm，降雨集中在3～6月；水面蒸發(fā)量為1 017.5～1 491.7 mm/a。

1.2 地質(zhì)

區(qū)內(nèi)地層較為簡單，出露地層由新到老有第四系（Q）、三疊系下統(tǒng)大冶組（T1d）、二疊系上統(tǒng)大隆組（P3d）、二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M（P3l）。礦區(qū)位于鹽湖向斜南段，主體構(gòu)造走向成南北向展布。

1.3 開采基本情況

鹽湖礦區(qū)開采歷史悠久，清朝中期煤礦即已開采。老窯基本沿地表煤層露頭開采，開采密度大，但規(guī)模很小，采深大多在幾十米以內(nèi)，主要位于鹽湖向斜的東翼沿煤層露頭地帶。20世紀80年代，區(qū)內(nèi)有證無證小煤礦多達50 余家，開采深度達±0 m 標(biāo)高，小煤窯無計劃開采，造成了極大的資源浪費，對礦山地質(zhì)環(huán)境影響較大。

區(qū)內(nèi)煤層情況：有4 層煤分別為2、5、6、7 煤層，2 煤為大部分可采煤層，5 煤為局部可采煤層，6煤為主采煤層，7 煤不可采[2]；區(qū)內(nèi)現(xiàn)狀只開采6 煤層，2、5 煤未開采。

區(qū)內(nèi)6 煤層開采情況：三個水平-42 m水平、-150 m水平、-250 m水平開采布置采區(qū)，淺部-42 m水平以上資源于1983年已開采完；-42～-150 m水平也已基本采完；-250 m水平?jīng)]有正式形成工作面?，F(xiàn)狀區(qū)內(nèi)停止了采礦活動見表1。

表1 研究區(qū)6 煤層開采情況

2 地質(zhì)災(zāi)害特征

2.1 地質(zhì)災(zāi)害類型

根據(jù)野外調(diào)查成果，區(qū)內(nèi)地面變形地質(zhì)災(zāi)害有：塌陷坑、地裂縫、地面不均勻沉降、農(nóng)田漏失等，見圖1。尤其以地面塌陷坑最為直觀、破壞性最大[3]，見表2。

表2 區(qū)內(nèi)地面塌陷坑特征

2.2 地質(zhì)災(zāi)害分布與礦山開采時空對應(yīng)關(guān)系分析

2005年以前和2006～2011年礦業(yè)活動陸續(xù)引發(fā)了塌陷坑、地面不均勻沉降、地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害，造成了周邊居民房屋不同程度開裂，地下水位下降等現(xiàn)象。地面變形地質(zhì)災(zāi)害與礦山開采具有正相關(guān)系[4]，見圖1、表3。

圖1 地面變形地質(zhì)災(zāi)害分布

表3 地質(zhì)災(zāi)害分布與礦山開采時空對應(yīng)關(guān)系

3 地質(zhì)災(zāi)害形成機理及影響因素分析

3.1 形成機理

區(qū)內(nèi)采空區(qū)主要依靠留設(shè)保安煤柱維持穩(wěn)定，礦業(yè)活動后形成采空區(qū)，破壞了巖體天然應(yīng)力平衡狀態(tài)，隨著開采區(qū)域的增大，采空區(qū)的頂板在應(yīng)力作用下不斷發(fā)生變形、破壞、位移和冒落，自下而上出現(xiàn)冒落帶、裂隙帶、彎曲帶，結(jié)果在地表形成地質(zhì)災(zāi)害[5]。

（1）冒落帶

冒落帶為采空區(qū)頂板破碎坍落形成，其厚度一般為采礦厚度的3～4 倍[6]。礦山開采煤層平均厚度2.61 m，最大處有9.69 m，區(qū)內(nèi)冒落帶平均厚度為7.83～10.44 m，最大厚度約38.76 m。

據(jù)S3 線物探解譯剖面見圖2。分析可知，電阻率等值線呈明顯低阻凹陷帶，異常編號分別為AS2-1、AS2-2，推測為煤層采空區(qū)及冒落帶，厚度約40 m，與計算值基本一致。

圖2 采空區(qū)頂板變形解譯

（2）裂隙帶

裂隙帶處于冒落帶之上，其產(chǎn)生了較大的彎曲和變形，厚度一般取采礦厚度的12～18 倍[7]，故調(diào)查區(qū)內(nèi)裂隙帶平均厚度為31.32～46.98 m，最大厚度約174.42 m。

根據(jù)物探成果綜合分析，官沖村裂隙帶分布標(biāo)高60～-100 m，面積約約0.06 km2，呈橢圓形；上沖村分布標(biāo)高為60～-110 m，面積約1.1 km2，整體呈條帶狀(見圖3)。裂隙帶分布區(qū)域基本上和煤層采空區(qū)分布一致。

圖3 物探異常區(qū)與地質(zhì)災(zāi)害對應(yīng)關(guān)系平面

（3）彎曲帶

彎曲帶為裂隙帶頂面至地面高度，是不破裂的彎曲帶。彎曲帶地層為大冶組（T1d）泥質(zhì)灰?guī)r，其受采空區(qū)影響，巖溶洞穴發(fā)育，根據(jù)物探成果，淺部巖溶發(fā)育帶主要分布標(biāo)高+60～+110 m，多為條帶狀或橢圓狀，見圖3。野外地面調(diào)查地質(zhì)災(zāi)害主要分布在官沖村和上沖村和物探成果基本吻合。

3.2 影響因素分析

地面變形地質(zhì)災(zāi)害影響因素眾多，主要因素有：駣深采厚比、地質(zhì)構(gòu)造、頂板覆巖、抽排地下水等因素[8]。

（1）采深采厚比：礦山煤層開采深度為20～311 m，煤層開采厚度為1.8～6.5 m，當(dāng)采深采厚比越大，對地面影響小，反之則大。

（2）地質(zhì)構(gòu)造：區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造較發(fā)育，煤層開采后對地表影響較大。

（3）頂板覆巖：直接頂板粉砂巖，偽頂泥巖、炭質(zhì)泥。開采過程中，巖層大都遭受了不同程度的破壞，產(chǎn)生各種節(jié)理裂隙、壁理，勢必造成礦坑冒頂、片幫，導(dǎo)致垮落帶的變化，并引發(fā)采空區(qū)上部覆巖發(fā)生彎曲變形，從而出現(xiàn)地面不均勻沉降。

（4）抽排地下水：區(qū)內(nèi)隨著開采區(qū)的不斷發(fā)展擴大、加深，采礦區(qū)頂板冒落活動頻繁，隨著礦井疏干區(qū)的擴大，巖石的飽和狀態(tài)遭到嚴重破壞，地下水位急劇下降，泉水不再涌出，水井干涸；接下來地表開裂、沉降、塌陷，又因大氣降雨地表水、地下水的沖刷作用下，老采區(qū)又形成了新的空洞。上部土層與巖層裂縫加寬加深，為地表水、地下水徑流潰入提供了通道，逐漸形成空洞或崩落，失去了地層本身平衡狀態(tài)，在地應(yīng)力作用下，地面建筑物產(chǎn)生不均勻沉降，造成開裂、塌陷，局部位移等嚴重地質(zhì)災(zāi)害。

4 地質(zhì)災(zāi)害演化分析

4.1 初始期、盛發(fā)期、平緩期以及目前穩(wěn)定現(xiàn)狀

區(qū)內(nèi)受煤礦開采影響，區(qū)內(nèi)變形現(xiàn)象主要表現(xiàn)為地面塌陷、地面不均勻沉降、地裂縫。根據(jù)野外調(diào)查成果，該地區(qū)地面變形始發(fā)于2000年，通過訪問有明確發(fā)生時間的地面變形現(xiàn)象共45 處，對其發(fā)生時間進行統(tǒng)計見圖4。

根據(jù)圖4統(tǒng)計結(jié)果，分析2000年以來區(qū)內(nèi)變形現(xiàn)象發(fā)生發(fā)展趨勢，區(qū)內(nèi)采空區(qū)地面變形現(xiàn)象發(fā)生階段分為三個時期，即：初始期、盛發(fā)期、平緩期[9]。

圖4 地面變形地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生時間統(tǒng)計

初始期：變形初始期為2000～2007年。在該時期內(nèi)，由于煤礦開采，巷道頂板的垮落、變形及地下水位下降對地表巖土體應(yīng)力平衡的影響初步顯現(xiàn)，地面變形現(xiàn)象開始發(fā)生，地面變形現(xiàn)象發(fā)生數(shù)量較少，甚至連續(xù)兩年沒有發(fā)生地面變形現(xiàn)象；地面變形現(xiàn)象多集中在鹽湖鎮(zhèn)、官沖村2 組、裕民居委會等地段。

盛發(fā)期：變形盛發(fā)期為2008～2013年。在該時期內(nèi)，由于煤礦開采活動旺盛，巷道頂板的垮落、變形及地下水位下降完全破壞了地表巖土體原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，地面變形現(xiàn)象愈演愈烈，地面變形現(xiàn)象發(fā)生數(shù)量總體呈現(xiàn)出增加的趨勢；隨著煤礦開采對地表巖土體的影響范圍的進一步擴大，上沖村開始發(fā)生地面變形現(xiàn)象。

平緩期：變形平緩期為2014年至今。在該時期內(nèi)，由于煤礦開采活動停止，巷道頂板逐漸穩(wěn)定，地下水位下降趨勢減緩，表層巖土體逐漸達到新的應(yīng)力平衡狀態(tài)，地面變形現(xiàn)象發(fā)生數(shù)量少，且呈現(xiàn)出逐漸減少的趨勢。

目前處于平緩期，地面變形現(xiàn)象發(fā)生數(shù)量少，隨著煤礦開采的停止，巷道頂板逐漸穩(wěn)定，地下水位回升，表層巖土體逐漸達到新的應(yīng)力平衡狀態(tài)，故推測工作區(qū)采空地面變形目前處于逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

4.2 發(fā)展趨勢

通過該項目野外調(diào)查和室內(nèi)綜合研究分析，對區(qū)內(nèi)地面變形地質(zhì)災(zāi)害發(fā)展趨勢[7]有如下認識：

隨著區(qū)內(nèi)煤礦開采完全停止，巷道頂板逐漸穩(wěn)定，地下水位回升，表層巖土體逐漸達到新的應(yīng)力平衡狀態(tài)，2014年以后僅發(fā)生了兩處地面變形現(xiàn)象：2014年鹽湖中學(xué)廁所輕度損壞；2016年3月，鹽湖鎮(zhèn)上沖村5 組發(fā)生一處地面塌陷，塌陷坑規(guī)模為小型；可以看出，2013年以后，地面變形數(shù)量少，變形量小，隨著時間的推移，表層巖土體進一步趨于平衡狀態(tài)，該區(qū)內(nèi)變形現(xiàn)象發(fā)生頻率及規(guī)模將進一步減少，區(qū)內(nèi)地面變形將逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結(jié)論

1）地面變形地質(zhì)災(zāi)害類型主要以塌陷坑、地裂縫、地面不均勻沉降為主。

2）通過對區(qū)內(nèi)地面變形現(xiàn)象統(tǒng)計，分析變形初始期為2000～2007年、盛發(fā)期2008～2013年、平緩期2014年至今。

3）現(xiàn)狀區(qū)內(nèi)停止了礦業(yè)活動，采空區(qū)地面變形地質(zhì)災(zāi)害逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)，但因為是老礦區(qū)，歷史遺留問題較復(fù)雜，地面變形區(qū)缺乏監(jiān)測資料，難以取得量化的數(shù)據(jù)，仍需加強地面變形監(jiān)測工作及地質(zhì)災(zāi)害隱患防范。