大冶市還地橋煤礦采空區(qū)穩(wěn)定性評價與防治措施建議

陶海寧，馮小波，許匯源，潘天錄

大冶市還地橋煤礦采空區(qū)穩(wěn)定性評價與防治措施建議

陶海寧1，馮小波2，許匯源3，潘天錄1

（1.湖北省地質(zhì)局冶金地質(zhì)勘探大隊，湖北 黃石 435000；2.黃石市自然資源和規(guī)劃局，湖北 黃石 435000；3.湖北省地質(zhì)局第七地質(zhì)大隊，湖北 宜昌 443000）

大冶市還地橋區(qū)域煤礦開采形成采空區(qū)變形及塌陷；造成區(qū)內(nèi)居民房屋出現(xiàn)不同程度開裂變形、地面設(shè)施破壞。依據(jù)該區(qū)煤礦采空區(qū)勘查成果，對成因機制及穩(wěn)定性、發(fā)展趨勢進行分析評價，判斷勘查區(qū)內(nèi)的采空區(qū)及地表變形處于殘余變形階段，按今后50年地面累計變形情況計算結(jié)果將勘查區(qū)采空區(qū)劃分為不穩(wěn)定區(qū)、基本穩(wěn)定區(qū)和穩(wěn)定區(qū)并提出防治措施建議。

煤礦采空區(qū)；地面塌陷；成因機制；變形趨勢

大冶市還地橋區(qū)域煤礦開采始于上世紀(jì)60年代，由國營黃石礦務(wù)局（現(xiàn)黃石工礦集團）籌建松屏煤礦、秀山煤礦等大型礦山企業(yè)進行規(guī)?；_采。上世紀(jì)八十年代后，村鎮(zhèn)集體煤礦最多時近百家，均采用爆破落煤，棚式支護，走向短壁采煤法，頂板管理為全垮落法。至本世紀(jì)初，黃石市對小煤礦進行了閉坑、合并整合，煤礦已關(guān)停。采空區(qū)變形及塌陷造成區(qū)內(nèi)居民房屋出現(xiàn)不同程度開裂變形，部分村莊道路及戶戶通破爛不堪，農(nóng)田池塘塌陷造成土地資源毀損。本文依據(jù)煤礦采空區(qū)勘查成果，分析成因機制、穩(wěn)定性、發(fā)展趨勢，提出防治措施建議。

1 地質(zhì)環(huán)境條件

1.1 地形地貌

礦區(qū)屬丘陵地形，北高南低，海拔30～40m左右，最高高132.80m，最低25.0m，高差97.8m；地形坡度15°～25°。由三疊系大冶組灰?guī)r及燕山期巖漿巖形成屏峰山、秀山構(gòu)成近東西向分水嶺，分水嶺北大部分山體巖石裸露，山坡植被覆蓋率較低；分水嶺南側(cè)由第四系殘坡積粉質(zhì)粘土組成，地形較為平坦，植被覆蓋率較高。

1.2 地層巖性及構(gòu)造

出露第四系人工填土和殘坡積土層、三疊系下統(tǒng)大冶組灰?guī)r和白云質(zhì)灰?guī)r、二疊系上統(tǒng)大隆組硅質(zhì)泥巖及硅質(zhì)巖、二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M、二疊系中統(tǒng)茅口組硅質(zhì)巖和燕山期石英閃長玢巖。二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M為含煤地層，自上而下分為灰?guī)r段（P32）和含煤段（P31）。

灰?guī)r段（P32）：為灰—深色中厚層狀含燧石結(jié)核灰?guī)r及條帶灰?guī)r，層間夾炭泥質(zhì)物，巖體巖溶、裂隙發(fā)育，層厚10～30m，一般20m。

含煤段（P31）：由泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、細(xì)砂巖、炭質(zhì)泥巖、泥巖及煤層組成，含黃鐵礦結(jié)核，厚度1.63～20.71m，一般10m。

本區(qū)處于揚子準(zhǔn)地臺下?lián)P子臺褶帶西段，大冶凹褶斷束的次級構(gòu)造大冶復(fù)式向斜北翼之松山背斜南、北兩翼。受區(qū)域構(gòu)造影響，斷裂發(fā)育，褶皺次之。

1.3 水文地質(zhì)條件

屬鄂東南褶皺山地巖溶裂隙水為主的水文地質(zhì)亞區(qū)，位于松山背斜兩翼，灰?guī)r零星出露，主要含水層有茅口組，龍?zhí)督M灰?guī)r段，大冶組第二、四段灰?guī)r，相對隔水層有龍?zhí)督M含煤段、大冶組第一段，透水層為大隆組，特征詳見表1。由于工程活動及構(gòu)造破壞，龍?zhí)督M含煤段及大冶組第一段相對隔水層未起到隔水作用，使上部各含水層產(chǎn)生水力聯(lián)系，成為礦井主要充水含水層。根據(jù)勘查鉆孔揭露，僅有7個鉆孔在第四系中存在孔隙潛水，埋深5m以內(nèi)，其余鉆孔均漏水嚴(yán)重，無穩(wěn)定地下水位。

礦區(qū)地下水補給主要源自區(qū)域地下水含水層，次為大氣降水。大氣降水主要通過溶洞、溶隙補給及賦存；灰?guī)r、硅質(zhì)層地段分布地表水，沿裂隙滲入補給。地下水流向為由東向西運移，由于早期區(qū)內(nèi)松屏煤礦、秀山煤礦礦井開采達(dá)-350m水平，影響范圍較遠(yuǎn)，礦井排泄地下水，流向為由南北向區(qū)內(nèi)中部。地下水早期一般由礦井排泄，現(xiàn)深部地下水處于恢復(fù)中，第四系潛水排泄至地表水體。

表1 含（隔）水層特征一覽表

1.4 工程地質(zhì)條件

根據(jù)巖土體巖性、結(jié)構(gòu)特征及物理力學(xué)性質(zhì)，劃分四個巖土體類型七個工程地質(zhì)巖組：第四系人工填土、第四系粉質(zhì)粘土、軟弱的薄層狀碎屑巖組、軟—較堅硬的薄層狀碎屑巖巖組、軟弱—較堅硬的薄層狀碳酸鹽巖巖組、堅硬的中厚—厚層狀碳酸鹽巖巖組、堅硬—較堅硬侵入巖巖組。

2 采空區(qū)發(fā)育區(qū)分布特征及危害

2.1 采空區(qū)分布情況

煤礦開采形成采空區(qū)面積1026.0893公頃，綜合工程地質(zhì)測繪、物探、收集資料和鉆探驗證結(jié)果，以收集采空區(qū)和巷道平面位置，結(jié)合物探異常和鉆探結(jié)果，采空區(qū)分布見表2。

表2 推測采空區(qū)及巖溶發(fā)育區(qū)分布特征表

2.2 采空區(qū)危害

礦山開采形成采空區(qū)土地資源毀損壓占、含水層疏干、水利設(shè)施嚴(yán)重?fù)p毀，房屋出現(xiàn)開裂變形，部分村莊道路及戶戶通破損，導(dǎo)致區(qū)內(nèi)生態(tài)與地貌景觀改變，礦山地質(zhì)環(huán)境問題突出（圖1～2）。上述地質(zhì)環(huán)境問題一般發(fā)生于礦山開采期間和閉坑后5年內(nèi)，近年已逐步減緩，趨于穩(wěn)定。

圖1 區(qū)內(nèi)采空區(qū)塌陷

圖2 采空區(qū)造成房屋開裂

3 采空區(qū)穩(wěn)定性評價及變形趨勢分析

3.1 采空區(qū)地表穩(wěn)定性現(xiàn)狀計算

采空區(qū)導(dǎo)致地表沉陷、坍塌是一個物理和力學(xué)變化的復(fù)雜過程（周杰等，2020），依據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021-2001）（2009版）5.5.7條的規(guī)定，當(dāng)采深采厚比小于30時，可根據(jù)建筑物基地壓力、采空區(qū)埋深、范圍、和上覆巖層性質(zhì)等評價地基穩(wěn)定性（尹述榮等，2021）；結(jié)合礦區(qū)經(jīng)驗提出處理措施建議。還地橋片區(qū)為短壁陷落法開采小窯采空區(qū)，大多數(shù)已經(jīng)停采超10年，可采用開采深厚比和建（構(gòu)）筑物允許變形值來判定地表穩(wěn)定性（宋博，2014）。

圖3 還地橋礦區(qū)地面塌陷破壞模式示意圖

煤礦淺部采空區(qū)埋深在50～130m，煤層平均厚2m，最大厚5.2m。采空區(qū)上覆巖層以炭質(zhì)頁巖、泥質(zhì)灰?guī)r、硅質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r等軟弱-中硬-堅硬工程地質(zhì)巖體組成，受采空區(qū)及斷裂擠壓切錯影響，采空區(qū)上覆巖體更為破碎，極易垮落，極不穩(wěn)固（闞甲廣，2009），見圖3。

依據(jù)原煤炭部制定《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》，結(jié)合《高速公路采空區(qū)（空洞）勘察設(shè)計與施工治理手冊》（姜希印等，2021），采空區(qū)地表最大移動、變形、傾斜值計算公式如下：

式中：m為煤層真厚度（m），取平均厚度2m；q為下沉系數(shù)，其取值與頂板管理等因素有關(guān)，在0.015～0.85之間，還地橋片區(qū)內(nèi)礦山頂板管理為全跨落法，根據(jù)《采空區(qū)工程地質(zhì)勘察設(shè)計實用手冊》表-2.2.7推薦的經(jīng)驗值，取0.8；α為礦層傾角；R為地面影響半徑（m）；H為開采深度（m）；β為移動角，本地取65°；b為水平移動系數(shù)，取值0.3（見《礦山開采沉陷學(xué)》）。

計算6個自然村采空區(qū)地表變形參數(shù)見表3。

表3 采空區(qū)地表主要變形參數(shù)估算表

備注：煤層厚度取還地橋區(qū)平均值，開采深度按等值線圖取平均值，傾角按采空區(qū)（或者煤層）附近區(qū)域傾角取平均值。

3.2 采空區(qū)地面變形趨勢

按照《高速公路采空區(qū)（空洞）勘察設(shè)計與施工治理手冊》推薦的經(jīng)驗公式（劉健，2021）：

殘余移動期極限下沉量：ωj=（1-q）·m·cosα（mm）

式中：q為下沉系數(shù)，其取值與頂板管理等因素有關(guān)，其下沉系數(shù)為0.015～0.85，取0.8；α為礦層傾角；t＇為以移動延續(xù)期T為單位的殘余時間變量（年）；T=（2.4～2.6）H（d），H為平均采深（m）。

6個自然村采空區(qū)計算地表殘余移動期相關(guān)變形參數(shù)（水平變形、傾斜、曲率）累計值等值線圖見圖4。

綜合分項變形趨勢及分布，治理區(qū)按今后50年地面累計變形趨勢可分為不穩(wěn)定區(qū)、基本穩(wěn)定區(qū)及穩(wěn)定區(qū)。不穩(wěn)定區(qū)有2處（郭橋村徐新臺煤礦至松山村下黃煤礦一線兩側(cè)的區(qū)，紅峰村趙德益老井煤礦以南、團山陸小區(qū)以北、紅峰新一井煤礦以西的區(qū)）；基本穩(wěn)定區(qū)5處，有2處位于上述2處不穩(wěn)定區(qū)外圍100～150m區(qū)域，1處位于秀山村新廟煤礦至蓮花煤礦一線以南，松山村張畔霞小區(qū)至陳德功小區(qū)一線以北區(qū)域，還有2處分別位于上王小區(qū)東部和柯家洞小區(qū)；其他區(qū)域為穩(wěn)定區(qū)。

圖4 還地橋片區(qū)采空區(qū)變形趨勢分區(qū)示意圖

4 防治措施建議

還地橋片區(qū)的采空區(qū)分布地段地形相對較平緩，交通條件較好；地面以下80m范圍采空區(qū)地基處于穩(wěn)定性差—不穩(wěn)定狀態(tài)。區(qū)內(nèi)煤層平均傾角25°左右，局部10°～15°，產(chǎn)狀較平緩，礦山關(guān)閉時間較長。防治措施宜結(jié)合土地利用用途及價值區(qū)別對待，對居民、建筑比較集中的區(qū)域，可采用全充填壓力注漿法治理；對于農(nóng)業(yè)用地、果園等區(qū)域，考慮經(jīng)濟性，建議以修復(fù)因采空區(qū)變形破壞的溝渠、道路等設(shè)施為主，輔以變形監(jiān)測手段。

周杰，董建輝，朱要強，鄒銀先．2020．多層開采沉陷預(yù)計數(shù)值計算分析[J]．四川地質(zhì)學(xué)報，40(02):255-257+262．

尹述榮，李治，楊元強，曹凱．2021．采空區(qū)高層建筑的基礎(chǔ)設(shè)計實例[J]．建筑結(jié)構(gòu)，51(S2):1474-1477．

宋博．2014．煤礦塌陷區(qū)路基沉降規(guī)律及預(yù)測方法研究[D]．河南理工大學(xué)．

闞甲廣．2009．典型頂板條件沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)分析及控制技術(shù)研究[D]．中國礦業(yè)大學(xué)．

姜希印，王青海，周恒心，田迎斌，李幸麗．2021．太白湖下壓煤開采方案設(shè)計及評價[J]．礦山測量，49(02):25-32+62．

劉?。?021．高速公路路基工程特殊路段處理——煤礦采空區(qū)治理[J]．四川水泥，2021(10):269-270．

Stability Evaluation and Control Measures of Mined-Out Area of Coal Mines in the Huandiqiao Region, Daye, Hubei

TAO Hai-ning1FENG Xiao-bo2XU Hui-yuan3PAN Tian-lu1

(1-Metallurgical Geological Exploration Party, Hubei Bureau of Geology and Mineral Resources, Huangshi, Hubei 435000; 2-Huangshi Bureau of Natural Resources and Planning, Huangshi, Hubei 435000; 3-The 7th Geological Party, Yichang, Hubei 443000)

Mining activity results in ground deformation and collapse of mined out area of coal mines in the Huandiqiao region, Daye, Hubei. This paper has a discussion on genetic mechanism and development trend of the ground deformation and collapse and evaluates stability of the mined-out area based on field survey and divides the mined-out areas intounstable zone, basically stable zone and stable zone based on calculation of cumulative ground deformation in the next 50 years. Some control measures are put forward.

mined-out area; coal mine; ground deformation and collapse; deformation trend; genetic mechanism; Huandiqiao region, Daye, Hubei

TD325.3；P642.4

A

1006-0995（2022）01-0104-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2022.01.021

2022-01-18

陶海寧（1989— ），男，安徽當(dāng)涂人，水工環(huán)工程師，研究方向：地質(zhì)災(zāi)害勘查與礦山環(huán)境治理