煤礦采空區(qū)地面變形成因分析

摘要：采空區(qū)屬于煤礦開采區(qū)常見的不良地質(zhì)現(xiàn)象之一，采空區(qū)形成的地面變形直接威脅居民的生命財(cái)產(chǎn)安全，潛在經(jīng)濟(jì)損失較大，社會(huì)影響較大。以煤礦采空區(qū)地面變形為研究對(duì)象，在論述當(dāng)?shù)氐V區(qū)生態(tài)與地質(zhì)環(huán)境背景基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)?shù)孛旱V生產(chǎn)情況，分析了采空區(qū)對(duì)地面變形地質(zhì)災(zāi)害的成因，對(duì)今后本區(qū)域煤礦資源的開發(fā)與災(zāi)害控制具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：煤礦開采? 采空區(qū)? 地面變形? 成因

Analysis of Ground Deformation in Coal Mine Mining Area

PENG Xing

（Hunan Province Geological and Mineral Exploration and Development Bureau 416 Team， Zhuzhou， Hunan Province， 412000 China）

Abstract： The goaf area is one of the common adverse geological phenomena in the coal mining area. The ground deformation formed in the goaf area directly threatens the safety of residents' life and property， with great potential economic losses and great social impact.Considering the ground deformation of the coal mine， the causes of the geological disaster on the ground deformation of the mining area are analyzed， which has guiding significance for the development and disaster control of the regional coal mine resources in the future.

Key Words： Coal mining; Mining area; Ground deformation; Cause

湖南省新化縣游家鎮(zhèn)境內(nèi)煤炭資源較豐富，自20世紀(jì)50年代末以來(lái)，大大小小的煤礦不計(jì)其數(shù)，地下采煤形成的采空區(qū)對(duì)地質(zhì)環(huán)境影響很大，破壞水土平衡，使地下水水位下降、井泉干枯，采空區(qū)塌陷使地表變形強(qiáng)烈，且面積大。采空區(qū)地面變形是一個(gè)復(fù)雜長(zhǎng)期的過(guò)程，采空區(qū)地面變形受地質(zhì)條件、開采方式、采深、采厚、開采時(shí)間等多種因素影響[1]，采空區(qū)地面變形會(huì)造成地面塌陷、地裂縫、地面沉降、結(jié)構(gòu)物損壞、開裂等破壞[2]。煤礦采空區(qū)地面變形的形成原因較復(fù)雜，多種因素疊加，共同影響進(jìn)而反映至地表，形成地面變形。因此，選取游家鎮(zhèn)龍?zhí)洞?～5組地面變形為研究對(duì)象，研究地面變形分布規(guī)律、發(fā)育特征、形成機(jī)制及人類工程活動(dòng)對(duì)地質(zhì)環(huán)境的影響，分析其主控因素，預(yù)測(cè)其發(fā)展趨勢(shì)。

1 環(huán)境地質(zhì)特征

1.1 地理位置

地面變形區(qū)位于新化縣游家鎮(zhèn)龍?zhí)洞?～5組，游家鎮(zhèn)位于新化縣中部，北與新化縣油溪鄉(xiāng)接壤，東與新化縣曹家鎮(zhèn)為鄰，南接新化縣城上梅鎮(zhèn)，西為新化縣爐觀鎮(zhèn)、西河鎮(zhèn)、孟公鎮(zhèn)，龍?zhí)洞逦挥谟渭益?zhèn)南部。

1.2 氣象

新化縣屬亞熱帶氣候，一般溫濕多雨。本區(qū)屬山區(qū)，氣候變化較大。

1.3 水文

區(qū)內(nèi)發(fā)育的河流主要有爐觀河和蘆茅江。爐觀河由北西流入龍?zhí)洞澹谑赂浇懈顪y(cè)水組。又流向東南，匯入蘆茅江。蘆茅江自西南流向東北。流至白洋坪井田后折向北流。在羊角壩附近向東流去。切割測(cè)水組流出本區(qū)，匯入資江。

1.4 地形地貌

區(qū)內(nèi)地貌類型屬侵蝕丘陵地貌為主。南東部為侵蝕與溶蝕準(zhǔn)平原地貌。最高點(diǎn)位于調(diào)查區(qū)北西部，高程為330.8m，最低點(diǎn)位于調(diào)查區(qū)南部，高程為166.8m，高差為164m，兩點(diǎn)相距9.42km，相對(duì)坡度較平緩，地面較平緩，總體高差不大。

1.5 地層巖性

區(qū)內(nèi)出露的地層由老到新，分別是石炭系下統(tǒng)的石磴子組、測(cè)水組（分為上段與下段）、梓門橋組，石炭系中上統(tǒng)壺天群，第四系殘坡積層。其中石炭系下統(tǒng)測(cè)水組為含煤地層。按含煤性及標(biāo)志層等，劃分上、下兩段。

1.5.1 上段（C1c2）

（1）泥巖：紫紅色、灰綠色、團(tuán)塊狀、具滑感，含星點(diǎn)狀黃鐵礦晶粒，有時(shí)夾薄層細(xì)粒砂巖及透鏡狀泥灰?guī)r;厚0.53～28.52m，一般厚6m。

（2）泥質(zhì)灰?guī)r：灰-深灰色，連續(xù)緩波狀層理，中厚層狀，裂隙不發(fā)育，含少量方解石脈，有時(shí)夾薄層灰綠色泥巖，含珊瑚及海百合莖等化石。厚1.90～20.48m，一般厚10m。

（3）上段厚度47.18～75.55m，一般厚61m。

1.5.2 下段（C1c1）

（1）泥巖：黑灰色，水平層理，薄層狀，見有少量菱鐵礦小結(jié)核，含植物化石;厚0～3.30m，一般厚1m。

（2）上煤層：為灰色細(xì)粒塊狀半亮型煤，為復(fù)煤層，含夾矸3～4層，夾矸單層厚0.02～0.5m，夾矸不易剔除。煤層厚0.0～5.32m，平均厚0.84m;根據(jù)調(diào)查區(qū)內(nèi)探礦工程及巷道資料顯示，煤厚度0.06～2.80m，平均厚1.03m ，點(diǎn)可采率為90%，煤厚變異系數(shù)為36%，屬較穩(wěn)定型薄煤層。

（3）炭質(zhì)泥巖：黑灰色，薄層狀，夾薄層狀泥巖，厚0.5～4.5m，一般厚2.5m。

（4）煤層：灰黑色條帶狀、塊狀半亮型煤，為復(fù)煤層，含夾矸1～4層，夾矸單層厚度0.02～0.8m，夾矸不易剔除。煤層厚0～7.05m，平均2.06m;根據(jù)調(diào)查區(qū)內(nèi)探礦工程及巷道資料顯示，煤厚度0.09～2.60m，平均厚1.37m，點(diǎn)可采含煤率72%，煤厚變異系數(shù)為53%，屬不穩(wěn)定型中厚煤層。

（5）細(xì)粒砂巖：黑灰色，緩波狀層理，以石英為主，硅質(zhì)膠結(jié)，節(jié)理發(fā)育，質(zhì)硬而脆，時(shí)相變?yōu)樯百|(zhì)泥巖;厚0～5m，一般厚2m。

（6）下段厚3.26～59.55m，一般厚28m，而測(cè)水組全厚一般為89m。

1.6 地質(zhì)構(gòu)造

地面變形區(qū)范圍內(nèi)以褶皺構(gòu)造為主，斷裂構(gòu)造亦較發(fā)育。

1.6.1 褶皺構(gòu)造

龍?zhí)断蛐保菏堑孛孀冃螀^(qū)保存較完整的向斜。以賀家垅為中心，北起石板垅，南端在田心收斂，西起何家灣，東至蘆茅江以東，壺天群組成向斜核部。

1.6.2 斷裂構(gòu)造

地面變形區(qū)及周邊斷裂構(gòu)造較發(fā)育，調(diào)查區(qū)整體為一向斜構(gòu)造，發(fā)育的4條正斷層、1條逆斷層，破壞了地層和煤層的連續(xù)性。調(diào)查區(qū)整體構(gòu)造屬中等類型，其中對(duì)采空區(qū)影響較大的為蘆茅江正斷層。

蘆茅江正斷層：位于地面變形區(qū)中部，區(qū)內(nèi)出露長(zhǎng)度約1200m，斷層走向北東，傾向南東，傾角38°，水平斷距300～400m，落差110m左右。

1.7 地下水動(dòng)態(tài)變化特征

煤礦開采前：調(diào)查區(qū)地下水動(dòng)態(tài)隨季節(jié)變化明顯，動(dòng)態(tài)變化主要受大氣降水控制。雨季地下水位明顯升高，井泉流量增大;旱季地下水位下降，井泉流量減少，甚至干枯。

煤礦開采后：煤礦礦坑正常涌水量為105m3/h，最大涌水量為332m3/h，經(jīng)多年開采導(dǎo)致荷葉村、龍?zhí)洞濉⑹麓宀糠志珊?，地下水位下降，影響居民生活用水?/p>

2 地面變形地質(zhì)災(zāi)害特征

2.1 變形特征

2.1.1 規(guī)模大小

地面變形區(qū)以新化縣游家鎮(zhèn)龍?zhí)洞?～5組為中心，南部以荷葉村北部為界，北部以木山村木山壟為界，東部以烏石鄉(xiāng)林場(chǎng)為界，西部以賀家壟為界，變形區(qū)在平面上大致呈近橢圓形。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，在采空區(qū)地面變形區(qū)的下伏基巖完整性較差，破碎跡象明顯，存在基巖破碎發(fā)育帶，物探推斷破碎帶深度一般30～40m，長(zhǎng)度85～125m，變形區(qū)內(nèi)基巖破碎帶一般沿南北向延伸，與采空區(qū)分布較吻合。

2.1.2 平面形態(tài)

地面變形區(qū)內(nèi)采空區(qū)地面變形主要表現(xiàn)為地面沉降和地裂縫，其沉降中心以連續(xù)彎曲變形為主，周圍則會(huì)以直線形拉張裂縫等不連續(xù)變形為主。

地面變形平面形態(tài)以龍?zhí)洞?～5組區(qū)域?yàn)橹行陌l(fā)生變形，中心變形大，愈遠(yuǎn)離塌陷中心愈塌陷變形愈小。由于地面的下沉變形，周邊地表地面伴隨發(fā)生一系列拉張裂縫及擠壓裂縫。

地面變形區(qū)東部下伏基巖為石炭系測(cè)水組砂頁(yè)巖，無(wú)巖溶現(xiàn)象，但仍發(fā)生房屋受損、地面變形等;同時(shí)鉆孔巖芯整體極破碎。另從實(shí)測(cè)的井上井下對(duì)照?qǐng)D來(lái)看，地面變形區(qū)東部為99年之前的老采空區(qū)，其埋深在100～120m;西部分布有采空巷道和采空區(qū)，鉆孔資料顯示區(qū)內(nèi)巖層局部可見溶蝕現(xiàn)象，但未發(fā)現(xiàn)溶洞，整體巖溶弱發(fā)育，該區(qū)域地面變形受采空巷道和采空區(qū)影響。

2.2 變形現(xiàn)象

2.2.1 地面塌陷

在省道S225南側(cè)共發(fā)現(xiàn)有4個(gè)塌陷坑，塌陷坑平面形態(tài)主要為橢圓形，坑口規(guī)模6.8～20m2，深1.7～2.5m，長(zhǎng)軸方向98°～123°，地下煤礦開采不僅造成地面變形，而且破壞了地下含水層，附近水井干涸無(wú)水。

2.2.2 受損房屋

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，共發(fā)現(xiàn)有99棟房屋受到不同程度的損害，較輕者房屋出現(xiàn)細(xì)微裂縫，較重者地基出現(xiàn)較嚴(yán)重下沉，房屋傾斜嚴(yán)重。

2.2.3 地裂縫

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，共發(fā)現(xiàn)地面裂縫9條，裂縫總長(zhǎng)度約120m。目前，部分裂縫仍在進(jìn)一步加劇變形。單條裂縫長(zhǎng)度一般10～25m，寬度一般1～7cm，可見深度一般5～50cm。在空間分布上，裂縫多呈直線型，斷續(xù)，走向一般為85°～110°，部分裂縫已被填充。地裂縫發(fā)育區(qū)域下伏地層為石炭系下統(tǒng)梓門橋組，為煤系地層頂板地層;均有采空巷道和采空區(qū)分布，受采煤活動(dòng)影響較大。

2.2.4 地面沉降

采空地面變形區(qū)地面沉降分布范圍較廣，主要分布在田地及房屋周邊，沉降值10～50cm不等，并且沉降地點(diǎn)多分布在地下煤礦巷道及采空區(qū)上方及周邊受影響區(qū)域，嚴(yán)重破壞了當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)、居民的房屋地基穩(wěn)定。

3 地質(zhì)災(zāi)害成因

（1）地面變形區(qū)內(nèi)采空區(qū)及采空巷道的體積較大，部分采空區(qū)及采空巷道的年代較久遠(yuǎn)，礦山在以往多年的采礦過(guò)程中，存在與開發(fā)利用方案等技術(shù)資料要求不符的欠規(guī)范開采行為，并且老窿與廢棄的采空巷道因時(shí)間較長(zhǎng)位置不清楚，存在老窿與廢棄的采空巷道和現(xiàn)有巷道交叉重疊的情況[3]，進(jìn)而影響地面的穩(wěn)定。

（2）地面變形區(qū)內(nèi)煤層的頂板均為中等冒落頂板，由于頂板不易維護(hù)，頂板受壓不均勻，煤柱及支護(hù)不合理或時(shí)間較長(zhǎng)自然老化，較易造成頂板破碎垮塌，進(jìn)而影響地面的穩(wěn)定[4]。

（3）煤礦采空區(qū)的采深采厚比基本在25～110.4，部分地區(qū)地面地基不穩(wěn)定，該結(jié)果也與地面調(diào)查的地面變形現(xiàn)象相吻合[5]。

（4）地面變形區(qū)受F3斷層影響，斷層周邊巖體相對(duì)破碎，巖體強(qiáng)度整體偏低，斷層破碎帶為地下水的流通提供了良好的通道，沿?cái)鄬幼呦颍叵滤魍ㄐ栽鰪?qiáng)，加劇了地下水流失的速率。區(qū)內(nèi)斷層的錯(cuò)斷影響，致使斷層附近巖層比較破碎，強(qiáng)度偏低，物理力學(xué)性質(zhì)相對(duì)較差;斷層發(fā)育是采空區(qū)南部地面變形發(fā)生的內(nèi)在地質(zhì)因素[6]。

（5）煤礦在采煤過(guò)程中會(huì)在采空區(qū)以及采煤巷道中設(shè)置煤柱，但是煤柱受上區(qū)段工作面回采影響，煤體破壞程度較高，并且煤柱承載能力較低;較易誘發(fā)煤柱發(fā)生變形破壞，其承載能力進(jìn)一步降低，導(dǎo)致頂板向煤柱采空區(qū)側(cè)下沉破壞，易造成沿空巷道圍巖小結(jié)構(gòu)變形破壞;地面變形區(qū)內(nèi)分布有較大范圍的老采空區(qū)和廢棄的采煤巷道，其煤柱受損情況普遍，頂板下沉破壞嚴(yán)重，并且針對(duì)老采空區(qū)和廢棄的采煤巷道未采取回填措施，加劇了老采空區(qū)和廢棄的采煤巷道的垮塌，反映至地表則會(huì)引起地面變形現(xiàn)象的發(fā)生。

（6）地面變形區(qū)內(nèi)煤礦涌水量隔水頂板完整性、隔水性好;區(qū)內(nèi)各煤礦均未發(fā)生斷裂構(gòu)造引發(fā)的涌水量劇增或突水事故則說(shuō)明各煤礦所揭露的斷裂構(gòu)造含、導(dǎo)水性相對(duì)較差;測(cè)水組砂礫巖裂隙水（SO42-·Cl--Na+·Ca2+水）與壺天群巖溶裂隙水（HCO3--Na+·Ca2+·Mg2+水、HCO3--Na+·Ca2+水）的水化學(xué)類型不同，間接說(shuō)明煤層隔水頂板隔水性好。故煤礦疏于排水對(duì)煤礦生產(chǎn)作業(yè)區(qū)域地下水水位下降影響較大。

4 結(jié)語(yǔ)

地面變形區(qū)地面變形地質(zhì)災(zāi)害是自然與人為影響因素共同疊加作用而成。地面變形區(qū)內(nèi)采空區(qū)廣泛分布，煤層的頂板均為中等冒落頂板，采深采厚比較小，部分區(qū)域斷層發(fā)育，這些是地面變形形成的基礎(chǔ)地質(zhì)條件;自然條件下及區(qū)內(nèi)礦業(yè)活動(dòng)導(dǎo)致的梓門橋組碳酸巖巖溶裂隙含水層和測(cè)水組砂質(zhì)泥巖裂隙含水層地下水動(dòng)態(tài)變化提供了地下水動(dòng)力作用條件。

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作者簡(jiǎn)介：彭興（1986—），男，研究生，工程師，主要從事地質(zhì)工程、地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估、勘查、設(shè)計(jì)等各類相關(guān)地質(zhì)工作。