某煤礦開裂山體穩(wěn)定性評價及防治措施建議

王剛　王劉文　李海　豐建

［關(guān)鍵詞］煤礦；地質(zhì)災(zāi)害；穩(wěn)定性評價；防治措施

貴州省是西南產(chǎn)煤大省、南方重要的煤炭資源基地[1]，但同時貴州煤礦分布區(qū)以山地地貌為主，地形起伏大、地質(zhì)環(huán)境脆弱[2]。煤礦開采引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的問題較突出，在坡度相對平緩地段易引發(fā)采空塌陷、地裂縫，在地勢較陡地段易引發(fā)山體開裂、陡崖崩塌[3-4]。引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害給人民生命財產(chǎn)安全帶來隱患，同時威脅著煤礦的安全生產(chǎn)。目前山體滑坡穩(wěn)定性方面的研究較多[5-6]，但對于煤礦開采引發(fā)的開裂山體的穩(wěn)定性的相關(guān)文獻研究不夠充分[7]。由于科學合理地分析地質(zhì)災(zāi)害的穩(wěn)定性是制定其防治措施的基礎(chǔ)，本文從地質(zhì)環(huán)境條件、采空區(qū)分布情況、山體變形特征、結(jié)構(gòu)面組合以及地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特征等方面對某煤礦開裂山體穩(wěn)定性進行評價，在此基礎(chǔ)上提出防治建議，保障人民生命財產(chǎn)安全，以促進煤礦的安全、可持續(xù)開采。

1. 研究區(qū)概況

1.1 煤礦概況

該煤礦為一生產(chǎn)礦井，始建于2003年，原生產(chǎn)能力為6×10⁴t/a，為擴大生產(chǎn)規(guī)模、提高經(jīng)濟效益，于2006年申請技改擴能，并于當年獲得批準，擬設(shè)計生產(chǎn)規(guī)模30×10⁴t/a。該煤礦共劃分為二個水平，+1125m以上為一水平，其余為二水平，四個采區(qū)開拓。煤礦開拓方式為斜井開拓，采煤開采方式為走向長壁式、全部垮落法管理頂板。研究區(qū)含可采煤層8層，其中全區(qū)可采煤層為4、9、16、17號4層，大部可采煤層為11、14號煤2層，局部可采煤層18、19號煤2層。

1.2 地質(zhì)環(huán)境條件

研究區(qū)以低中山侵蝕溶蝕地貌為主，地形起伏較大，地勢東北較高西南較低。自然地形標高+1292～+1647 m，相對最大高差約345 m，一般低于250 m。地層從老到新出露有二疊系中統(tǒng)茅口組（P2m）、二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M（P3l）煤系地層、二疊系上統(tǒng)長興組（P3c）灰?guī)r、三疊系下統(tǒng)夜郎組（T1y）砂泥巖、三疊系下統(tǒng)茅草鋪組（T1m）灰?guī)r以及第四系殘坡積。地層總體走向NE，傾向NW。地層傾角10°～33°，平均22°。研究區(qū)總體為一單斜構(gòu)造，周邊無區(qū)域性大斷層通過，區(qū)內(nèi)次級斷層也不發(fā)育，地震基本烈度6。

礦區(qū)內(nèi)地下水類型主要為巖溶水和基巖裂隙水，少量孔隙水。大氣降水通過巖、土中的風化裂隙、構(gòu)造裂隙、孔隙等滲入地下，地形起伏較大，地下水排泄較通暢?；鶐r中裂隙發(fā)育，常呈開放狀態(tài)，地下水總體由南西向北東徑流。

1.3 山體裂縫發(fā)育特征

山體開裂區(qū)域位于工業(yè)場地北側(cè)約260m處的半坡旱地中。其走向210°～270°，一般走向為245°。其中主要的地裂縫DL1實測長度約100 m，裂縫一般寬度為10～90 cm，目前最大寬度達168 cm。DL1發(fā)育地層為三疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M（P3 l），地表為0～2 m厚的耕植土，土層下部為殘坡積土層和崩塌堆積體形成的礫石夾土，礫石含量超過70%，土層厚度約2～10 m。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，部分裂縫段已被耕土掩埋，現(xiàn)場可見最大深度約1.5～2 m。

裂縫主要位于11401采空區(qū)正上方，該采空區(qū)于2009年回采完畢。裂縫一般走向為245°，與11401工作面走向基本一致，符合采煤沉陷規(guī)律，初步分析認為該采空區(qū)塌陷引起地表破壞從而形成地表裂縫區(qū)域；煤礦停采至今約6年，裂縫區(qū)域未發(fā)生較大變形，趨于穩(wěn)定。

2. 開裂山體穩(wěn)定性分析

2.1 地質(zhì)災(zāi)害形成機制

2.1.1 煤層開采引發(fā)地表變形破壞機制

研究區(qū)內(nèi)塌陷坑、地裂縫等現(xiàn)狀地質(zhì)災(zāi)害形成順序與采掘時間先后順序基本一致。根據(jù)采空區(qū)分布特征，重復采動區(qū)域形成采空區(qū)影響范圍內(nèi)裂縫發(fā)育，裂縫數(shù)量明顯增多。由此可判定煤層重復開采部分采空區(qū)塌陷對上覆巖層影響明顯，地表地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量和發(fā)育程度與采空區(qū)分布、重復采動影響呈正相關(guān)。因此，煤礦采空區(qū)塌陷是引發(fā)礦區(qū)內(nèi)現(xiàn)狀地質(zhì)災(zāi)害的主要原因。

2.1.2 地形地貌

主要裂縫發(fā)育于緩坡帶旱地中，地形相對平整。其中裂縫以小角度相交于緩地邊緣，南側(cè)巖土體坡度較大，約為35°～40°，局部呈陡坎狀，坡度可達60°～75°。經(jīng)DL1切割后，地表土體相對獨立且有向南側(cè)臨空面滑塌的趨勢，從而使得DL1表現(xiàn)有繼續(xù)擴大的現(xiàn)象。根據(jù)2020年礦方監(jiān)測資料，亦能看出DL1處于不斷向南側(cè)擴張變形的過程中。據(jù)此推測，在DL1南側(cè)臨近地段存在局部不穩(wěn)定斜坡（BW1），向南側(cè)臨空面發(fā)生滑移，致使后緣DL1不斷變寬，其實質(zhì)為淺層堆積-殘積土層向低處蠕滑，導致裂縫DL1的拉裂變化。

2.1.3降雨

大量降水賦存于地表風化土層和崩落堆積層，無法及時消散，極大降低了地表松散層的力學強度，加大了巖土層臨空面的下滑力，導致不穩(wěn)定斜坡發(fā)生淺表滑動變形，致使DL3形成拉裂式破壞，從而加劇了DL1的變形程度。

2.1.4地層巖性

DL1發(fā)育地層為三疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M（P₃l），地層巖性主要為泥質(zhì)粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖。因處于地表，煤系地層受風氧化作用，地表呈現(xiàn)全風化-強風化狀態(tài)，風化帶厚度約1～10 m。緩坡地帶堆積有來自于長興組（P₃c）、夜郎組（T₁y）的灰?guī)r、砂泥巖的崩塌體堆積層，厚度約0～2 m。DL1發(fā)育地層屬較堅硬巖組，因采空區(qū)塌陷較易造成地表彈塑性破壞從而引發(fā)地裂縫。

2.2 穩(wěn)定性分析

2.2.1整體穩(wěn)定性影響因素

（1）坡向-結(jié)構(gòu)面組合

調(diào)查區(qū)地貌形態(tài)為構(gòu)造侵蝕低中山地貌類型，地裂縫發(fā)育區(qū)域位于山體中下部緩坡帶，坡度一般20°～50°。DL1發(fā)育區(qū)域坡向為170°～180°，坡度約30°～35°，發(fā)育地層位于三疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M，地層產(chǎn)狀為336°∠24°，主要發(fā)育兩組節(jié)理面：J1 產(chǎn)狀272°∠75°，J2產(chǎn)狀108°∠75°，根據(jù)采用赤平投影分析（圖1），坡向和層面傾向反，屬于逆向坡，整體穩(wěn)定性好。

（2）根據(jù)采動邊坡失穩(wěn)條件分析采空區(qū)地表穩(wěn)定性

根據(jù)滑坡形成的特性，必先具備為滑坡提供了滑移變形和潛在剪出口的臨空面、存在可形成滑帶的軟弱層以及存在促成滑動的地下水或其他外因[8-9]。否則采動影響下的塌陷再嚴重也不會產(chǎn)生大面積滑坡。

根據(jù)本次調(diào)查結(jié)果，地表斜坡為逆向坡，巖層平均傾角約22°，覆巖中以三疊系夜郎組沙堡灣段砂泥巖、玉龍山段灰?guī)r為主，調(diào)查區(qū)附近無較大斷裂構(gòu)造通過，巖層分布連續(xù)，不可能形成使斜坡體滑移的連續(xù)軟弱面；區(qū)內(nèi)地下水主要以基巖裂隙水賦存于覆巖中，為非承壓水，水位變化對巖體整體穩(wěn)定性影響小。即現(xiàn)狀開采條件下，山體開裂區(qū)域附近地表主要以開裂下沉為主，地裂縫深部延伸傾向與坡向相反，不會形成貫穿性滑動面，不會引發(fā)大面積滑坡。

2.2.2區(qū)域局部穩(wěn)定性評價

山體開裂區(qū)域整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，且礦方繼續(xù)開采深部煤層不會對開裂區(qū)域造成影響，隨著終采時間變長開裂區(qū)域愈發(fā)穩(wěn)定。不穩(wěn)定斜坡段具有局部滑塌條件，因強降雨、地層巖土體松散軟弱、較大坡度的臨空面等因素可能發(fā)生局部滑動、變形，山體開裂區(qū)域因地表附近堆積層將向下滑塌而發(fā)生擴張，區(qū)域局部處于不穩(wěn)定—欠穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)收集資料確定的計算參數(shù)和計算模型采用理證巖土軟件對各災(zāi)害體進行穩(wěn)定性系數(shù)計算，計算結(jié)果和現(xiàn)場情況吻合，詳見表1。

2.3 綜合分析

山體開裂區(qū)域整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，不會形成貫穿性滑動面，無整體滑動可能性，不會形成大面積滑坡，但具有局部滑塌條件。滑坡體沿坡面滑塌，最終影響范圍由DL1發(fā)育位置至硬化道路南側(cè)緩坡地帶，開裂區(qū)域不會對工業(yè)場地和周邊戶村民房屋造成危害。

3. 地質(zhì)災(zāi)害防治措施建議

根據(jù)前述山體開裂區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害特征、發(fā)展趨勢以及防治目的，結(jié)合其發(fā)育特征、分布規(guī)律、巖土結(jié)構(gòu)、現(xiàn)狀穩(wěn)定程度、受威脅對象、影響邊界等綜合確定防治方案為“局部削方+地裂縫回填+監(jiān)測預警”。

局部削方：對不穩(wěn)定斜坡上部采取削坡減載措施，完全消除局部滑坡的可能性，保持山體開裂區(qū)域淺表部穩(wěn)定不發(fā)生滑坡，從而保證周邊環(huán)境安全，避免造成道路、旱地和建構(gòu)筑物的損毀。

地裂縫回填：山體開裂區(qū)域內(nèi)發(fā)育有數(shù)條地裂縫，寬度和深度較小地段可采用粘土填塞夯實，并采用防水膜覆蓋，避免雨水滲入降低回填效果。

監(jiān)測預警：監(jiān)測內(nèi)容包括位移、裂縫、降雨量等，對地裂縫設(shè)置裂縫儀，不穩(wěn)定斜坡區(qū)域設(shè)置位移監(jiān)測點，充分利用現(xiàn)有監(jiān)測設(shè)施和資料基礎(chǔ)上，建立系統(tǒng)化、立體化監(jiān)測系統(tǒng)。

4. 結(jié)論與認識

（1）該山體開裂地質(zhì)災(zāi)害主要為煤礦開采引發(fā)，其穩(wěn)定性受采空區(qū)特征、地層巖性、結(jié)構(gòu)面組合、地形地貌等控制。

（2）由于部分開裂山體周邊存在村寨，進行煤礦開采引發(fā)山體開裂穩(wěn)定性評價時應(yīng)客觀、科學，既不能盲目樂觀，也不能一味求安全、偏保守，以便幫助有關(guān)部門正確對待地質(zhì)災(zāi)害隱患、客觀決策。