淮南某開(kāi)發(fā)區(qū)采空塌陷地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估與防治

陳陽(yáng) 查顯東 秦福剛

（安徽省煤田地質(zhì)局水文勘探隊(duì) 安徽宿州 234000）

0 引言

采空塌陷是典型的由地下資源開(kāi)采引起的地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題，其產(chǎn)生的根源是地下資源開(kāi)采改變?cè)瓗r應(yīng)力狀態(tài)后反映在地表的采動(dòng)損害［1］。采空塌陷區(qū)一般下沉速度大、范圍廣，因此對(duì)有采空塌陷區(qū)范圍內(nèi)的建設(shè)工程進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估，可以為最大限度地降低開(kāi)發(fā)區(qū)規(guī)劃建設(shè)的工程風(fēng)險(xiǎn)和維護(hù)費(fèi)用，提供地質(zhì)科學(xué)依據(jù)。本文主要以淮南某開(kāi)發(fā)區(qū)為例，淺談了釆空塌陷地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估方法及防治措施，主要介紹了采空塌陷特點(diǎn)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估的思路方法，對(duì)后續(xù)工程建設(shè)提供參考。

1 工程概況

安徽淮南采空塌陷占地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)約40%，采空塌陷分布在礦山開(kāi)采比較集中的鳳臺(tái)縣西北部。鳳臺(tái)縣位于淮河中游，淮北平原南緣，地處北緯32°至33°，東經(jīng)116°至117°之間，交通便捷，可由淮河經(jīng)洪澤湖通達(dá)長(zhǎng)江，淮阜鐵路東西向橫穿開(kāi)發(fā)區(qū)綜合園，距京九線阜陽(yáng)站僅百余公里。開(kāi)發(fā)區(qū)主要為工業(yè)用地及公共管理服務(wù)設(shè)施用地，依托鳳臺(tái)當(dāng)?shù)刭Y源，實(shí)施產(chǎn)業(yè)整合和升級(jí)，重點(diǎn)發(fā)展精細(xì)化工產(chǎn)業(yè)、機(jī)械裝備產(chǎn)業(yè)和新型建材產(chǎn)業(yè)。地面構(gòu)筑物大部分已建成，多為天然地基、樁基的框架結(jié)構(gòu)、鋼筋砼結(jié)構(gòu)。

2 地質(zhì)環(huán)境條件

2.1 氣象水文

評(píng)估區(qū)屬暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候與北亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候過(guò)渡帶，區(qū)內(nèi)雨量較為豐富，降水量年際變化較大，多年平均降水量914.8 mm，年平均蒸發(fā)量（水面）1 653.6 mm，最大2 112.3 mm（1966 年），最小1 232.1 mm（2003 年），蒸發(fā)量大于降水量，相對(duì)濕度為72%～77%。主要河流淮河河床寬三四十米，歷年平均流量686 m3/s，水位標(biāo)高一般在15 m，歷史最高洪水位為25.63 m，兩岸筑有大堤，堤頂高27 m 左右。大氣降雨通過(guò)地表徑流匯入周邊道路兩側(cè)的排水溝，排出區(qū)外。

2.2 地形地貌

評(píng)估區(qū)范圍內(nèi)地勢(shì)開(kāi)闊，地形平坦，綜合園區(qū)地面高程17.99～22.51 m，微地貌類型為沖積平原，第四系全新統(tǒng)懷遠(yuǎn)組粉質(zhì)黏土。

2.3 地層巖性

評(píng)估區(qū)屬華北地層大區(qū)晉冀魯豫地層區(qū)，徐淮地層分區(qū)淮南地層小區(qū)。評(píng)估區(qū)被厚層新生界掩蓋，地層由老到新主要為：新太古界-中元古界，寒武系，奧陶系中下統(tǒng)，石炭系太原組，二疊系山西組、下石盒子組、上石盒子組、孫家溝組，第四系。經(jīng)查閱資料及野外調(diào)查評(píng)估區(qū)內(nèi)無(wú)巖漿巖分布。周邊礦區(qū)煤系地層為石炭～二疊系地層，該套地層在評(píng)估區(qū)周邊被新生界地層所覆蓋。石炭系上統(tǒng)太原組地層厚度約130 m，所含煤質(zhì)差、薄且極不穩(wěn)定，無(wú)開(kāi)采價(jià)值。

2.4 地質(zhì)構(gòu)造與區(qū)域地殼穩(wěn)定性

阜鳳逆沖斷層走向?yàn)?75°～310°，傾向SW，傾角為∠80°～45°，淺部?jī)A角較大，深部?jī)A角小，在傾向上呈犁形，斷層落差＞250 m。山王集斷層發(fā)育于鳳臺(tái)縣劉集鄉(xiāng)—山王鎮(zhèn)一帶的走向近東西、中斷向南偏轉(zhuǎn)、傾向南的逆斷層，傾角50°～55°，屬壓性斷層，沿?cái)鄬幼呦虻貙幼兓^大。斷層上下盤發(fā)育霍邱群、八公山群和寒武系地層，至新集以東被阜李斷層所截，向東至山王鎮(zhèn)新莊孜礦逐漸消失。

全新世平原區(qū)長(zhǎng)期處于下降狀態(tài)且幅度減緩，形成河流地貌，且堆積，河兩岸堆積第四紀(jì)沉積物。經(jīng)查閱資料及野外調(diào)查評(píng)估區(qū)未發(fā)現(xiàn)有明顯新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)跡象，穩(wěn)定性較好。評(píng)估區(qū)內(nèi)地震動(dòng)峰值加速度為0.10 g，相應(yīng)的地震基本烈度為Ⅶ度，故評(píng)估區(qū)地殼穩(wěn)定性為基本穩(wěn)定。

2.5 巖土體工程地質(zhì)特征

評(píng)估區(qū)下部有一較堅(jiān)硬-軟弱層狀碎屑巖。巖性主要為石炭系、二疊系、粉砂巖、炭質(zhì)泥巖、泥巖組成，具中厚層至薄層結(jié)構(gòu)，抗壓強(qiáng)度0～63 MPa。該區(qū)煤層的泥頁(yè)巖頂板抗壓強(qiáng)度低，據(jù)附近礦區(qū)資料，煤層頂板泥巖抗壓強(qiáng)度11.3～25.6 MPa，巖石力學(xué)強(qiáng)度較低，變形模量小，易坍塌、冒落，導(dǎo)致發(fā)生采空塌陷地質(zhì)災(zāi)害。

評(píng)估區(qū)土體廣泛分布多層黏性土、砂性土等，由全新統(tǒng)灰黃色黏性土和砂土、砂層組成，局部有淤泥質(zhì)土，結(jié)構(gòu)松散-稍密，承載力80～120 kPa，局部軟土具中-高壓縮性，承載力特征值較低。

2.6 水文地質(zhì)條件

評(píng)估區(qū)主要為松散巖類孔隙水，多埋藏在淺層孔隙水中，該含水層之上有厚6～7 m 的粉質(zhì)黏土，致使淺層含水層地下水水力性質(zhì)為潛水－微承壓水，滲透系數(shù)0.3～5.0 m/d，水化學(xué)類型以HCO3-Ca·Mg 型為主，水溫一般在16.5～19.0 ℃，礦化度一般<1 g/L。評(píng)估區(qū)為飲用水源地保護(hù)區(qū)或準(zhǔn)保護(hù)區(qū)，自農(nóng)飲水安全提升工程實(shí)施以來(lái)，區(qū)域內(nèi)少有開(kāi)采淺層孔隙水且較為分散，農(nóng)業(yè)灌溉主要利用河流坑塘等地表水，未存在集中開(kāi)采地下水情況；城區(qū)、生活和部分鄉(xiāng)村生活用水主要集中或相對(duì)集中利用以淮河為水源的地表水廠水。

3 地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性現(xiàn)狀評(píng)估

現(xiàn)狀評(píng)估是在查明評(píng)估區(qū)地質(zhì)環(huán)境特征、地質(zhì)災(zāi)害類型、規(guī)模、誘發(fā)因素與成因機(jī)理及其危害對(duì)象的基礎(chǔ)上，對(duì)其穩(wěn)定性、危險(xiǎn)性和評(píng)估區(qū)內(nèi)建設(shè)工程危害的范圍與程度進(jìn)行評(píng)估。通過(guò)收集資料和野外調(diào)查人員訪問(wèn)，評(píng)估區(qū)內(nèi)多為2 層或1 層廠房，無(wú)高層建筑，建筑物與河邊有一定的距離且有堤壩，與評(píng)估區(qū)南部山前斜坡仍有一段距離，因此評(píng)估區(qū)不具備產(chǎn)生崩滑流等地質(zhì)災(zāi)害的地形地貌條件。

3.1 巖溶塌陷危險(xiǎn)性現(xiàn)狀評(píng)估

開(kāi)發(fā)區(qū)南部為碳酸鹽巖淺隱伏區(qū)，區(qū)內(nèi)上覆松散層厚10～30 m，下伏地層為奧陶系中系統(tǒng)灰?guī)r，質(zhì)純層厚。由于《某煤礦閉坑地質(zhì)報(bào)告》礦區(qū)平均巖溶率為2.51%、線巖溶率及目前現(xiàn)狀，評(píng)估區(qū)線巖溶率取值5.8%。根據(jù)工勘報(bào)告，該區(qū)綜合穩(wěn)定水位在0.9～2.2 m，水位變化幅度在1.5 m 左右。根據(jù)《地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估規(guī)范》（DZ/T 0286—2015）附錄D 表D.7，確定評(píng)估區(qū)現(xiàn)狀巖溶塌陷發(fā)育程度等級(jí)為中等。

3.2 采空塌陷危險(xiǎn)性現(xiàn)狀評(píng)估

位于綜合園內(nèi)的采空沉陷影響面積約0.04 km2，占場(chǎng)地建設(shè)面積（2.83 km2）比例約1.4%＜3%。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，評(píng)估區(qū)及附近地表未見(jiàn)塌陷痕跡和裂縫條帶。根據(jù)《地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估規(guī)范》（DZ/T 0286—2015）附錄D表D.8（表1）［2］，確定評(píng)估區(qū)區(qū)現(xiàn)狀采空塌陷發(fā)育程度等級(jí)為弱。

表1 采空塌陷發(fā)育程度分級(jí)表

評(píng)估區(qū)處于采空塌陷影響范圍邊緣，對(duì)評(píng)估區(qū)造成的經(jīng)濟(jì)損失中等，綜合判定現(xiàn)狀采空塌陷地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性中等。

4 地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)評(píng)估

某開(kāi)發(fā)區(qū)綜合園界址點(diǎn)涉及1 宗礦產(chǎn)地，該煤礦2015 年已閉坑。由于開(kāi)采井下煤炭資源，導(dǎo)致煤層頂?shù)讕r體之間形成了采空空間，尤其改變了頂部巖體內(nèi)原應(yīng)力平衡狀態(tài)，上覆巖層在重力作用下充填已采空空間，使上覆巖層依次發(fā)生冒落、斷裂、離層、裂隙、彎曲等不同的變形與破壞，該狀態(tài)逐漸波及地表，致使地表形成塌陷及裂縫，造成采空區(qū)塌陷地質(zhì)災(zāi)害。

根據(jù)《某煤礦閉坑地質(zhì)報(bào)告》［3］顯示，某煤礦參加煤炭資源儲(chǔ)量計(jì)算的煤層共14 層，以C13煤層為最厚（平均為6 m 左右），主要煤層情況一覽表見(jiàn)表2。該礦礦權(quán)西北部分根據(jù)儲(chǔ)量核實(shí)報(bào)告顯示，由于地質(zhì)構(gòu)造極其復(fù)雜，為孤立狹長(zhǎng)構(gòu)造地段，對(duì)于此部分均不進(jìn)行儲(chǔ)量估算。主區(qū)綜合園東北角部分位于沉陷區(qū)范圍附近，位置相對(duì)關(guān)系見(jiàn)圖1。

圖1 綜合園與煤礦位置關(guān)系圖

表2 某煤礦主要煤層情況一覽表

根據(jù) 《某煤礦閉坑地質(zhì)報(bào)告》，閉坑后礦井水通過(guò)-612 mB4 煤底板巷排水管路進(jìn)入新莊孜礦五水平水倉(cāng)，正常排水，供礦井閉坑后排水使用，未與評(píng)估區(qū)形成水力聯(lián)系。

4.1 地表集中移動(dòng)延續(xù)時(shí)間分析

根據(jù)《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》（GB 51044—2014）［4］，采空區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定性可采用開(kāi)采條件判別法，當(dāng)無(wú)類似經(jīng)驗(yàn)時(shí)，宜以采空區(qū)終采時(shí)間為主要因素。

根據(jù)某煤礦煤層平均開(kāi)采深度H0取372 m，T=2.5 H0=2.5×372=930 d，目前礦井已關(guān)閉。2017 年3 月編制閉坑地質(zhì)報(bào)告，截至2021 年10 月，t=365×4+30×7=1 670 d＞1.2×930 d=1116 d，且t=1 670 d＞730 d，穩(wěn)定等級(jí)為穩(wěn)定。

4.2 地表殘余變形沉降分析

根據(jù)地區(qū)采礦經(jīng)驗(yàn)，出現(xiàn)地面塌陷雖已經(jīng)穩(wěn)定的采空區(qū)，也會(huì)由于自然力或外力人為擾動(dòng)而發(fā)生塌陷或已穩(wěn)定的塌陷出現(xiàn)“殘余變形沉降”現(xiàn)象。產(chǎn)生“殘余變形沉降”現(xiàn)象的根源是在破壞的覆巖中，雖然各種巖體結(jié)構(gòu)依然存在，但伴隨這些結(jié)構(gòu)形成的殘留空洞、裂縫、離層和破碎巖塊等欠壓密狀態(tài)，在一定外力作用下，均可出現(xiàn)“殘余變形沉降”現(xiàn)象。依據(jù)2017 版《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》［5］中的開(kāi)采傾斜煤層地表下沉盆地的變形值計(jì)算見(jiàn)式（1）。

式中：r 為主要影響半徑；H1為松散層厚度；H2為基巖層厚度；α 為松散層移動(dòng)角；β 為下山移動(dòng)角；γ 為上山移動(dòng)角。

根據(jù)《安徽某開(kāi)發(fā)區(qū)壓覆礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量調(diào)查評(píng)估報(bào)告》中提供的礦區(qū)實(shí)測(cè)的地表移動(dòng)參數(shù)，地表松散層移動(dòng)角α 取41°，基巖移動(dòng)角下山β 取44°，根據(jù)評(píng)估區(qū)勘測(cè)數(shù)據(jù)，煤礦松散層平均厚度H1＝30 m，下山處H2=681 m，計(jì)算下山處影響半徑r=30/tan41°+681/tan44°=739.7 m。

依據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》，采空塌陷深度選用公式（2）計(jì)算。

式中：q 為下沉系數(shù)；Wcm為最大下沉值；M 為煤層的平均厚度；α 為礦層傾角。

參照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》 附表3-1 中巖性與預(yù)測(cè)關(guān)系相關(guān)關(guān)系表，中硬覆巖下沉系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值按閉坑地質(zhì)報(bào)告取0.75，礦層傾角α 取20°，煤層平均厚度6.0 m。

表3 按終采時(shí)間確定采空區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定性等級(jí)

經(jīng)計(jì)算預(yù)測(cè)煤礦塌陷區(qū)最終最大下沉深度約為4.23 m。

最大傾斜變形值：

icm=Wcm/r=4.23×1000/739.7=5.72 mm/m∈（3，6）mm/m

最大曲率變形值：

kcm=1.52 Wcm/r2=1.52×4.23×1000/739.72=0.012＜0.2 mm/m

最大水平變形值：

εcm=1.52 bWcm/r=1.52×0.18×4.23×1000/739.7=1.56 mm/m＜2 mm/m

式中：b 為水平移動(dòng)系數(shù)，按《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》（GB 51044—2014）附錄J 取b=0.18。

根據(jù) 《地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估規(guī)范》（DZ/T 0286—2015）附錄D 表8（表1），按就高不就低原則，采空塌陷發(fā)育程度中等。

綜上所述，根據(jù)上述采空塌陷地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)評(píng)估及 《地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估規(guī)范》（DZ/T 0286—2015），預(yù)測(cè)評(píng)估區(qū)遭受采空塌陷地質(zhì)災(zāi)害的可能性中等，發(fā)育程度中等，危害程度中等，危險(xiǎn)性中等。

5 地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)評(píng)估區(qū)地形平坦、沖擊平原地貌；無(wú)斷層、褶皺穿過(guò)等復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造；區(qū)域地殼穩(wěn)定性較為穩(wěn)定；有稍堅(jiān)硬碎屑巖及碳酸鹽巖和稍密黏土體；1～2 層含水層；破壞地質(zhì)環(huán)境的人類工程活動(dòng)強(qiáng)度較低；釆空塌陷位于評(píng)估區(qū)范圍占比極小，釆空塌陷導(dǎo)致地面塌陷狀態(tài)趨于穩(wěn)層，其變化規(guī)律基本摸清，對(duì)評(píng)估區(qū)承災(zāi)體影響中等、危險(xiǎn)性中等。以“區(qū)內(nèi)相似、區(qū)際相異”的原則，采用定性分析和半定量法，進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性綜合分區(qū)評(píng)估；根據(jù)預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)結(jié)果，依照危險(xiǎn)性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)評(píng)估區(qū)進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)。

綜上所述，開(kāi)發(fā)區(qū)主區(qū)綜合園東北部可能遭受采空塌陷地質(zhì)災(zāi)害，其危害程度中等，發(fā)育程度中等，危險(xiǎn)性中等。其用地適宜性評(píng)價(jià)分級(jí)按照《地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估規(guī)范》（DZ/T 0286—2015）表24 為基本適宜。

6 采空塌陷防治措施

為避免和減輕開(kāi)發(fā)區(qū)內(nèi)建設(shè)工程活動(dòng)對(duì)地質(zhì)環(huán)境的不良影響，從而導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害給人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成的損失，根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，結(jié)合評(píng)估區(qū)地質(zhì)環(huán)境背景，提出以下防治措施和建議。

（1）對(duì)采空塌陷影響范圍內(nèi)的工程建設(shè)房屋高度進(jìn)行限制，以矮層建筑為適宜，防止地表建筑物及重載廠房外在加壓，致使老采空區(qū)因受力過(guò)大而“活化”。

（2）如有大型設(shè)施或重要建設(shè)項(xiàng)目，宜對(duì)擬建場(chǎng)地進(jìn)行詳細(xì)的勘察，查明場(chǎng)地巖土體工程特征，為項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工提供必要的參考依據(jù)，并采用抗殘余變形、活化變形的加強(qiáng)保護(hù)措施。

（3）對(duì)采煤沉陷區(qū)進(jìn)行工程建設(shè)時(shí)，在技術(shù)和施工條件符合要求時(shí)，建筑物長(zhǎng)軸應(yīng)與地表下沉等值線相切為宜；大口徑重要地下管網(wǎng)設(shè)施宜在管口接頭處使用柔性接頭或設(shè)置補(bǔ)償器等措施。

（4）若經(jīng)濟(jì)條件和環(huán)境條件允許，可在建設(shè)中和建設(shè)后進(jìn)行場(chǎng)地的變形監(jiān)測(cè)。

7 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)采空區(qū)按終采時(shí)間判定穩(wěn)層等級(jí)，以一般地表移動(dòng)變形估算變形參數(shù)，快速便捷對(duì)采空塌陷區(qū)域進(jìn)行綜合評(píng)估，這種粗略估算雖沒(méi)有對(duì)特定區(qū)域特定點(diǎn)位地表變形參數(shù)計(jì)算，但本次估算對(duì)區(qū)域綜合評(píng)判可謂1 種簡(jiǎn)易評(píng)估方法。

（2）綜合園局部位于采煤塌陷區(qū)影響范圍內(nèi)，采煤沉陷已經(jīng)趨于穩(wěn)定，經(jīng)特征值預(yù)測(cè)其發(fā)育程度屬中等，危害程度中等，危險(xiǎn)性中等，其適宜性基本適宜。