劉士秀 孫洪德

[摘要]對遼寧省東北煤田礦區(qū)因采礦引發(fā)的地面沉降和地面塌陷兩種地質(zhì)災害進行分析研究,并提出預測方法。

[關(guān)鍵詞]煤田礦區(qū)地表深陷地質(zhì)災害危險性分析

中圖分類號:TD-0文獻標識碼:A文章編號:1671-7597(2009)1210144-01

一、礦區(qū)地質(zhì)災害現(xiàn)狀

(一)地質(zhì)災害類型

隨著煤炭資源的大量采出,采礦引發(fā)的地質(zhì)災害也是顯而易見的,特別是地面沉降與地面塌陷。平均開采萬噸煤地面沉陷面積為6.87畝,地面沉陷與地面塌陷造成了房屋及其他構(gòu)筑物的變形和破壞。

通過對東北煤田采煤沉陷區(qū)及受損村莊地質(zhì)災害調(diào)查,礦區(qū)主要地質(zhì)災害類型為地面沉降、地面塌陷,次要類型為與地面沉陷伴生的地裂縫。

1.采礦地面沉降。采礦地面沉降是指由于采礦引發(fā)的地面下降,其特點是下降過程是漸變的,較為緩慢,造成的變化是地面高程的普遍的均勻的降低,對地面的原始形態(tài)影響不大,從區(qū)域上形成淺而大的平底盆地,面積較大,進行簡單排水,對農(nóng)耕無大影響。2.采礦地面塌陷。采礦地面塌陷是指由于采礦引發(fā)的地面下陷,其特點是在時間上突發(fā)或在短期內(nèi)發(fā)生,形成明顯的地形破壞和塌坑,深度較大,面積較小。地面塌陷多出現(xiàn)在采深較淺(60-400m)的礦區(qū),通常塌陷坑內(nèi)有積水。這里把采礦沉降和采礦塌陷統(tǒng)稱為采礦沉陷。3.采礦地裂縫。本區(qū)地裂縫為采煤沉陷的伴生災害,分布在地面沉降、地面塌陷的邊緣。根據(jù)地表變形模擬曲線分析,地裂縫多發(fā)生在曲線的拐點處,屬于拉張斷裂。4.矸石山崩塌。平地自卸式排矸形成的矸石山,坡度較大,自燃現(xiàn)象普遍。偶爾發(fā)生噴爆現(xiàn)象,造成一定規(guī)模的矸石山崩塌。近年來,大隆礦區(qū)發(fā)生過3起矸石山崩塌,崩塌規(guī)模較小,影響范圍小。附近村莊的建筑場地未受其危害。礦區(qū)主要地質(zhì)災害類型為地面沉降與地面塌陷(統(tǒng)稱地面沉陷)。

(二)地面沉陷災害特征規(guī)律

1.地面沉陷原因。采煤引起地面沉陷:大隆礦為多煤層賦存,而且煤層厚度變化較大。煤層開采引發(fā)地應力的重新分布,并在巷道圍巖產(chǎn)生應力集中,使煤層頂板產(chǎn)生變形、斷裂和垮落,整個覆巖的變形破壞和移動,導致地表形成大范圍的沉陷盆地。加之是機械化采煤,開采強度大,多煤層的重復采動,導致地下擾動范圍加大,造成地面大面積沉陷。

礦坑降水引起地面沉陷:當巖土體內(nèi)的水被疏干后,孔隙水壓力降低,固態(tài)巖土所承受的應力將增大,導致巖土體本身的固結(jié)壓密,使疏水范圍之內(nèi)的巖土體壓密引起上部巖土體沉降。這些壓縮層變形后,其周圍原有的應力平衡狀態(tài)被破壞,迫使巖層產(chǎn)生移動和變形,以達到新的應力平衡。變形發(fā)展到地表,形成一個范圍擴大的地表移動盆地,其中以地面的下沉變形為主,所以又稱為地面沉降。

煤炭開采引起采場覆巖破壞以及上覆巖層的移動變形,導致巖層應力的重新分布,改變巖土體中水的滲流特征,而水的滲透又改變巖土體的應力狀態(tài),最終在地面產(chǎn)生沉陷,引起地面建筑設(shè)施的破壞。

2.沉陷規(guī)律

(1)礦區(qū)地面下沉盆地形成的過程。當回采工作面推進到一定距離時,地面才開始移動,這個距離為開采深度的1/4-1/2。隨著工作面的推進,地面出現(xiàn)移動盆地,且移動盆地逐漸擴大。最大下沉點位于盆地中央,最大下沉值也逐漸增大。當采空區(qū)面積達到臨界開采面積時,地面最大下沉值基本不再變化,即形成一個平底的地面移動沉陷盆地。

(2)地面沉陷基本規(guī)律。地面移動盆地穩(wěn)定后主斷面的移動與變形規(guī)律分析如下:①下沉曲線:下沉指地表移動的垂直分量。下沉曲線表示地表移動盆地內(nèi)下沉的分布規(guī)律。地表移動沉陷盆地穩(wěn)定后,盆地走向主斷面的下沉曲線大致位于采空區(qū)正上方,且基本以最大下沉點為中心對稱分布。下沉曲線各點的下沉值以盆地邊緣為零點開始向盆地中央逐漸增大。下沉曲線拐點除個別站受相臨采區(qū)影響偏向煤柱方向外,其余一般向采空區(qū)偏移。拐點處下沉值約為地表最大下沉值的1/2。在非充分采動情況下,地表最大下沉點只有一個,且未達到該地質(zhì)采礦條件下的最大值。②傾斜曲線:傾斜指地表單位長度內(nèi)下沉的變化量。傾斜曲線表示地表移動盆地內(nèi)傾斜的變化規(guī)律。地表移動穩(wěn)定后,下沉盆地的傾斜值在走向主斷面上以最大下沉點為中心近似對稱分布。左半盆地向右傾斜,右半盆地向左傾斜。在下沉曲線的拐點處,傾斜值最大。位于盆地中心點和盆地邊緣處傾斜值為零。在煤層傾斜埋藏條件下,在傾斜主斷面上,傾斜曲線與走向主斷面上的分布規(guī)律有所不同,即呈非對稱性。上山方向最大傾斜值大于下山方向最大傾斜值。③水平移動曲線:水平移動是地表移動的水平分量。水平移動曲線是表示地表移動盆地內(nèi)水平移動分布規(guī)律。地表移動穩(wěn)定后,在走向主斷面的水平移動曲線與傾斜曲線分布形態(tài)基本相似。在充分采動條件下,盆底中央的主斷面上形成水平移動零區(qū)。而在非充分采動條件下,盆底中央主斷面上只有一個零點。

以上為地表產(chǎn)生連續(xù)變形情況下的地表移動與變形規(guī)律。

二、沉陷特征

根據(jù)《鐵法礦區(qū)地表與巖移觀測子資料總結(jié)報告》,并考慮大隆礦區(qū)的地質(zhì)與采礦條件,總結(jié)出該地區(qū)采煤沉陷特征如下:

(1)地表沉陷曲線基本呈正態(tài)分布;(2)多數(shù)礦井屬于多煤層開采,地面沉陷與變形量大,重復采動次數(shù)多,導致地面建筑設(shè)施受損嚴重,持續(xù)時間長;(3)隨著采深的增加,地表各項變形值減小;(4)礦坑降水進一步擴大沉陷范圍;(5)鐵法煤田開采歷史悠久,老采空區(qū)分布范圍大,集中連片,老采空區(qū)上部各建(構(gòu))筑物及其他設(shè)施分布密集;(6)地面沉陷后,地面塌陷坑容易積水,從而對房屋造成損害;(7)地下開采活動導致生活供水水源受到破壞。

三、采煤引起的地面沉陷預測

完成地表移動觀測站觀測成果的整理工作后,應進一步求取該觀測站的預計參數(shù)。求取預計參數(shù),均是相對于某一種預計方法而言。根據(jù)“三下”采煤規(guī)程推薦,預計地表移動與變形時,我國煤礦大致采用以下幾種方法,即典型曲線法、負指數(shù)函數(shù)法、概率積分法、數(shù)值計算法(有限單元法、邊界元法和離散單元法等)。但無論采用什么方法,都應具備相應的計算參數(shù)。未經(jīng)實測資料充分驗證的方法,在預計中不宜采用。常用的方法為概率積分法。

概率積分法是把巖體看作一種隨機介質(zhì),把巖層看作由大量松散的顆粒體介質(zhì)組成,通過隨機介質(zhì)理論,把巖層移動看作一種服從統(tǒng)計規(guī)律的隨機過程,由此研究巖層與地表移動。

四、礦坑降水引起的地面沉陷預測

地下水位以下的巖土體,尤其是松散土體疏干后,土體的有效重度增加,加大受壓層的壓力,周圍原有的應力平衡狀態(tài)被破壞,迫使巖土層產(chǎn)生移動和變形,以達到新的應力平衡,這是一個復雜的物理、力學過程,稱為巖層移動。壓縮層直接頂板土層在上覆土層的作用下產(chǎn)生壓縮層變形,其上覆土層也順次產(chǎn)生向下的移動和變形。土層的變形發(fā)展到地表,形成一個范圍擴大的地表移動盆地。其中以地面的下沉變形為主,所以又稱為地面沉降。

參考文獻:

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