杉橋煤礦地面變形特征及采空區(qū)穩(wěn)定性評價

楊 青* 鄒 繼 宋建貴 梅 軍

（湖南省工程地質(zhì)礦山地質(zhì)調(diào)查監(jiān)測所，湖南 長沙 410000）

煤礦開采不僅為我國的國民經(jīng)濟做出了巨大的貢獻，同時也帶來了一定的環(huán)境問題[1-4]，隨著國民經(jīng)濟的高質(zhì)量發(fā)展，為推動國家能源改革，使煤炭產(chǎn)業(yè)走上“減、優(yōu)、綠”之路，政策性的關(guān)閉了一些煤礦，關(guān)閉煤礦后續(xù)的地質(zhì)環(huán)境治理和土地資源開發(fā)利用問題仍然是當(dāng)?shù)卣闹攸c工作。

本次工作以杉橋煤礦開采歷史為研究背景，在資料收集及環(huán)境地質(zhì)調(diào)查成果的基礎(chǔ)上，以終采時間為主要因素，結(jié)合地面變形特征和采深采厚比對采空區(qū)穩(wěn)定性進行綜合評價及分區(qū)，為當(dāng)?shù)卣畬ν恋刭Y源的開發(fā)利用提供地質(zhì)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 地形地貌

研究區(qū)地處衡陽盆地中北部，歸屬湖南省衡陽縣東南的杉橋鎮(zhèn)管轄，面積2.95km2。區(qū)內(nèi)以丘陵地貌為主，地勢總體上為北高南低，中部為山丘，東、西部為寬緩沖溝，最高點位于研究區(qū)北側(cè)一帶，三鎮(zhèn)殿西北側(cè)山坡頂，海拔199.1m，最低點位于研究區(qū)南側(cè)沖溝鴨世塘附近，海拔63m，兩者相差136.1m。

1.2 地層巖性

研究區(qū)出露的地層由新至老分別為第四系（Q），白堊系上段（K2）、下段（K1），侏羅系中統(tǒng)沙井組（J22s)，侏羅系下統(tǒng)觀音灘組塔壩口段（J12t）、排家沖段（J11p），三疊系上統(tǒng)楊柏沖組（T3y）、泥盆系中統(tǒng)棋子橋組（D2q）、泥盆系中統(tǒng)跳馬澗組（D2t）、元古界板溪群（Pt)。其中三疊系上統(tǒng)楊柏沖組（T3y）為礦區(qū)的含煤地層，巖性以泥質(zhì)粉砂巖、砂質(zhì)泥巖為主，夾有泥巖、煤層和少量細砂巖，一般厚約58m，含煤7 層。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)白堊系紅層為寬緩的樞紐北起南伏的傾伏背斜，而煤系地層則屬于一半隱伏的走向北北西、傾向南西西、傾角40°～50°的簡單的單斜構(gòu)造。區(qū)內(nèi)發(fā)育2 組斷裂共9 條，一組斷裂為與地層走向近于平行、斷面西傾的3 條壓性分支斷裂，分別于礦區(qū)北部、中部和南部與主干斷裂呈銳角相交，平面上呈“入”字形構(gòu)造；另一組與主干斷裂近于垂直，為高角度張性斷裂，這組斷裂常切割走向分支斷裂，且多呈南盤下降、北盤上升，為主干斷裂的配套構(gòu)造。

2 采空區(qū)分布特征

據(jù)收集資料，礦山以往開采煤層為82、91、92、102煤層，主采煤層為91、92煤層，局部可采煤層為82、102煤層。82煤層僅南北兩端可采，+50m～-150m 水平于2004 年前已大部采完，僅剩南部走向約20m 未采完，-150m～-300m 水平尚未采動。102煤層僅南北兩端可采，+50m～-150m 水平于2004 年前已采完，-150m～-300m 水平尚未采動。91煤層全區(qū)發(fā)育，+100m～-150m 水平于2004年前已采完，-150m～-240m 水平中北部于2010-2014年間陸續(xù)開采部分范圍，-240m～-300m 水平尚未采動。92煤層區(qū)內(nèi)大部分面積可采，南部有部分面積不可采，+100m～-150m 水平于2004 年前已采完，-150m～-250m 水平中北部于2010-2014 年間陸續(xù)開采部分范圍，-250m～-300m 水平尚未采動。

杉橋煤礦經(jīng)過近40 年的開采，現(xiàn)已形成0.465km2的地下采空區(qū)，由于不同煤層開采的位置不同，故將采空區(qū)分為5 部分：1 號采空區(qū)82、91、92、102煤層均有開采，2 號采空區(qū)主要開采91、92煤層，3 號采空區(qū)主要開采91煤層，4 號采空區(qū)82、91、92、102煤層均有開采，5 號采空區(qū)僅開采91、92煤層。采空區(qū)的分布情況見圖1 所示。

圖1 采空區(qū)與煤層底板等高線圖

3 地面變形地質(zhì)災(zāi)害特征

地面變形地質(zhì)災(zāi)害是指在一定的自然條件和人為因素作用下，地下一定范圍內(nèi)的巖土體壓縮、位移等活動引起的地面下沉、塌落、開裂，對工程設(shè)施、城鄉(xiāng)環(huán)境以及人民生命財產(chǎn)造成危害的現(xiàn)象，因地面變形引起塌陷坑、地裂縫及建筑損毀的現(xiàn)象屬于地面變形特征[5-7]。

3.1 地面塌陷

據(jù)現(xiàn)狀調(diào)查及收集資料統(tǒng)計（截止到2018 年4 月），礦山于2015 年年初封堵、關(guān)閉，研究區(qū)共發(fā)生采空地面塌陷47 處，地面塌陷現(xiàn)象最早出現(xiàn)在1984 年，大多數(shù)塌陷坑發(fā)生塌陷的時間在2003 年到2015 年之間，2015 年至2017 年發(fā)生1 處塌陷。塌陷坑平面形狀為橢圓形或圓形，剖面形狀為漏斗狀，規(guī)模均為小型，塌陷坑長軸0.5-8m，短軸1-5m，最大深度約3m，塌陷坑多集中分布在杉橋村古家排、下杉橋及集福村鴨世塘一帶。

3.2 地裂縫

研究區(qū)范圍內(nèi)發(fā)育地裂縫有4處，位于采空區(qū)邊界及塌陷盆地邊緣，裂縫的走向與采空區(qū)邊界斜交，據(jù)調(diào)查訪問地裂縫發(fā)生時間為2009 年至2014 年，2015 年以后未見地裂縫發(fā)育，與礦山開采有一定的時空對應(yīng)關(guān)系，地裂縫長20m～300m，寬0.05m～0.3m，近年來未見進一步加劇現(xiàn)象。

3.3 建筑損毀

據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，研究區(qū)范圍內(nèi)因礦業(yè)活動受損的建筑物有56 處，受損的建筑多為磚土或磚混結(jié)構(gòu)。隨著采深越大，地表移動盆地的范圍越大[8]，研究區(qū)主采煤層9 煤層最大采深約342m，采空區(qū)地表移動盆地影響寬度約為850m，最大下沉值達1.0m，建筑物的損毀與采空區(qū)地表移動密切，基本位于采空區(qū)地表移動盆地范圍內(nèi)，少數(shù)在盆地邊緣附近。

4 采空區(qū)場地穩(wěn)定性評價

因無地表移動變形實測資料，本次評價工作選擇開采條件判別法，在資料收集及環(huán)境地質(zhì)調(diào)查成果基礎(chǔ)上，以終采時間為主要因素（截止到2018 年4 月），結(jié)合采空區(qū)采深采厚比、地面變形特征評價因子進行穩(wěn)定性分區(qū)評價，劃分為不穩(wěn)定、相對穩(wěn)定和穩(wěn)定三個等級[9-10]，最后綜合分析各個因子評價結(jié)果，確定對研究區(qū)場地穩(wěn)定性的分區(qū)評價。

4.1 終采時間

終采時間即自終采延續(xù)到現(xiàn)今的時間，首先以終采時間作為主控因素進行劃分。由于杉橋煤礦無采空區(qū)地表移動變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，故依照《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》H.0.6，當(dāng)采空區(qū)采深小于400m 時，礦山開采地表移動的持續(xù)時間按公式T（d）=2.5H0，H0為采深（m）計算，礦山采空區(qū)最大采深為342m，地表移動延續(xù)時間T=2.5*342=855d，礦山于2014 年底停產(chǎn)，2015 年2 月2日封堵、關(guān)閉，依據(jù)表1 采空區(qū)終采時間t＞1.2T 且t＞730，判定采空區(qū)全區(qū)為穩(wěn)定區(qū)。

4.2 地面變形特征

據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，礦區(qū)地表整體呈現(xiàn)下沉的趨勢，在不同的區(qū)域產(chǎn)生不同的位移變形，塌陷坑及地裂縫主要發(fā)生在采空區(qū)內(nèi)及邊緣，受損房屋主要分布在地表移動盆地中間及邊緣區(qū)。依據(jù)《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》中表12.2.3-2，按變形特征評判采空區(qū)場地穩(wěn)定性等級為不穩(wěn)定。

4.3 采深采厚比

根據(jù)礦山地質(zhì)條件及開采方式，并參考地區(qū)經(jīng)驗，該處采空區(qū)穩(wěn)定性采深采厚比臨界值取120，即采深采厚比大于120 的采空區(qū)為基本穩(wěn)定區(qū)～穩(wěn)定區(qū)；采深采厚比小于120 的采空區(qū)為不穩(wěn)定區(qū)。對采空區(qū)各區(qū)地面高程取區(qū)內(nèi)最大高程，計算采深采厚比結(jié)果及采空區(qū)穩(wěn)定性評價結(jié)果見表2。由表2 可知，除3 號采空區(qū)為基本穩(wěn)定區(qū)外，其它采空區(qū)均處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

表2 根據(jù)采空區(qū)采深采厚比確定采空區(qū)場地穩(wěn)定性等級

4.4 穩(wěn)定性綜合評價與分區(qū)

采用上述穩(wěn)定性分區(qū)成果疊加分析，將研究區(qū)劃分為兩個不穩(wěn)定區(qū)（Ⅰ-1、Ⅰ-2）、一個基本穩(wěn)定區(qū)（Ⅱ）和一個穩(wěn)定區(qū)（Ⅲ）。從圖2 可知，不穩(wěn)定區(qū)主要分布在以下幾個區(qū)域：Ⅰ-1 不穩(wěn)定區(qū)位于礦區(qū)中部杉橋村半邊街、古家排及下杉橋一帶，地表變形較大，塌陷坑及地裂縫發(fā)育強烈，調(diào)查時發(fā)現(xiàn)該區(qū)域建筑物開裂現(xiàn)象明顯；Ⅰ-2 不穩(wěn)定區(qū)位于礦區(qū)南部下杉橋、鴨世塘一帶，采深采厚比小于120，且塌陷坑分布密集。

圖2 穩(wěn)定性分區(qū)圖

5 結(jié)論

杉橋煤礦經(jīng)過多年開采，礦山地質(zhì)環(huán)境受到了較大的破壞，主要表現(xiàn)在采空地面塌陷、地裂縫發(fā)育強烈，地表建筑物受損較嚴(yán)重等情況，對當(dāng)?shù)氐纳a(chǎn)生活造成了一定的影響。通過對礦山采空區(qū)特點及地面變形特征的分析，以終采時間、地面變形特征、采深采厚比等因素綜合評判了研究區(qū)的穩(wěn)定性，評價結(jié)果顯示不穩(wěn)定區(qū)主要分布在杉橋鎮(zhèn)半邊