淺析襄垣縣地面塌陷的破壞特征及風(fēng)險管控建議

何文思

（山西省地質(zhì)勘查局二一二地質(zhì)隊有限公司，山西長治 046000）

1 概述

煤炭資源開發(fā)所造成的地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害也是襄垣縣最主要的地質(zhì)災(zāi)害種類之一，其危害區(qū)域大、波及面寬、所產(chǎn)生的社會危害也大。近年來，由于地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域的擴大，襄垣縣內(nèi)大批民房被毀壞，大片農(nóng)田和地下水資源遭受嚴(yán)重?fù)p害，不少村莊被迫整體搬遷，嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)氐纳鐣捕ê徒?jīng)濟發(fā)展。襄垣縣土地塌陷的產(chǎn)生主要受開采行為的制約。采空區(qū)范圍內(nèi)產(chǎn)生時，由于在煤層的直接頂部砂石或頁巖中的上覆巖石形成了一個架空構(gòu)造，原來的周圍應(yīng)力平衡關(guān)系發(fā)生了打破，采空區(qū)的直接頂部巖層在墻體自身與上覆巖石體的相互壓迫影響下，發(fā)生了向下扭曲和移動改變；當(dāng)直接頂層巖體內(nèi)部所產(chǎn)生的拉張應(yīng)力達(dá)到了該巖體的最大抗拉強度極限時，直接頂部產(chǎn)生了冒落，上覆巖石扭曲、移動、斷裂發(fā)生變化，隨采空區(qū)范圍增加，在土壤中產(chǎn)生了下沉改變。

本文通過對現(xiàn)狀地面塌陷對居民建筑和農(nóng)田的破壞特征，提出地面塌陷的風(fēng)險管控建議。

2 現(xiàn)狀地面塌陷變形破壞特征

2.1 地面塌陷對居民建筑的變形破壞特征

襄垣縣經(jīng)濟發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)是煤炭工業(yè)，由于煤層開采后引發(fā)地表移動變形進(jìn)而影響地表建筑物。由于歷史上襄垣縣煤炭資源存在過的無序開采，導(dǎo)致部分村莊及居民點受到采空區(qū)變形的影響，采空區(qū)變形對上部建筑物造成嚴(yán)重威脅，極大的影響了當(dāng)?shù)鼐用裾Ｉ罴柏敭a(chǎn)安全。

受采煤活動影響的地表建筑物其自身形態(tài)會發(fā)生變化，最常見的形式是墻體出現(xiàn)裂縫，建筑物墻體出現(xiàn)的裂縫最直觀的影響是降低建筑物的外觀美感，最致命的影響是對建筑物的安全性及使用壽命產(chǎn)生極大影響。襄垣縣采空區(qū)建筑物墻體常見的裂縫主要有以下幾種類型。

（1）墻體頂端的豎向裂縫。受煤炭采礦活動環(huán)境影響，非鋼直徑砼圈柱及壁頂水平配筋砌體帶的建筑，墻頂較易出現(xiàn)垂直裂縫。這種裂縫的共同特征是：上部較寬，下部窄，豎向向下發(fā)育，由于橫墻的強度比縱墻的強度大，因此縱墻出現(xiàn)的豎向裂縫明顯較多，橫墻出現(xiàn)的豎向裂縫明顯較少（見圖1）。

圖1 夏店鎮(zhèn)馬喊村房屋豎向裂縫

（2）窗臺墻上的豎向裂縫。此裂縫往往是從窗臺洞口處向下發(fā)育，上面寬下面窄，窗口寬度越大，裂縫的發(fā)育形勢越嚴(yán)重。窗臺洞口處墻體上產(chǎn)生豎向裂縫的原因是受到采煤掘進(jìn)活動引起的地表正曲率變形的影響，窗臺板成為了反梁，導(dǎo)致窗臺墻受到彎曲變形進(jìn)而產(chǎn)生了裂縫（見圖2）。

圖2 古韓鎮(zhèn)西港村窗臺墻上豎向裂縫

（3）窗間墻上的水平裂縫。這種裂縫經(jīng)常出現(xiàn)在建筑物下的門窗洞口水平處（見圖3），在門窗洞口的邊緣這種裂縫很寬。窗間墻上的水平裂縫產(chǎn)生的主要原因是：由于采煤掘進(jìn)活動影響建筑物的窗間墻體，除了受到了自重及上方墻體的縱向作用力還要承受由于地表曲率變形導(dǎo)致的門窗及層間水平砌體的應(yīng)力變化產(chǎn)生的彎矩。

圖3 富陽工業(yè)園區(qū)窗臺墻上水平裂縫

（4）磚過梁上的豎向裂縫。門窗窗臺的垂直裂縫往往在磚過梁中間產(chǎn)生，然后向上發(fā)展，門窗梁處裂縫寬度較大（見圖4）。建筑物的水平砌體帶在表面負(fù)曲率下彎曲產(chǎn)生拉應(yīng)力，導(dǎo)致磚梁上方出現(xiàn)垂直裂縫，對于建筑物底部的磚過梁，在墻體結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)由于地表水平移動變形引起的拉應(yīng)力可能會產(chǎn)生裂縫。

圖4 上良村磚過梁上豎向裂縫

2.2 地面塌陷對農(nóng)田的變形破壞特征

襄垣縣農(nóng)田受采煤活動影響最常見的變形破壞形式主要包括塌陷坑及地裂縫兩種，其主要變形破壞特征如下：

塌陷坑：襄垣縣的塌陷坑多是由煤炭采空時產(chǎn)生，由于分布范圍廣泛，危險性也很大，其平面形狀復(fù)雜多變，常呈不規(guī)則的圓形、橢圓形、長條形等，按其形態(tài)分成漏斗式塌陷坑和槽式塌陷坑等二種類型。

地裂縫：地裂縫是采空區(qū)地塌陷的常見表現(xiàn)形式。常單獨出現(xiàn)，也可組合形式出現(xiàn)，或與塌陷坑相伴出現(xiàn)。塌陷裂縫一般長幾米至幾百米，寬幾厘米至數(shù)米。地裂縫還具備了一定的形狀特點，如直線型地裂縫：裂隙大小均勻，延伸方向走向相對穩(wěn)定；曲線形式：裂縫成圓弧曲線，大多數(shù)從工作面的一邊擴展至另一邊。

襄垣縣地面塌陷最主要以上述兩種形式或組合出現(xiàn)、或單獨出現(xiàn)，以下結(jié)合實例進(jìn)行詳細(xì)闡述。

（1）塌陷坑伴生地裂縫——夏店鎮(zhèn)北馬喊村地面塌陷：夏店鎮(zhèn)北馬喊村地面塌陷位于北馬喊村西農(nóng)田處，其最主要的變形破壞型式是塌陷坑和伴生地裂縫，塌陷發(fā)生日期大約在今年清明，但近期變化更加劇烈，塌陷坑直徑約2m，成橢圓狀分布，長軸約2m，短軸約1.8m，可見深度約2m，裂縫長約100~200m，走向約220°左右。裂縫寬約1~5cm。該處的地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)峻危及著村民的工作和生活安全（見圖5）。

圖5 北馬喊村塌陷坑伴生地裂縫

（2）塌陷坑——王橋鎮(zhèn)東山底村地面塌陷：王橋鎮(zhèn)東山底村地面塌陷位于東山底村北，田內(nèi)分布有多處地面塌陷，村北耕地里有2處地面塌陷。呈圓形分布，坑直徑約6m，深度約1.5m。有一處地面塌陷現(xiàn)村民堆放垃圾（見圖6）。

圖6 東山底村塌陷坑

（3）地裂縫——王橋鎮(zhèn)西山底村地面塌陷：王橋鎮(zhèn)西山底村地面塌陷位于西山底村西，其最主要的變形破壞形式為地裂縫。共發(fā)育兩條，其地裂縫1，走向315°，裂縫長約9.5m，寬約0.8m，可見深度約0.5m；裂縫1東側(cè)約500m出現(xiàn)地裂縫2，與地裂縫1走向為斜交展布，走向240°，長約15m，最大寬約1.2m，可見深度約0.6m，裂縫出現(xiàn)時間為2016年（見圖7）。

圖7 西山底村地裂縫

3 地面塌陷風(fēng)險管控措施探討

3.1 對居民建筑的風(fēng)險管控措施

地面塌陷、地面的移動變形打破了建筑地面內(nèi)部的平衡狀況，從而使得房屋出現(xiàn)變化、損壞進(jìn)而使住宅坍塌，給住戶正常生活帶來了許多問題，危及到人民的身體健康和產(chǎn)業(yè)安全性。房屋為什么會發(fā)生變形破壞，主要是因為由于采空區(qū)面積的變化產(chǎn)生而使房屋原來的應(yīng)力狀況改變所引起的，故為了維護(hù)房屋的安全穩(wěn)固性，從二個方面來進(jìn)行，一是對采空區(qū)面積變化的處理；二是對房屋本身的處理。

（1）避險搬遷。對損毀、變化嚴(yán)重的村鎮(zhèn)、居住建筑物宜采取整村及部分村莊避讓拆遷辦法，新農(nóng)村建設(shè)項目布局宜以避讓為主，重點建設(shè)項目、居民點及其他建設(shè)項目宜盡可能避免采空區(qū)域和采礦塌陷區(qū)的危害區(qū)域。

（2）監(jiān)測預(yù)警。

①GPS-PPK 技術(shù)對地面塌陷監(jiān)測。監(jiān)測內(nèi)容：監(jiān)測塌陷面積、塌陷深度、沉降速率，分析塌陷趨勢。監(jiān)測實行專業(yè)監(jiān)測，首先在礦區(qū)及附近建立基準(zhǔn)點網(wǎng)，利用PPK 技術(shù)對塌陷坑的形態(tài)、面積和深度及相關(guān)要素的變化狀況實施定期監(jiān)測。監(jiān)測網(wǎng)點布設(shè)原則上以達(dá)到基本控制塌陷區(qū)形態(tài)，較精確測量塌陷區(qū)面積和下沉深度為宜，以控制性為主。監(jiān)測點主要布置于可能受塌陷影響的村莊、道路、塌陷區(qū)邊緣等處。監(jiān)測頻率周期為每季度一次。

②簡易地質(zhì)災(zāi)害觀測。在已發(fā)生過的地面塌陷處，尤其是發(fā)育程度較重的部位，應(yīng)監(jiān)測地面、房屋墻體、門窗的變形，將已變形且尚未治理很好的塌陷和地面建筑物進(jìn)行重點治理、保護(hù)及監(jiān)測，在暴雨期做好防范和撤離準(zhǔn)備；對已出現(xiàn)裂縫的房屋墻體、門窗采取簡易的卷尺、剛直尺及貼條法進(jìn)行監(jiān)測。

（3）工程治理。

①應(yīng)通過物探、鉆探、調(diào)查考察等技術(shù)方法加以勘探，查清采空區(qū)的位置、埋深及穩(wěn)定性。按照采空區(qū)的分布、埋深及穩(wěn)定性，通過灌漿、回填、樁基等工程措施確保建筑物的安全。

②對采空區(qū)上部村民房屋，應(yīng)及時對裂縫進(jìn)行加固或填充。增強建筑物的整體剛度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，進(jìn)而提高建筑物的抗形變能力。

以下結(jié)合實例進(jìn)行詳細(xì)闡述：

（1）工程治理——候堡鎮(zhèn)邕子村地面塌陷：候堡鎮(zhèn)邕子村地面塌陷位于邕子村，該處塌陷區(qū)位于常村煤礦采空區(qū)范圍內(nèi)，該煤礦始建于1995 年，現(xiàn)主采3#煤層，開采時間為2015年，由于煤層開采導(dǎo)致該村多處房屋出現(xiàn)墻體裂縫，隨墻體豎向延伸至墻底，裂縫寬約0.3~0.5cm，村北部分房屋開裂較明顯。裂縫寬約5cm，近兩年墻體有加劇開裂跡象。

（2）監(jiān)測預(yù)警——夏店鎮(zhèn)馮家莊地面塌陷：夏店鎮(zhèn)馮家莊地面塌陷位于馮家莊村，該地面塌陷位于晉平煤業(yè)采空區(qū)范圍內(nèi)，主開采3#煤層，開采時間為2003年，村內(nèi)房屋有輕微開裂跡象，開裂時間約2005 年左右，建議對其進(jìn)行長期監(jiān)測。

（3）避險搬遷——候堡鎮(zhèn)西回轅村地面塌陷：候堡鎮(zhèn)西回轅村地面塌陷位于西回轅村內(nèi)，該處塌陷區(qū)位于常村煤礦采空區(qū)范圍內(nèi)，該煤礦始建于1995年，現(xiàn)主采3#煤層，開采時間為2015年，該村村東村民房屋2012年大部分已拆遷，暫借住其他地方，新村未蓋好，舊村內(nèi)老房屋開裂明顯，裂縫寬約10cm，隨墻體豎向延伸至墻低，貫通性強。村內(nèi)道路地裂縫開裂明顯，裂縫寬約0.5~10cm。

3.2 對農(nóng)田的風(fēng)險管控措施

隨著土壤塌陷區(qū)域的擴展，涉及到的土地和耕地均遭到損毀，農(nóng)作物栽培和收割陷入困難。采煤塌陷形成低洼積水坑或沼澤地，對地表植被和生態(tài)系統(tǒng)破壞嚴(yán)重，打破了原有的生態(tài)平衡。由于土壤表面能夠栽培大量莊稼，而土地的坍塌又會損傷土地表面，使農(nóng)田根本就無法正常耕作，從而造成了大量農(nóng)田絕產(chǎn)，給農(nóng)戶經(jīng)濟帶來了重大損失，農(nóng)戶的基本生存條件和農(nóng)田資源也進(jìn)一步遭到了破壞，因此土地坍塌所造成的社會影響也十分嚴(yán)峻，農(nóng)村經(jīng)濟與礦業(yè)之間、人地的矛盾沖突也更加尖銳。

（1）地形整治。

①淺塘整治：將塌陷區(qū)域大且水位較淺的積水區(qū)劃分為淺塘，并加以針對管理，將清理的污泥暫時放置到周圍地勢略高的地方，最后再回填在道路堤塘周圍。

②挖深墊淺：把塌陷相對嚴(yán)重的地方或者相對受損害小的地方包括林地和農(nóng)田。剝離表層泥土后，將沉降深度大于2m 的地方挖深，填在沉降量不大的地方，以使土壤維持在高出表面的情況。

③綠化：采礦導(dǎo)致地面塌陷會使生態(tài)環(huán)境遭受很大損失，應(yīng)對坍塌積水的岸邊和急需維修的魚塘進(jìn)行全面綠化管理，可以采用種植速生楊、土壤中撒上草種的方法進(jìn)行。

（2）土地恢復(fù)。

①對部分塌陷程度不深、范圍不大的塌陷坑進(jìn)行回填與清理作業(yè)，而對于塌陷現(xiàn)象較為明顯的區(qū)域則要進(jìn)行回填作業(yè)，在下方利用煤矸石進(jìn)行分類回填，最后整平。平整完成后，在上方使用耕植土，以促進(jìn)植被生長和農(nóng)作物的發(fā)育。

②根據(jù)沉陷的破壞程度復(fù)墾方法，一般有表土剝離(回覆)、裂隙充填、土地平整、翻耕、土地培肥等。由于在開采過程中，對耕地中的基本農(nóng)田進(jìn)行充填采空區(qū)的防護(hù)措施，以減少土壤地表沉陷收縮和土裂紋發(fā)生，從而降低對基本農(nóng)田的破壞范圍、損傷程度，并采取提高培肥量、培肥時間等，以確保基本農(nóng)田品質(zhì)不下降。

（3）監(jiān)測預(yù)警。設(shè)立了村級監(jiān)測網(wǎng)，進(jìn)行了群測群防，村級監(jiān)測網(wǎng)一般由村主任、隊長管理，并采取了定期巡測與汛期強化監(jiān)測有機地結(jié)合的形式開展，定期巡測通常為每月開展一次，而汛期加強監(jiān)控為每日24h的監(jiān)控；群測群防體系的啟動以下結(jié)合實例進(jìn)行詳細(xì)闡述：

①夏店鎮(zhèn)九龍村地面塌陷（淺塘整治、挖深墊淺）：夏店鎮(zhèn)九龍村地面塌陷位于九龍村南部，該地面塌陷區(qū)位于大平煤業(yè)采空區(qū)范圍內(nèi)，主開采3#煤層，開采時間2012 年，塌陷坑發(fā)生時間為2015 年，長軸方向為東西方向，目前已形成大面積積水區(qū)。伴生地裂縫長約500m，寬約0.08m，可見深度約0.5m。該處對約130 畝農(nóng)田的耕種造成影響，使耕地下沉并形成積水，導(dǎo)致周邊農(nóng)田已無法耕種。

②夏店鎮(zhèn)夏店村地面塌陷（裂縫充填、回填整治）：夏店鎮(zhèn)夏店村地面塌陷位于夏店村東南部，該地面塌陷位于潞安慈林山煤業(yè)采空區(qū)范圍內(nèi)，主開采3#煤層，該處農(nóng)田地里有地面塌陷及開裂現(xiàn)象，農(nóng)田高低起伏，陷坑呈不規(guī)則形，發(fā)生時間為2012年，伴生地裂縫長約180m，寬約0.3~0.6m，可見深度最深約1.2m，走向呈南北，為拉張性裂縫。

4 結(jié)論

地面塌陷是非常嚴(yán)重的一種自然災(zāi)害，會對人們的生命財產(chǎn)安全造成直接的威脅，需要引起人們足夠的重視。如果有地面塌陷問題出現(xiàn)，就需要結(jié)合具體情況，科學(xué)選擇勘察手段，從多個方面來勘察，分析地面塌陷形成的原因，以便采取針對性的控制手段，最大限度地降低地面塌陷所帶來的危害。