霍州矿区地裂缝形成机理及防治措施研究

顾江海，周长松，张相财，刘冬梅

(1.广东省深圳市坪山新区城市建设局，广东 深圳518118;2.太原理工大学水利科学与工程学院，山西 太原030024;3.北京岩土工程勘察院，北京100083)

霍州市位于山西省中部，临汾–运城裂陷盆地北部。煤炭为霍州的主要矿产资源，主要分布于市境中部中低山区。随着近三十年煤炭开采力度的不断加大，采煤在带来巨大经济效益的同时，也带来了一系列的环境地质问题。从1988年开始，在师庄镇、白龙镇、辛置镇、大张镇等镇的耕地或山坡上陆续发现宽0.1～1.5m、长200m～2 000m的地裂缝。地裂缝的空间分布基本与煤炭资源的分布相一致。地裂缝灾害已经对人民的生产生活造成严重影响，成为当地社会经济可持续发展的瓶颈之一。本文以研究区地裂缝的现状调查为基础，分析近年来煤炭开采与地裂缝地质灾害之间的关系，探讨采空区的类型及采空地裂缝的分布特征与形成机制，并提出切实可行的防治对策，为国民经济的协调发展提供科学依据。

1 区域地质环境背景

1.1 区域地质特征

霍州矿区地处霍山与吕梁山之间，地跨霍州、汾西及洪洞三市县，在地貌上以低山和黄土丘陵为主，地形起伏大，总体地势由东北向西南、由山区向河谷逐渐降低;研究区最高点地面标高为1 225m，最低点地面标高为400m，相对高差825m;区内大部分区域被中、上更新统黄土地层覆盖，在河谷或冲沟底部有小面积石炭系、二叠系地层出露。整个研究区含水层按地层时代来分可分为石炭系含水层、二迭系含水层、第四系含水层。其中石炭系含水层地下水位埋深大约为215.10m，含水层由石灰岩组成，总厚度约15m，单位涌水量为0.001 L/s·m，渗透系数为0.003m/d，水华学类型为HCO3－Na型，富水性较弱;二迭系含水层地下水位埋深大约在116.25m，含水层由砂岩组成，总厚度大约14.0m，单位涌水量0.019 L/s·m，渗透系数为0.029m/d，水化学类型为HCO3－Na型，富水性较弱;第四系含水层主要分布在近代河谷附近，厚度在5～30m之间，含水层由冲洪积砾石组成，富水性较好。

从板块构造理论的角度来看[1]，霍州矿区处于洪洞区块的北部，霍西区块、泰岳山区块的南部，是第四纪典型的伸展构造发育区(见图1)。区域内断裂、褶皱构造发育，工程地质条件复杂，如罗云断层、霍山断层、赤峪断层等大小断层相互交错，NNE向的霍山背斜和EW向的赵城向斜横贯矿区。

1.2 煤田地质特征及煤炭开采现状

霍州矿区含煤地层面积约843 km2，煤炭资源地质储量为77×108t[1]。矿区含煤地层以石炭系上统太原组和二叠系下统山西组为主，煤系地层主要岩性为砂质页岩、页岩夹薄层灰岩、泥岩、砂岩和煤层。本区的可采及局部可采煤层共 11 层，其中山西组的 3#及太原组的 4#、5#、6#、7#、8#为局部可采煤层，山西组 1#、2#及太原组 9#、10#、11#为全区可采煤层(主煤层)，11层煤层总厚超过10m。

图1 矿区构造位置图

自新中国成立以来，乡镇煤矿业得到迅速发展，到“八五”期间，霍州的煤炭生产企业数量由建国初期的5个增至89个，煤炭总产量达到3.14×107t/a，随着2009年全县煤矿企业兼并重组工作顺利推进，全县保留6座大型煤矿，产能已达到2×107t。在煤炭开采的过程中，开拓方式一般为竖井式，个别为斜井式;采煤方法以短壁式、仓房式、高落式为主，采深110～390m，煤层厚在1.88～6.11m，深厚比18.0～63.8。目前山西组1#、2#已基本采完，正在开采太原组9#、10#和 11#煤层。

2 采空区分类及采空区地裂缝发育特征

2.1 采空区分类

以煤炭开采区区域地质环境背景为基础，结合采空区的埋深、深厚比、地表荷载大小及地下含水层分布特征，将研究区采空区分为四种基本类型[2－5]:潜伏突出型、潜伏一般型、深埋型和老空区型。

1.潜伏突出型。这种类型一般发育在采深在210m以下，累积采厚达3.7～6.11m的地层，地面变形的特点是地表的移动和变形在时空上是不连续的，不具有明显的规律性;由于采空区埋深浅，深厚比相对较大，容易在地表形成比较大的裂缝或者塌陷坑。

2.潜伏一般型。这种类型一般发育在采深在110～210m，累积采厚在3.7m以下的矿区，地表出露的岩层主要有二迭系的上石盒子组、下石盒子组，地面变形的特点是地表的移动和变形在时空上是连续和渐变的，具有明显的规律性;由于岩土差异沉降不明显，在地表一般不产生地裂缝。

3.深埋型。这种类型主要发育在大张镇以东煤矿采深在210m以上的地区。地表出露的岩层主要有二迭系的石千峰组、上石盒子组，采煤过程中埋深在215m左右的石炭系上统太原组地层中赋存的地下水被部分输出或全部疏干，当多层累计采厚超过7m以上时在地表产生缓慢蠕变。短时间内变形不明显，持续较长时间后会在地表产生明显的变形，并有可能形成具有较大危害的地裂缝。

4.老空区型。这种类型分布在老采空区，老空区在采矿过后应力重新分布并达到新的应力平衡，随着下部采煤活动的加剧，应力平衡被重新打破，老空区出现不均匀地面塌陷和地裂缝。

2.2 采空地裂缝发育特征

在1984年之前，研究区煤炭开采量小，地裂缝等地质灾害并不明显。之后，随着煤矿开采范围逐步扩大，在矿区形成了大面积采空区。据调查，到2006年底采空沉降面积已达98 km2，占矿区面积的11.6%，局部出现了地面塌陷、地裂缝。在地表具一定规模和危害的地裂缝共60处，372条，分布于师庄、退沙、大张镇、白龙镇辛置镇、陶唐峪乡等煤炭开采区[7]。由于采空塌陷和采空地裂缝的形成，导致近2560 hm2耕地受到不同程度的破坏，造成近4015间房屋出现裂缝、变形，部分房屋已成为危房;同时地下含水层遭到破坏，山西组以上含水层已基本疏干，地表水向下漏失，目前40多个村庄普遍存在人畜吃水困难的现象。采空地裂缝灾害已造成直接经济损失4115万元，对当地社会经济的发展造成了严重影响，采空区地裂缝平面分见图2。

图2 霍州市地裂缝分布图

2.2.1 空间分布特征

霍州矿区地裂缝主要分布在区内煤矿采空区内。从地裂缝在整个采空区的分布位置看，白龙镇地裂缝位于潜伏突出型采空区，师庄镇地裂缝位于深埋型采空区，辛置镇地裂缝位于老空区型采空区;从地裂缝形态特征上看，采矿塌陷地裂缝呈折线、锯齿状，长度在200～2 000m，最长的4 000m位于师庄乡杨家山[7];宽度在0.1～1.5m，影响宽度在10m以内;最宽的3m位于陶塘峪南王村;从地裂缝展布与采空区空间位置看，采空地裂缝走向一般与采掘方向相同，沿采空区周界开裂，目前发现的地裂缝在展布方向上主要有EW、N－S两种;从地裂缝剖面特征看，剖面上宽下窄呈楔形，最大可测深度为15m;从地裂缝的出现形式看，采空地裂缝以群缝式排列组合出现较为普遍，一般每处地裂缝由4～6条单缝构成，最多的陶塘峪南程村裂缝群出现达18条。

2.2.2 时间变化特征

从时间上看，研究区采空地裂缝的发生发展与采煤活动有明显的相关性。20世纪80年代在师庄镇首次发现地裂缝;随着煤炭开采活动的增强，90年代以后在白龙镇、辛置镇、大张镇等地也陆续出现地裂缝。根据野外调查，已出现的60处372条地裂缝中有19处正处于发展阶段，25处仍然在活动，26处已基本趋于稳定[3]。其中白龙镇、辛置镇的地裂缝较以往均有较大发展，这说明采空塌陷型地裂缝一旦形成，必然受到后期环境的改造，随着时间的推移、环境的改变，地裂缝的稳定性及规模也会随之发生变化。

3 地裂缝形成机理及影响因素分析

3.1 矿区地裂缝形成机理

矿区地裂缝的特征表明，矿区地裂缝均属采空塌陷的派生裂缝，地下煤炭开采是地裂缝形成的主要原因，地震、地质构造及地下水疏干对地裂缝形成亦产生一定的影响。

对于采空塌陷地裂缝，其力学形成机理是地下矿层大面积被采空后，原有的应力平衡遭到破坏，此时采空区主要由矿柱支撑上覆岩体的重量(图3)[8]。如果矿柱设计合理，则矿柱系统稳定，从而整个井巷稳定;若矿柱设计尺寸偏小，当某一矿柱受到某些必然或偶然因素影响时，该矿柱由于应力超过其允许强度而首先遭到破坏，被破坏矿柱所承载的荷载将转移到相邻矿柱上，从而使它们亦遭破坏，其结果必将导致整个矿柱系统失稳，顶板岩层向采空区垮落沉降。由于塌陷区内岩土体工程地质条件存在差异，使地面发生不均匀下沉变形和水平移动，这些变形的发展通常使塌陷坑产生不同的拉压应力分布(图4)形式，即在塌陷边缘处出现拉应力，中间部位出现压应力，地表的最大拉应力分布区出现张性裂缝，如图3中的 a、d两点易出现裂缝[2]。

图3 采空区矿柱系统示意图

3.2 矿区形成地裂缝的影响因素

根据对矿区地裂缝的现场勘察[7]，分析得出影响霍州矿区地面变形与塌陷的主导因素有以下五种:开采规模及开采方式、煤层埋深与层厚、顶板管理方式、含水层疏干、地表水作用。其中开采规模及开采方式、矿层埋深与层厚是控制因素。

3.2.1 开采规模及开采方式的影响

不同开采规模与开采方式下，采空地裂缝的规模是不同的[9－10]。原县营煤矿(中型煤矿)，使用短壁式采煤，开采技术先进，开采规模较大，回采率大于50%，因此在采空区上方形成规模较大、与采空区走向相一致、沿采空区周界开裂的地面地裂缝，地裂缝长度一般在100m以上;相对而言，采用仓房式、房柱式等采煤方法的小型煤矿，开采规模较小，技术落后，地表变形以及形成的地裂缝规模较县营煤矿要小。2009年后，全市煤矿企业兼并重组，开采规模将随之扩大，煤炭采空区的范围也随之扩大，留设的安全煤柱所承受的应力将会增大，当煤柱受到的荷载超过煤柱强度时，顶板岩层在自重和上覆岩土体压力的作用下向采空区垮落沉降，进而诱发新的开裂变形直至地表，这为老地裂缝的进一步发展和新地裂缝的形成创造了条件。根据2010年3月份的观察，白龙镇、辛置镇的地裂缝均在进一步扩展之中，其中辛置镇曹村地裂缝已发展成地面塌陷。

图4 采空区地面下沉压应力、拉应力分布图

3.2.2 煤层埋深与层厚的影响

通过对研究区采空地裂缝进行数值模拟实验[8]，发现在同一地区开采层数越多、采深采厚比越大，对地面变形的影响也越大。通过对372条采空地裂缝的综合分析，当采空区采深与采厚比大于30的时候，地表的移动和变形在时空上是连续的和渐变的，地表不易形成地裂缝，此时的采空区类型主要为潜伏一般型、深埋型;当采深与采厚比小于30的时候，地表的移动和变形在时空上是不连续的，不具有明显的规律性，地表易出现比较大的裂缝或者塌陷坑，此时的采空区类型属于潜伏突出型。根据2005以后的观察，师庄镇、大张镇的地裂缝较以往均有较大发展，其中师庄镇杨家山的地裂缝与1999年刚出现时相比，数量上由3条发展成5条，长度上由平均150m变为200m。这表明:一方面随着采厚的增加，采煤深厚比变小，地表的塌陷变形也就随之增大，进而在地表最大拉应力分布区形成张性裂缝;另一方面地裂缝的形成具有滞后于煤矿开采时间的特点，滞后时间从几个月到几年不等。

3.2.3 顶板管理方式的影响

顶板管理方式是指在煤炭开采过程中，根据顶板的性质和煤层的厚度等条件处理采空区的办法，通常有垮落法、煤柱支撑法、充填法、缓慢下沉法四种方式[11－13]。随着顶板管理方式的不同，地表形成的塌陷、地裂缝规模也不一样。研究区煤炭在开采的过程中，主要采用垮落法这一顶板管理方式，让直接顶板自行垮落，垮落下来的岩块在一定程度上充填了采空区，减小了工作顶板压力，在小范围的采空区起到了阻碍地表形成地裂缝的作用;但随着采煤深度的加大，开采范围的扩大，这种方式反而加速了地表地裂缝的形成，如白龙镇、辛置镇的地裂缝进一步扩展与这种方式有关。

3.2.4 含水层疏干的影响

含水层疏干导致地面变形的主要机理是随着矿坑排水量的加大，地下水水位不断下降，孔隙水压力逐步消散，有效应力逐步增加，在水位下降区形成圆形降落漏斗，最终导致含水层压密沉降，在沉降带周围形成裂缝[2]。对于所研究的矿区，地下采空区顶板所承受的荷载主要由上覆地层的自重构成。在煤层开采过程中，煤系地层及其附近的含水层逐步疏干，与上覆应力向平衡的孔隙、裂隙水压力减小，加速了上覆地层的坍塌、地表变形和地裂缝的形成和发展。

3.2.5 地表水的影响

地表发生变形或形成地裂缝之后，当后期降雨、生活废水、农业用水向变形裂缝区渗透、冲刷、淋滤，地表土体被软化、松动、搬运，从而促使地面变形的加剧，地表裂缝在原有的基础上进一步加深和扩大。

4 防治对策

霍州矿区地裂缝主要由煤炭开采引起，根据实际情况可采取如下措施加以防治。

(1)回填采矿法。煤矿开采后，矸石不运出矿井或洞，而将其充填到采空区，从而保证采空区围岩的稳定性，避免产生地裂缝。

(2)灌浆回填法。对于一些老矿区，特别是已闭坑的矿区，为了避免地面产生塌陷，可采用灌浆方法治理，灌浆材料可选粉煤灰、超高水材料。

(3)改建水库法。对于一些面积比较大的采空区，区域地质条件和水文地质条件稳定的，可考虑将地下采空区改造成地下水库。

(4)开采预防法。在矿区开采中，增大、增多预留保安柱，限制开采区域等。在进行煤炭开采时，应尽量减少对含水层的破坏，尽可能地维持地下含水层结构状态;对地下水资源应“堵漏为主，疏导为辅”的方式进行处理。

(5)加大法律宣传力度，提高广大群众自我防范意识，做到群众知法，矿山企业守法。

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