青海省大通煤矿地面塌陷现状及防治对策

马小强，朱慧俭，孙莹

（1.青海省环境地质勘查局，西宁 810007；2.青海省地质环境监测总站，西宁 810001）

1 概况

大通煤矿区位于青海省西宁市以北大通县桥头镇、良教乡，距省会西宁市35 k m。大通煤矿开采始于600年前的明朝初期，一度成为青海东部地区重要的能源基地，矿区现有大通矿务局两个井田（小煤洞、元树尔），年开采量150×104t，采掘深度780～790 m，采用井巷开采。矿区内有地方及乡镇小窑，主要分布在煤洞沟及小煤洞沟两侧，以复采矿务局残余煤带为主，井深一般100～200 m，开采规模较小。由于长期采挖，地下出现大面积采空区，引发地面塌陷，致使原有地形地貌破坏，地面塌陷严重，造成房屋、耕地及水利设施不同程度的毁坏，直接经济损失达1 200余万元，目前尚有4 773户、21 322人处于采空塌陷危险区内，需异地安置。

2 矿区地质环境条件

大通煤矿区地处西宁－大通中新生代盆地的南缘，该盆地是在早古生代祁连裂谷系基础上，经过印支、燕山、喜山褶皱幕，进一步挤压、扭裂而成的一个近似平行四边形凹地，盆地整个呈向斜构造，在该构造南缘又形成次一级近东西向延展的简单褶曲形态，并有两处逆断层通过。盆地基底由元古界、下古生界变质岩及中酸性侵入岩组成，盖层由二叠－侏罗系陆相建造及第三系红色建造组成。矿区含煤地层主要为侏罗系下统窑街组，矿区范围内共有5个煤层，其中可采煤层2个，平均厚度分别为3.55 m和6.16 m。煤质标号为不粘煤和长焰煤，煤层赋存条件较为复杂，煤层倾角一般14°～70°，赋存形式以倾角和大倾角为主。煤层顶底板岩性以第三系泥岩、泥质砾岩为主，该岩层极具吸水性，并遇水膨胀，属典型的软岩矿区。煤层顶板地层上覆有第四系洪积、冲积砂砾石层及风成黄土。

3 矿区地面塌陷现状

3.1 地面塌陷分布范围

大通煤矿地面塌陷是因人为采煤改变煤层上覆层的稳定平衡状态而引发的采空塌陷［1]，地表塌陷区大致呈北西－南东方向展布，平面形态为不规则状，长轴长约3.25 k m，短轴宽约3.1 k m，面积9.87 k m2，主要分布在良教乡煤洞沟村、白崖村及桥头镇元树尔、大煤洞、小煤洞5个行政村。在塌陷区内存在3处急剧沉陷中心（图1）：

（1）煤洞沟村沉陷中心，长轴约745 m，短轴约610 m，面积0.37 k m2。

（2）小煤洞村沉陷中心，长轴520 m，短轴490 m，面积0.21 k m2。

（3）元树尔沉陷中心，长轴约750 m，短轴约530 m，面积0.3 k m2。

图1 大通煤矿塌陷区平面图Fig.1 Subsidence area in Datong Coal Mine

受地下煤层延展方向，以及人工开采深度、支护条件、采空面移动、采空区范围等因素的影响，造成塌陷盆地地表各部位的变形和地面下沉值大小不同，塌陷区中心地表下陷值最大达8 m（小煤洞，原大通矿务局采区），而在塌陷区边缘地表下沉约0.2 m，其他地段一般下沉1～3 m。

3.2 地面塌陷特征

大通煤矿采空区引发严重地面变形，其主要特征表现为塌陷坑及地裂缝［2]，见图2、图3。

3.2.1 塌陷坑

塌陷坑在塌陷区内广泛分布，呈点、线、面状特征。

点状塌陷坑：平面形态多呈圆形或椭圆形，剖面形态为漏斗状或葫芦状，其中漏斗状塌陷坑其形状自坑口向下收缩，一般开口直径达20 m，最大深15 m；葫芦状塌陷坑其形状口小、肚子大，一般开口直径2 m，下部直径4～6 m，最大深10 m。

图2 塌陷洼地Fig.2 Collapsed depression

图3 地裂缝Fig.3 Ground fissure

线状塌陷坑：规模大的有两处，分布于塌陷区西部，长度分别达到970 m、760 m，两者宽15～40 m。线状坑一般由点状塌陷坑连接而成，如横跨白崖村及煤洞沟村的线状塌陷坑中最大一处点状坑面积3 000 m2，最大深度13.5 m，该塌陷坑形成于1970年，后逐年扩展，并与其他坑体相连。

面状塌陷坑：多由密集的点状坑连片而成，规模较大的有两处，一处分布于大煤洞村西侧，形成椭圆形塌陷洼地，长轴164 m、短轴85 m、深4 m；另一处分布于小煤洞村东南侧，形成3个似椭圆状塌陷洼地，一般洼地长130～160 m，宽30～70 m，下陷深度1～3 m。

3.2.2 地裂缝

地裂缝主要为表层岩层下沉位移在地表形成的拉张裂缝，分布多与开采作业面的前进方向平行，呈成组或单独出现，在3个沉降中心分布较密集。在煤洞沟村沉降中心白崖村地裂缝成群出现，展布方向120°，延伸长300～400 m，宽0.2～0.4 m，裂缝所经过之处房屋普遍开裂，甚至倒塌。在小煤洞沉陷中心及周边数条地裂缝成组出现，长200 m以上，延伸方向85°～110°，两条主干裂缝间距50 m，宽0.55～0.9 m，可见深度0.75～1.2 m，延伸长约300 m。元树尔沉降中心发育的地裂缝长220 m，宽0.2～0.4 m，可见深度1.0～1.3 m。

3.3 地面塌陷危害

矿区地面塌陷自20世纪70年代末期初显，90年代进入高峰期，塌陷范围从采空区地表发展到非采空区地表，塌陷影响范围达9.87 k m2。破坏方式主要表现为村民房屋及围墙普遍开裂、变形，甚至倒塌（图4、图5）；土地资源遭受破坏，地表坑洼不平；地下水被疏干，泉水干涸；供水设施被破坏，输电高压线路被拉断等，直接经济损失达上千万元。自2000年以来，塌陷区中的小煤洞村、大煤洞村、白崖村已整体搬迁，目前仍威胁元树尔村、煤洞沟村村民及矿山企业职工的安全，严重制约着当地经济的发展。

图4 矿区废弃的房屋Fig.4 Abandoned buildings in the mining area

图5 矿区开裂的房屋Fig.5 Cracked buildings in the mining area

4 地面塌陷发展趋势

4.1 采空区顶板力学特性

矿区顶板岩性以第三系红色泥岩、泥质砾岩为主，其上覆第四系洪积、冲积砂砾石层及风成黄土。其中第三系红层岩质较软，遇水易软化，强度低，岩石单轴饱和抗压强度平均值2.22～5.98 MPa。洪积、冲积层以砂砾石为主，颗粒级别差异大，透水性较好，为低压缩土类岩组，承载力特征值fak＝350 k Pa。风积黄土凝聚力为26.6～45.1 k Pa，内摩擦角为18.7°，承载力特征值fak＝170 k Pa，该土体具湿陷性，湿陷等级为Ⅱ－Ⅳ级自重湿陷。从上述岩土体力学特征可以看出，矿区顶板岩层为软岩、土体，工程地质条件总体上为较差－不良。

4.2 采空区顶板破坏机制

据物探资料，采空区顶板厚度不均匀，最小厚度仅20 m，分析采空区顶板破坏机制，可加深对矿区塌陷形成及发展的认识。顶板分析依据国家煤炭工业局《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》，煤层开采后，顶板最大移动、变形和倾斜值如下：

最大下沉值：Wmax＝m·η·cosα

最大曲率值：Kmax＝±1.52 Wmax／r2

最大倾斜值：Imax＝Wmax／r

最大水平移动值：Umax＝b·Wmax

最大水平变形值：εmax＝±1.52b·Wmax／r

式中：η为下沉系数，取0.8；m为采空区高度（m），2个可采煤层分别取平均值3.55 m、6.16 m；b为水平移动系数，取0.25；α为煤层倾角，取33°；r为主要影响半径（m），可按下式计算：r＝H／tanβ；H 为开采深度（m），2个可采煤层取平均开采深度780 m、790 m；β为影响角，取52°。

计算结果见表1。

表1 煤层采空后顶板最大变形值表Table 1 Maximum values of roof deformation after depletion

4.3 地面塌陷发展趋势

伴随采掘工作面的推移及加深，采空区上覆岩层内部原始应力平衡状态受到破坏，在岩层内部应力需重新分布后以达到新的平衡，当地下采空区达到一定规模后，上覆岩层受重力作用开始剪切破裂，并向下沉移，同时地表开始出现裂缝，随着裂缝进一步加剧，逐步形成地面塌陷。自1990年后大通煤矿地面塌陷进入高峰期，塌陷区范围从采空区地表发展到非采空区地表，从地势较低的田园扩展到地势较高的山地，目前矿区地裂缝仍很发育，地面塌陷有进一步扩大的趋势。今后，随着煤层采空区的扩大，地面塌陷将进一步扩大，平均沉降值2.4～4.1 m。

5 地面塌陷防治对策

5.1 地面塌陷防治思路

大通煤矿地面塌陷具有影响范围大、生态环境破坏严重、对人居工程危害性大的特点，其治理难度大，虽然当地政府及煤矿企业对局部严重塌陷区进行过小规模土地复垦及居民搬迁，但成效甚微。鉴于当前国家逐步加大对矿山地质环境治理的资金投入，并重视地质灾害的防治，确定矿山治理总体思路：充分利用现行国家政策，把矿区地面塌陷治理与当地乡镇整体发展相结合，并进行长期规划，分期实施，以达到改善矿区环境，减轻对人民生命财产危害的目的。

5.2 地面塌陷预防对策及防治建议

5.2.1 预防对策

（1）近期预防对策

坚持“以人为本”的方针，对仍在进行地下煤炭开采，地面塌陷危害程度大，且仍在发展的地段，其上居民应首先进行搬迁、避让，由当地政府进行妥善安置；对基本稳定的小规模塌陷区，可由当地乡村政府先行治理，并进行土地覆耕，适当改善当地居民的生存环境；对因塌陷受损的主干交通、水网及电网实施维护；对受影响的电讯设施采取防护，保证交通、供电、供水、通讯的安全及正常运行。

（2）中期预防对策

利用国家改善人民居住条件，加大廉租房建设及矿山棚户区改造的有利时机，积极争取资金，进一步成规模的迁移塌陷区内的村庄及企业居民，争取将采空塌陷危险区内居民异地安置，为规模化的矿区区段环境治理腾出空间。同时整合矿业生产秩序，关停小矿井，避免采空区无序扩大。对仍在发展的塌陷区设置专业监测站（点），增设专职监测、巡防人员，及时、准确发现地面塌陷灾害隐情，做好防治措施。

（3）远期预防对策

根据中华人民共和国财政部、国土资源部《关于组织2012年矿山地质环境治理示范工程有关事项的通知》（财建办［2011]168号）文件精神，从2012年起，中央财政将进一步突出重点，集中投入，着力启动实施矿山地质环境治理示范工程。鉴于大通煤矿可采煤炭资源已近枯竭，矿山环境破坏严重，符合国家加快解决历史遗留的矿山地质环境问题的文件精神，故在大通煤矿地面塌陷治理上可加快申请国家资金，进行整体规划与综合治理，积极稳妥、长期有效的实施，争取恢复地貌景观、扩大耕地、重建植被及建成绿色生态矿山地质公园。

5.2.2 防治建议

（1）加强地裂缝变形监测

运用裂缝报警器装置对塌陷区周边地面和建筑物裂缝进行动态监测，该技术可安装于裂缝带上，平时对裂缝的渐变进行观测，当裂缝发生突变时，可自动报警，避免地面塌陷的扩大而造成危害。该技术成本低，精度高，可在较大范围内布控。

（2）地面变形区监测

选择有异常变化现象的部位（点）如主要变形区、井、泉水位等进行监测，在变形的不同部位布点，形成监测点网，以全面掌握地面塌陷变形发展情况，当变形加剧时及时发出预警信息。

（3）塌陷区回填、恢复

利用无害化处理后的煤矸石回填废弃矿井及稳定后的塌陷区，填充煤矸石下垫2 m厚的黄土，上覆黄土并进行植被恢复。经计算，可利用煤矸石总量的25%，不但减轻矿区煤矸石对环境的破坏压力，对大面积塌陷片区治理成效明显。该方法简单，科学实用，经济成本低，可操作性强。

6 结论

大通煤矿属煤炭资源高度危机矿区，煤炭资源濒临枯竭，地面塌陷突出，矿山地质环境破坏严重，且危害性极大，治理难度大，所需资金巨大。本文通过矿区地面塌陷现状和危害特征的分析，提出治理总体思路及近期、中期、远期预防对策，突出“以人为本”的精神，首先解决塌陷区危及人民生命财产安全，进而从地方及国家政策层面提出了解决资金来源的问题，从而保证治理的有效进行。通过治理后可恢复矿山及周边环境，改善当地人民生活生产条件，对矿区资源枯竭后的经济转型具有深远意义。

［1]常士骠.工程地质手册（第四版）［M].中国建筑工业出版社，2007：558－567.

［2]杨孟达，刘新华，王瑛，等.煤矿地质学［M].北京：中国矿业大学出版社，1989.