玄武岩台地采空塌陷发育特征——以吉林省三合城村地面塌陷为例

于成龙，郑百功，杨 雷，韩 修，王 青

(中国建筑材料工业地质勘查中心吉林总队，吉林长春 130033)

0 引言

三合城村地下煤炭资源丰富，相继有多家矿山在该地区进行开采。近年来，在三合城村居民区附近陆续出现多处地裂缝与塌陷坑，地裂缝最长226m，最宽0.5m;塌陷坑最大面积184.5m2，最深2m。这些地裂缝与塌陷坑不但导致地下水下降，居民用水困难，而且造成居民住宅开裂、倾斜，并引发多起人员落入地裂缝的事件，严重威胁了当地人民的生命财产安全。

1 工作区地质环境条件

以地裂缝、塌陷坑为研究对象，并考虑地下采空区情况确定工作区范围，工作区面积1.8km2。

1.1 地形地貌

工作区位于吉林省东部低山区内的玄武岩台地上，地势为四周略低，中部略高。玄武岩台地比较平坦，海拔一般在750～800m，面积广阔。

1.2 地层岩性

工作区地层由老至新如下:

(1)侏罗系上统林子头组:主要由酸性火山岩及其碎屑岩组成，厚度202～1213m。

(2)侏罗系上统石人组:主要为砾岩、砂岩夹火山碎屑，含可采煤层，厚度约290m。

(3)新近系船底山组:主要由玄武岩组成，深灰至褐色，块状及气孔状构造。在玄武岩下有一层厚度2～4m的砂岩、砾岩。厚度52～84m。

1.3 煤层地质特征

本区含煤岩系为中生界侏罗系上统石人组，其中Ⅲ上、Ⅲ下和Ⅱ煤层为可采煤层。

(1)Ⅲ上煤层:为主要可采煤层，煤层厚度为0.2～9.8m，平均厚度3.61m，已基本全部采空。

(2)Ⅲ下煤层:煤层厚度为0.2～3.31m，平均厚度为1.29m，尚未进行开采。

(3)Ⅱ层煤:煤层厚度0.2～5.56m，平均厚度1.49m，尚未进行开采。

以上各煤层倾角一般为20°～29°，煤层产状与含煤层一致，倾向为356°。

2 地面塌陷发育现状及特征

2.1 地面塌陷发育现状

工作区内有地裂缝7条、塌陷坑5处，其规模与形态详见图1～3，其基本情况详见表1～2。

图1 林间地裂缝Fig.1 The ground fissure in woodland

图2 田间地面塌陷坑Fig.2 The collapse pit in cultivated land

图3 地裂缝与地面塌陷坑分布平面图Fig.3 Distribution map of the ground fissures and collapse pits

表1 地裂缝基本情况Table 1 The basic informations of ground fissures

表2 地面塌陷坑基本情况Table 2 The basic informations of collapse pits

2.2 地面塌陷发育特征

根据各地裂缝与塌陷坑的分布形态，地面塌陷的地表变形有如下基本特征:

(1)地裂缝可分为两种类型。一种为主地裂缝，走向为近EW向;一种为次地裂缝，走向差异较大，但都沿主地裂缝呈环形分布。

(2)主地裂缝具成带性。主地裂缝及塌陷坑的分布在空间上构成一条裂缝带，该裂缝带起于K1，沿K2、L3、K3、K4、K5 至 L7 结束。

(3)裂缝带发育有明显的线性展布特征。裂缝带沿近EW方向延伸，与煤层走向基本一致，不受地貌、地物控制，径直延伸。

(4)裂缝带内单条地裂缝平直延伸，但时有弯曲、分叉和斜列现象;剖面上宽下窄，逐渐尖灭，自上而下呈舒缓波状并有分支现象。

(5)各地裂缝具有同步位错特征，所有地裂缝皆张开，主地裂缝南侧地面相对北侧地面下沉。

3 地面塌陷成因分析与评价

3.1 地面塌陷成因分析

根据区域地质环境条件，通过物探、钻探资料，并结合现场调查，玄武岩下不存在软弱地层，玄武岩陡坎前缘无滑动变形迹象。因此可以排除由于上覆玄武岩山体向北部滑移产生地裂缝、塌陷坑的可能性。

工作区煤矿自开采以来，Ⅲ上层煤已形成大面积采空区，采空区沿煤层走向长约1600m，宽约1420m，面积约2.27km2。煤层平均采厚3.61m，平均倾角24°，顶板管理采用全部塌落法。

根据计算，煤层的采深与采厚比为9.15～120，多数小于80，加上地表为玄武岩，柱状节理发育，因此，判定地裂缝与塌陷坑是由于采空区塌陷引起的［1-3］。

3.2 地面塌陷评价

工作区煤层倾向356°，倾角20°～29°，总体上为自南向北逐渐向深部开采，可近似认为是半无限开采，用概率积分法计算半无限开采的地表移动和变形值［4-5］。

(1)基本参数的确定

①下沉系数q

式中:mi——覆岩i分层的法线厚度(m);

Qi——覆岩i分层的岩性评价系数;

P——覆岩综合评价系数。

由煤层上覆岩性及厚度计算得，P=0.7、q=0.8。

②主要影响角正切tgβ

式中:α ——煤层倾角(°)，一般为24°;

H——为煤层采深(m);

D——岩性影响系数。

P=0.7，查表 D=2.00

tgβ=(2.00-0.0032×H)(1-0.0038×24)

③开采影响传播角θ

α =24°≤45°时，θ=90°-0.68α

则 θ=73.68°。

④水平移动系数b

⑤拐点偏距S(m)

上覆岩层属坚硬-较硬岩层，取S=0.05H。

⑥盆地走向主剖面的主要影响半径r

⑦采深采厚比界限值

根据采空区范围与覆岩情况，取采深采厚比80为界限值。

(2)地表移动与变形

由计算结果可知:

①地表下沉值为3.47～2634.85mm;

②倾斜值为0.08～139.43mm/m;

③曲率值为-11.2×10-3～11.2×10-3/m;

④水平移动值为10.36～954.86mm;

⑤水平变形值为-76.72～76.72mm/m。

(3)评价结果

通过概率积分法计算得出了地表移动与变形值，但由于玄武岩质地坚硬，工作区地表并未形成完整移动盆地，而是以不连续的地裂缝为主要变形形式，计算结果与实际情况并不完全一致。

虽然如此，水平变形值的计算结果却有着重要的意义，水平变形的计算结果可以很好地解释东西向裂缝带出现的位置，从地表水平变形等值线图(图4)可以明显看出东西向地裂缝带完全位于水平变形最大区域，这是因为玄武岩质地坚硬，但柱状节理发育，水平变形值越大，则玄武岩越容易破坏，在张力作用下形成地裂缝。

同时，以采深采厚比80为界，按照安全采深沿岩石移动角确定的岩石移动面与地面的交汇线也正是水平变形最大区域，同裂缝带几乎完全重合(图3～图4)。

图4 地表水平变形等值线图Fig.4 Horizontal deformation isograms

4 结论

(1)由于玄武岩坚硬、柱状节理发育，玄武岩台地采空塌陷的地表变形以不连续的地裂缝为主，一般无明显、完整的地表移动盆地形成。

(2)玄武岩台地采空塌陷在地表也有塌陷坑的表现形式，但塌陷坑在空间上也具有方向性，在延伸方向上的长度较大，而垂直延伸方向的宽度较小，该类塌陷坑实为地裂缝宽度发展较大后的特殊表现形式。

(3)玄武岩台地采空塌陷引发的地裂缝可分为两种类型。一种为主地裂缝，一种为次地裂缝。主地裂缝往往时断时续，但在空间上具有方向性，一般都沿着岩石移动面与地面交汇线分布;次地裂缝通常在主地裂缝形成后的两年内出现，且往往围绕主地裂缝呈环形分布。

(4)概率积分法的计算结果与玄武岩台地采空塌陷实际情况相差较大，但水平变形最大区域与裂缝带的分布位置却有着良好的对应关系，所以水平变形的计算是预测玄武岩台采空塌陷地表变形的关键所在。

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