安徽省阜阳市刘庄煤矿地面塌陷稳定性评价

解会存

（安徽省地勘局第一水文工程地质勘查院，蚌埠 233000）

1 引言

安徽省阜阳市刘庄煤矿位于安徽省阜阳市颍上县北部，是国投新集能源股份有限公司在阜阳新建的特大型现代化矿井，设计生产能力为800×104t／a，于2003年初开工建设，已于2006年10月16日建成试生产。刘庄煤矿的开采破坏了大量的土地资源，引发了采空塌陷地质灾害，严重影响了当地人民的生产和生活，制约着当地社会经济的持续发展。

通过对刘庄矿区地面塌陷发育特征的分析研究，采取定性与定量相结合的方式，评价刘庄矿区地面塌陷的稳定性并进行了稳定性分区，对于评价建设用地适宜性并进而合理规划、探索创新对塌陷区的治理方法、发掘塌陷区的土地资源、加快塌陷地区的综合治理，对于改善本区域的生态环境和人居环境，提升阜阳市的形象，有着重大意义。

2 地质环境背景

2.1 气象水文

矿区属暖温带半湿润季风气候区，气候温和，日照充足，雨量适中，四季分明。年平均气温为15.1℃，极端最高气温41.4℃（1959年8月24日），极端最低气温－21.7℃（1996年1月31日）；年平均降雨量926.33 mm，年最大降雨量1 723.5 mm（1954年），日最大降雨量320.44 mm。降水年内分配不均，多集中于6～8月，多年平均蒸发量为1 642.2 mm。济河自西北向东南流经井田的东北部，至井田外的西淝河后汇入淮河，该河河道宽约20 m，常年水位标高为23.50 m左右，最高洪水位＋25.90 m（1960年6月27日），在雨季时两岸低洼处易形成内涝，属排洪、灌溉的季节性河流。矿区内分布有地面塌陷后形成的积水塘。

2.2 地形地貌

矿区地处淮北平原，地形平坦，地面标高一般为＋25.00～＋31.70 m，西北高、东南低，坡降约为万分之一，矿区内地貌根据不同成因类型和形态特征可分为河间平地和河漫滩两种类型。

2.3 地层岩性

矿区地层分区属于华北地层大区（Ⅴ）晋冀鲁豫地层区（Ⅴ4）徐淮地层分区（Ⅴ124）淮南地层小区（Ⅴ12－24）。地表被第四系覆盖，包括上更新统、全新统的粉质粘土和粉、细砂，矿区由老到新的地层包括：寒武系上统，奥陶系中下统，石炭系上统，二叠系下统、上统，三叠系等地层，石炭系，岩性由灰岩与细砂岩、泥岩相间组成，底部常有含铝泥岩，含薄煤2～5层，均不可采，无经济价值，为非勘探对象；二叠系，岩性以砂岩、粉砂岩和泥岩为主，含煤30余层，含煤系数4.5%，煤层总厚度33.80 m，共有可采煤层13层，平均总厚度27.58 m。

2.4 地质构造及地震

矿区在大地构造位置上属中朝准地台的淮河台坳，区域构造属于轴向北西西至近东西向的淮南复式向斜中的次一级褶皱谢桥－古沟向斜的两翼。矿区内断层共236条。按断层性质分正断层225条，逆断层11条；按落差分：≥100 m的12条，50～＜100 m的13条，30～＜50 m的13条，20～＜30 m的29条，10～＜20 m的65条，＜10 m的56条，＜5 m的48条。矿区地震基本烈度值为Ⅵ度，地震动峰值加速度为0.05g，地震活动的总体特征是地震活动强度弱，频度低。

2.5 水文地质及工程地质

矿区内地下水按其含水介质可分为第四系松散岩类孔隙水、碎屑岩类裂隙水和碳酸盐岩裂隙岩溶水三类。由于矿区大量疏干地下水，第四系松散岩类孔隙水大部分被疏干，碎屑岩类裂隙水和碳酸盐岩裂隙岩溶水水位埋藏较深且呈下降趋势。矿区内地下水的补给主要来自大气降水和侧向补给，地下水排泄方式主要有煤矿疏干排水、蒸发、人工开采。

矿区工程地质岩组主要有较软－较坚硬层状碎屑岩岩组、坚硬中－厚层状碳酸盐岩岩组、粘性土土体。

3 矿区开采概况

刘庄井田地理坐标为：东经 116°07′30″～ 116°20′40″，北纬32°45′00″～32°51′15″之间。刘庄矿东西走向长约16.0 k m，南北宽3.5～8.0 k m，占地总面积约8 221.14 ha2，东与谢桥煤矿毗邻。矿井开拓方式为立井、集中大巷、分区开拓、分区通风、集中出煤。开采方法，原则采用单一走向长壁采煤法，全部跨落法管理采空区顶板，东一和西一采区煤层倾角较小，考虑断层影响等因素，采用单一倾斜长壁采煤法。主要开采13层煤层，最大开采深度1 000 m，累计采厚27.58 m，煤层深厚比约为36，大于30。

4 地面塌陷特征分析

刘庄矿区地面塌陷主要为采空塌陷。

4.1 采空塌陷地质灾害的特征及危害

刘庄煤矿于2006年10月建成试投产，首采13－1煤，设置一个综放回采工作面，后续13煤、11煤、8煤等工作面也陆续进行了开采。地下矿层开采后形成了采空区并进而形成采空塌陷区，根据地表塌陷影响预测，本矿井未来开采结束后地表塌陷面积约为67.48 k m2，最大塌陷深度约为18.02 m，最大水平移动值5.398 mm，垂直水平移动均较大，相对以下沉为主，最大水平变形值17.53 mm／m，最大曲率变形值0.125×10－3mm／m2。其中，首采区东二采区地表塌陷影响面积为8.15 k m2，最大塌陷深度为12.6 m，首采区影响何李、毛圩、大赵、兰庙等行政村的11个自然村，影响户数1 367户，5 548人。

本区采空塌陷强烈发育，危害主要表现为建筑物的变形、开裂及路基下沉，影响了公路、管线、建筑物等的正常使用，其对工程建筑的破坏和危害大，产生的后果严重。采空塌陷区内的建筑物开裂、变形及地表下沉变形十分普遍，造成采空塌陷区内大量建筑物报废重建，经济损失严重（图1）。

图1 矿区内采空塌陷导致民房开裂Fig.1 Cracked houses in the caving zone

4.2 采空塌陷的形成机制及因素

地下矿层开采后形成了采空区，其上部岩层失去支撑，随之产生冒落、弯曲，以致发展到塌陷、地表变形，形成采空塌陷区（图2）。

图2 矿区内采空塌陷区Fig.2 Caving zone in the coal mine

人类工程（地下采煤）是引发采空塌陷地质灾害的主要因素。矿区投产以来，原则上采用单一走向长壁采煤法，东一和西一采区采用单一倾斜长壁采煤法，采空区处理大都采用全部跨落法。由于深厚比较大，促使上覆岩层迅速而平稳地移动，地表下沉值可在短期内达到最大，采空塌陷的幅度、延续的时间也与开采深度和采厚直接相关。采空塌陷形态为塌陷边缘塌陷中心倾斜，塌陷坑形状与采掘工作面基本一致，塌陷深度取决于煤层厚度。

4.3 采空塌陷的危险性预测分析

依据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》［7]，采用概率积分法来计算地面的移动和变形值，用地表的水平变形、曲率、倾斜值来判断地表变形程度，从而对地面塌陷对地表的影响程度进行分析。

4.3.1 参数值的确定

（1）下沉系数q

式中，q为下沉系数；P为覆岩综合评价系数；mi为覆岩第i分层的法线厚度；Qi为覆岩第i分层的岩性评价系数，从《规程》［7]查表得到。

求得q＝0.85。

（2）主要影响角正切

式中，D为岩性影响系数，从《规程》［7]查表得到。

求得tgβ＝1.6。

（3）水平移动系数

开采矿层时b＝0.30。

（4）开采影响传播角

矿层平均倾角为39°，开采影响传播角：θ＝90－0.68α＝63°。

4.3.2 未来地表变形值计算

各特征值计算公式如下：

地面变形稳定后的概率积分结果：

最大下沉值Wcm＝M·q·cosα（Wcm＝18.02 m）

最大倾斜值icm＝Wcm／r（icm＝38.38 mm／m）

最 大 曲 率 值 Kcm＝1.52 Wcm／r2（Kcm＝0.125 10－3mm／m2）

最大水平移动值Ucm＝b·Wcm（Ucm＝5.398 mm）

最大水平变形值ξcm＝1.52b·Wcm／r（ξcm＝17.53 mm）

其中，M 为煤层法线采厚，为27.58 m；q为下沉系数，取0.85；α为煤层平均倾角，取39°；b为水平移动系数，取0.30。

经分析研究现有矿山资料，计算得出目前采空区可能形成的地表最大下沉值为18.02 m；最大倾斜值为38.38 mm／m；最大曲率变形值0.125×10－3mm／m2；最大水平移动值5.398 mm；最大水平变形值17.53 mm／m。预测塌陷区总面积约为67.48 k m2。

采用概率积分法计算地面的移动和变形值，从而绘制出地面塌陷沉降等值线图（图3）。

图3 预测地面塌陷区图Fig.3 Prediction of ground subsidence

依据以上分析，按采空塌陷危险性等级指标（参见表1），将采空塌陷分为采空塌陷危险性小区、采空塌陷危险性中等区和采空塌陷危险性大区，见图4。

表1 采空塌陷危险性判定表Table 1 Risk estimation for goaf subsidence

5 地面塌陷稳定性分区

依据矿区采空塌陷的特征，对地面塌陷区稳定性进行分区，并初步判定建设适宜性，共划分如下3个区（图4）。

图4 地面塌陷稳定性分区Fig.4 Zonings by stability

（1）采空塌陷稳定区

面积为6.41 k m2，区内沉陷量＜0.5 m，水平变形＜2 mm／m，倾斜＜3 mm／m，曲率＜0.2 mm／m，不位于煤层露头上方的抽冒危险带内，稳定，工程建设遭受采空塌陷地质灾害危险性为小。

（2）采空塌陷基本稳定区

面积为21.04 k m2，沉陷量0.5～2 m，水平变形2～6 mm／m，倾斜3～10 mm／m，曲率0.2～0.6 mm／m，不位于煤层露头上方的抽冒危险带内，基本稳定，工程建设遭受采空塌陷地质灾害危险性为中等。

本区可采取工程措施予以处理，进行一般低层、多层建筑的工程建设基本适宜。

（3）采空塌陷不稳定区

面积为40.028 k m2，最大塌陷深度18.02 m，沉陷量＞2 m，水平变形＞6 mm／m，倾斜＞10 mm／m，曲率＞0.6 mm／m，位于煤层露头上方的抽冒危险带内，不稳定，工程建设遭受采空塌陷地质灾害危险性为大。

6 结语

（1）深入分析和研究矿区地面塌陷灾害形成机理与危险性，并进而综合评价地面塌陷区稳定性，可为矿区塌陷区受损土地资源的重新利用和规划建设提供参考，因此具有重要的实用价值。

（2）采空塌陷造成的地表变形经过较长的时间才能达到稳定，选用合理的模型虽能进行较为精确的预测，同时结合长时期的实测工作能获得足够的地表变形信息，能为采空塌陷区稳定性的研究评价提供更为充分的依据。

［1]张华盛.国投新集能源股份有限公司刘庄煤矿矿山地质环境保护与综合治理方案［R].安徽水文地质工程地质公司，2010.

［2]邵军战.国投新集能源股份有限公司刘庄煤矿矿井地质报告［R].安徽省煤田地质局勘查研究院，2011.

［3]建筑地基基础设计规范（GB50007－2002）［S].中华人民共和国建设部，2002.

［4]国土资发［2004]69号，地质灾害危险性评估技术要求（试行）［S].

［5]林宗元.简明岩土工程勘察设计手册［M].北京：中国建筑工业出版社，2003.

［6]常士骠.张苏民.工程地质手册（第四版）［M].北京：中国建筑工业出版社，2007.

［7]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［S].煤炭工业出版社，2002.