宜都市松宜矿区矿山地质灾害影响因素分析及采空区稳定性研究

2015-01-30俎全磊

资源环境与工程 2015年6期

俎全磊，刘帅，杨涛

(湖北省地质环境总站，湖北武汉 430034)

1 概况

松宜矿区位于宜都、松滋两市交界处，地处东西走向仁和坪含煤向斜构造东端部分，总面积约130 km2，其中宜都市境内65 km2。

松宜煤矿区开发历史悠久，1835年就有乡民进行土法开采。树枝状掘进巷道，见煤就挖，以掘代采，能采多少算多少。1970年以来，采煤方法逐步向半机械化和正规化迈进，采用的采煤方法有巷道式采煤法，短壁式、长壁式采煤法，柱式采煤法及分层采煤法。2000年后，由于本省煤炭资源短缺，私营矿山如雨后春笋般兴起，区内矿山总产量达百万吨/年，多为复采前期县市、乡镇煤矿。

2 松宜矿区矿山地质条件及地质环境破坏发展史

松宜矿区(宜都境内)地貌类型为低山丘陵区，地势总体为西高东低，北高南部低，区内地形起伏较大，沟谷深切地形复杂。区内碳酸盐岩广布，沉积厚度大，岩溶发育，受仁和坪向斜控制，山体走向与主构造形迹一致，多形成单斜山斜坡地貌［1］。

二叠系梁山组(P1l)是本区含煤地层，由石英砂岩、砂质泥岩、炭质泥岩、煤层、粘土岩组成，该组地层中含煤三层，按原始沉积的先后顺序由下而上分别命名为Ⅰ煤层、Ⅱ煤层、Ⅲ煤层，Ⅰ、Ⅲ煤层基本不可采，主采煤层为Ⅱ煤层，属不稳定—极不稳定之过渡类型。煤层呈似层状、扁豆体状产出，局部有尖灭现象或出现不可采地段，厚度变化较大，有变薄和分叉现象，厚度0～7．02 m，平均厚度1．67 m，开采水平标高为-109～+470 m高程。部分矿区因Ⅱ煤层局部厚度＞2 m的煤层未能一次采全高，于采空区留有部分矿层。

矿区位于扬子准地台区西南部近东西向长阳复向斜与江汉平原沉降带结合部位，纬向构造形迹在本区占主导地位，构成了东西向构造骨架，次级构造主要有仁和坪复倒转向斜、梁山—肖家隘斜歪背斜。

矿区以坚硬、半坚硬岩石为主，工程地质条件中等复杂。区内大面积出露二叠系、三叠系强—中等岩溶化坚硬碳酸盐岩，岩溶发育，岩体质坚性脆，抗风化能力强，抗压、抗剪强度高。第四系松散堆积物主要分布于干沟河两岸及山间缓坡洼地内的，岩性主要为粉质粘土夹碎石、漂石、卵石土，结构松散，透水性较强，土体力学强度较低。

根据矿产资源开发、矿区环境地质问题时空分布规律等，松宜矿区矿山地质环境的演化进程可以划分为三个阶段:1965年前;1973—1990年;2000年至今。

建国初期(1949—1965年)，主要开采浅部及河谷两侧煤层，各种环境地质问题开始显现，地面变形主要为河谷两侧斜坡出现拉裂缝，小型采空地面塌陷的发生等等。

1973—1990年，随着松宜矿务局下属矿山企业在70年代初逐步投产，进入矿山开采的第二个生产高峰期。区内地质环境问题开始急剧恶化，各矿山由浅部向深部开始转移，采空区进一步扩大及大量疏排地下水，进入环境地质问题多发频发期，开始形成采空地裂缝，且河水断流，泉点干枯，各种地面塌陷亦呈集中发育态势。

2000年至今，矿区私营矿山兴起，达到第三个煤炭开采高峰期。开采过程中不合理地滥采乱挖，大肆开采前期的保安煤柱，导致区内地质环境进一步恶化，形成了多个地面塌陷集中发育区。

由于矿山地质环境问题的变形发展是一个长期而缓慢的过程，具有滞后性和难恢复性，决定了松宜矿区宜都市矿山地质环境问题在今后的短期内尚处于发展阶段。

3 矿区地质灾害发展与分布［2］

根据收集资料及实际调查，矿区内主要环境地质问题与矿业开发活动多有密切联系。经不完全统计，矿区的各大井田分布范围内有135处地质灾害点，受矿业直接和间接影响的有121处。19处崩塌中有17处位于采空区及其影响范围内，主要受地下采矿、爆破振动和人工边坡开挖影响;10处滑坡中有4处受人工加载和爆破振动影响;44处地面塌陷位于采空区及其影响范围内，受地下采矿和井下排水影响;36处不稳定斜坡除3处为自然斜坡外皆为人工弃渣堆积，井田范围外还有5处不稳定斜坡为人工弃渣堆积;14处地面沉降和2处地裂缝全部位于采空区，受地下采矿和地下水疏排影响。采空区范围与地质灾害分布见图1。

图1 松宜矿区宜都市地质灾害与采空区相对位置图Fig．1 Relative position graph of geological disaster and mined-out area of Yidu Songyi mine

4 矿区地质灾害形成条件及影响因素

4．1 地面塌陷

4．1．1 采空塌陷形成条件及影响因素

区内采空塌陷形成原因主要为人类工程活动。自20世纪80年代起，随着松宜矿区的建设，区内地下采煤形成采空区，造成上部土体岩层架空，加之岩体裂隙及岩溶发育，采空区围岩压力改变，地下水的疏排，岩层支撑平衡条件破坏，上部岩土层在自重作用和爆破震动等外动力作用下失稳，最终产生塌陷。区内采空塌陷具突发性、群发性的特点，其发育受人类工程活动(地下采矿)控制。其规模、形态与地下采空范围、地下巷道拓展方向、顶板深度、开采时间紧密相关，一般来说，采空区范围、顶板埋深决定塌陷坑直径，地下巷道拓展方向决定塌陷坑单坑长轴方向和群坑展布发育方向，开采时间长短决定塌陷坑发展趋势。

宜都市王家畈乡夏家湾村的团堡地面塌陷为一典型受矿业开发形成的采空塌陷。塌陷始发于1997年，盛发于2004—2005年，最新塌陷坑发生于2009年6月，其发育时间与其所在区域地下开采史密切相关，据调查，八九十年代，松宜矿务局对夏家湾井田区开始矿业开发，2000—2009年，矿山进入开采高峰区。团堡地面塌陷共发育4个塌陷坑，呈串珠状展布，塌陷坑均为圆形—椭圆形，塌陷坑群坑展布方向、椭轴展布方向及下部采空区展布方向皆为120°。

4．1．2 岩溶塌陷形成条件及影响因素

松宜矿区岩溶塌陷均发育于二叠系茅口组及栖霞组厚层碳酸盐岩地层中，为煤层的直接顶板，该碳酸盐岩质纯层厚，溶隙、溶孔及小型溶洞等岩溶较发育，易于形成空洞。矿坑疏排水形成降落漏斗，导致地下水位大幅下降，据调查区域内多个泉点及河流均有干枯断流现象。岩溶发育及地下水下降形成溶洞内的真空吸蚀，导致区内产生塌陷。同时，矿坑疏排水导致地表水、地下水循环交替迅速，水流活动较为强烈，加剧了对可溶岩的溶蚀作用，特别是地下水活动强烈地带，地下水位的升降和地下水长期流动，对岩石溶蚀掏空而后携带他处，久而久之溶蚀形成新的空洞，空洞逐渐扩大过程中，顶部岩体变薄强度降低，在承受不住上部岩体、土体重力时则形成塌陷。

4．2 滑坡

4．3 崩塌

松宜矿区崩塌多发育于河谷及冲沟两侧陡坡地段，地表出露地层以二叠系下统茅口组、栖霞组灰岩等脆性地层为主，其下伏梁山组软弱岩组则多分布于斜坡下部陡缓相间部位，构成软弱基座斜坡结构类型;岩体在构造、卸荷、降水等内外地质作用下节理裂隙较发育，岩体多呈块状或巨块状结构;受前期无序开采保安煤柱等影响，其下多分布有较大面积采空区，在采空冒落、岩体自重等因素直接作用下产生弯曲—拉裂变形，于斜坡体后缘发育有宽张裂缝。在适宜的地形及临空条件组合下，于前凸或两侧临空的陡崖部位形成危岩体，最终产生崩塌变形破坏。

4．4 地裂缝

松宜矿区出现的地裂缝特指与地面塌陷、地面沉降等相伴生的采空地裂缝，区内共有2处。区内地裂缝变形破坏模式主要为缓倾—中倾的逆向软弱基座斜坡在下部软弱层(煤层，最大厚6．85 m)采空后，导致周边岩体出现应力重分布和应力集中，在采空冒落、岩体自重及弯矩等动力作用下，上部斜坡陡坡地带的坚硬二叠系下统中厚—厚层状含燧石结核微晶灰岩山体出现间断式坐落式下沉，各变形裂缝逐渐扩展加宽、延伸贯通，从而形成地裂缝。

4．5 地面沉降

松宜矿区内采矿多为壁式开采，少数为房柱式开采，在后期复采过程中大量开采保安煤柱，顶板采用自然垮塌法进行管理，未能采取及时有效的防护措施，粗放式的顶板管理和后期无序复采，形成大面积采空区。上部岩体在采空冒落、地下水疏排、自重等因素作用下产生地表移动和变形，其中煤层的埋藏深度、厚度等因素决定了地面沉降破坏的程度。

在煤层较均匀且较小、埋深相对较大区，采空顶板冒落变形发展到地表所需时间较长，危害程度较轻，一般不会产生建筑物严重变形。在煤层厚度大、埋藏深度浅的区域，采空顶板冒落变形发展到地表所需时间短，危害程度重，多于地表形成采空塌陷或地裂缝，并导致区内建筑物出现严重变形破坏。

4．6 不稳定斜坡

经过多年的开采，各煤矿均存在一定程度的弃渣问题，在不利环境条件下将会形成弃渣堆积体滑坡或泥石流等地质灾害。据统计，采空区范围内有弃渣堆积体(矸石山)35处，发展趋势不稳定的19处。弃渣体主要就近堆积在矿山井口附近，区内现状条件下，除松宜矿务局旗下矿山针对矸石山采取了简易支挡防护工程外，多数未采取有效的防护措施，致使其稳定性较差，时有塌滑变形发生。

总之，在矿山建设与生产运营过程中，对矿山地质环境施加矿山地质作用，引起地质环境不断调整其演化过程。当这种作用超过地质环境所能承受的能力，将有害于矿山地质环境，甚至形成灾害。在宜都市地区，采矿多为地下开采，资源开采后的采空区，其围岩应力将发生改变，同时在局部地段的矿业活动如抽排地下水及爆破震动等因素下，采空区上覆岩层受到进一步破坏并产生移动及沉降，当沉降高度达到地表时，则形成塌陷坑或地面沉降，在陡峭临空的地形条件下，可能造成上覆山体开裂变形，最终产生倾倒滑崩。而矿业活动的弃渣堆放，则促进了矿区内不稳定斜坡的形成。

5 采空区稳定性评价研究

矿区多年采矿形成大面积采空区，使得开采区周缘岩体原始应力平衡状态遭受破坏，产生应力重分布或应力集中，在寻求新的平衡过程中，产生地面沉陷，导致地表岩体产生变形或破坏。其变形破坏主要表现为地面塌陷、地面沉降、地裂缝及其所诱发的崩塌、水资源枯竭、建筑物变形或水质恶化及滑坡等。以上主要地质环境问题是采空地面沉陷变形破坏的表现方式，其形成和分布与采空区紧密相关。

5．1 采空区变形机制

采空区地面沉陷垂向上可分为采空冒落带、导水裂隙带、地表位移带(弯曲下沉带)等，分述如下。

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冒落带位于采空区上方的顶板岩层，在自重及上覆岩层重力作用下，移动变形很大，所受应力大大超过本身强度，使岩层断裂破碎塌落，堆积于采空区，已塌落部分称冒落带。

裂隙带冒落带上部的岩层在重力作用下，移动变形较大，所受应力超过本身强度，岩层产生裂隙或断裂，但尚未塌落，形成裂隙带。

弯曲带裂隙带上部的岩层在重力作用下，变形较小，所受应力尚未超过其本身强度，未产生裂隙，仅出现连续平缓的变曲变形，称弯曲带。上述三带(图2)的形成主要取决于矿层的赋存条件、开采顶板管理方法以及岩层性质等。

图2 采空区冒落的垂直分带示意图Fig．2 Schematic diagram of vertical zoning of caving of mined-out area

采空区由于其大小、几何形状、采掘厚度和矿层埋深的不同，上述三个带不一定同时存在。当采空区埋深较浅时，冒落带可以直达地表，形成地面塌陷。采空区埋深较深时裂隙带可能达到地表，使地表出现裂隙(地裂缝)。采空区埋深很大时，其裂隙带已不能达到地表，此时近地表区多表现为弯曲下沉(地面沉降)。

5．2 采空区稳定性评价

采空区是否稳定看其对地表变形影响大小，主要表现为是否存在或发生地裂缝、地面沉降、地面塌陷、崩滑等地质灾害，以及将来是否可能发生地质灾害。因此以地质灾害的可能性来对采空区的稳定性进行分区评价。

根据区内地质灾害发育现状及采空区变形机制，煤层的埋藏深度、厚度决定了地表变形的程度，为影响采空区稳定性的主要因素。通过现场的详细调查和收集的矿山资料，了解了采空区内地质环境特点，采空区内矿洞分布以及开采的基本情况，将矿层厚度(M)与采空顶板埋深(H)进行叠加，得到了采空区开采深厚比(H/M)值，采空区内深厚比(H/M)值范围为0～260，按20一根，＞200时不再细分的标准，将深厚比(H/M)值进行划分，得到采空区开采深厚比(H/M)值等值线图，见图3。由图可知，地质灾害分布与采空区顶板埋深关系密切，多分布在开采深厚比＜160的范围内，深厚比＞200时，地质灾害发育明显减少。

根据前文所述，采空区地质灾害发生的可能性可根据开采深厚比判定，见表1。

表1 采空区地质灾害发生可能性按开采深厚比判定Table 1 Possibility of geological disasers according to rate of mining depth and thickness in mined-out area

依据表1地质灾害易发程度的判别标准，结合开采深厚比(H/M)等值线图，考虑地貌影响，对采空区地表岩土体稳定性进行划分，将其划分为三个区六个亚区。采空区稳定性分区见图4，各区的情况如下。

5．2．1 稳定性差区

区内开采深厚比(H/M)＜160，总面积为30．53 km2，占采空区总面积71．6%。区内为低山丘陵地貌，地形坡度一般20°～60°，出露二叠系(P2)的砂岩夹煤层、灰岩、页岩等。发育地质灾害118处，面密度为3．87处/km2。其中 A1 区面积 26．73 km2，发育地质灾害104处，面密度为3．89处/km2;A2区面积3．8 km2，发育地质灾害14处，面密度为3．68处/km2。总体上该区域稳定性差，地表易发生变形破坏，形成地质灾害。

5．2．2 稳定性较差区

区内开采深厚比(H/M)160～200，总面积为6．3 km2，占采空区总面积14．8%。区内属低山地貌，地形坡度一般＞30°～60°，出露二叠系(P2)的砂岩夹煤层、灰岩等。发育地质灾害9处，面密度为1．43处/km2。其中B1区面积5．8 km2，发育地质灾害8处，面密度为1．38处/km2;B2区面积0．5 km2，发育地质灾害1处，灾害发育面密度为2处/km2。总体上该区域稳定性较差，目前区内地表变形情况较轻微，但随着时间推移，下覆采空区顶板发生冒落，保安矿柱风化片帮，地表变形可能加剧。

图3 松宜矿区宜都市地质灾害分布与采空区深厚比等值线图Fig．3 Contour map of deep ratio of geological disasters distribution and mined-out area of Yidu Songyi mine

5．2．3 稳定性一般区

图4 松宜矿区宜都市采空区稳定性分区图Fig．4 Zone map of stability of mined-out area of Yidu Songyi mine

开采深厚比(H/M)＞200，该区面积5．8 km2，占采空区面积13．6% 。属中低山地貌，地形坡度一般25°～60°，出露三叠系(T3)的砂岩，泥质砂岩等。发育地质灾害4处，面密度为0．69处/km2。其中C1区面积3．9 km2，发育地质灾害4处，面密度为1．03处/km2;C2区面积1．9 km2，目前区内地表未见明显变形情况。区内地表变形情况轻微，受地下采空区影响较小。

总体来说，地质灾害分布与采空区顶板埋深关系密切，多分布在开采深厚比＜160的范围内，深厚比＞200时，地质灾害发育明显减少。开采深厚比＜160的区域地表受采空区影响大，采空区地表变形明显，地质灾害多集中于该区，稳定性差，地质灾害高易发;开采深厚比处于160～200之间的区域，地表受采空区影响一般，地表变形相对较弱，地质灾害发生数量明显减少，稳定性较差，地质灾害中等易发，但随着采空区顶板及矿柱变形加剧，地表极可能变形加剧，形成新的地质灾害;开采深厚比＞200的区域，地表受采空区影响小，稳定性较好，地质灾害低易发。