平顶山市主要地质灾害及其发育特征
2015-02-23陈光宇
■陈光宇
（河南省地质调查院 河南郑州 450001）
平顶山市主要地质灾害及其发育特征
■陈光宇
（河南省地质调查院 河南郑州 450001）
平顶山市地质条件复杂，煤炭开采等各种人类工程经济活动强烈，地质灾害多发，主要地质灾害有地面塌陷、地裂缝等。地貌、地层岩性、地质构造及人类工程活动等因素控制着区内地质灾害发育类型，与气象、水文、风化、植被等因素偶合，共同制约着地质灾害发育程度。采矿活动形成较大规模的采空区，是引发地面塌陷、地裂缝等地质灾害的主要因素。
地质灾害发育特征致灾因子
0 引言
平顶山市位于河南省中部，中原城市群九城之一，是一座因煤而立、因煤而兴、以煤炭生产为主导产业的新兴工业城市，城市性质为“以能源、化工为主的工业基地，豫中地区中心城市”。
平顶山煤矿区面积767 km2，总保有储量75亿t，煤质优良，煤种齐全。
现有21对生产矿井，年生产能力2341.1万t。
截止2013年，剩余保有储量26.59亿t，其中生产矿占用18.88亿t，在建矿占用3.69亿t，待建矿占用4.02亿t。
1 自然地理条件
1.1 气象水文
平顶山地处北亚热带向暖温带的过渡地带，季风性气侯特征明显，四季分明。
据平顶山气象站资料，多年平均气温14.9℃，极端最高气温43.7℃（1976年6月11日），极端最低气温-19.1℃（1969年1月31日）；多年平均降水量801mm，最大年降水量1288.5 mm（1964年），年最小降水量408.2 mm（1966年）；历年来24h最大降水量461.5 mm（1971年6月28日），时最大降水量106.7mm（1988年8月10日）；年平均蒸发量1488.6mm。
研究区属淮河流域沙颖河水系，主要河流有沙河、湛河；水库主要为白龟山水库。
沙河：年平均流量16.82m3/s,最大流量3300m3/s。湛河：年平均流量8.8 m3/s，最大流量460m3/s。
白龟山水库：座落在沙河之上，为一大型水库，控制流域面积2730km2，库容6.49亿m3，历年最大泄水流量3660 m3/s。
1.2 地貌
平顶山地处伏牛山脉与黄淮平原的过渡地带，地势西北高东南低，北高南低，北部最高山峰落凫山海拔493.7m，东部平原最低海拔75.7m。
市区南北为山地，形成两山夹一谷，由西北向东南倾斜，并向东南逐渐撒开的箕状地形。
1.3 地层
区内缺失下元古界、古生界奥陶系、志留系、泥盆系、石炭系下统及中生界侏罗系、白垩系，其余地层均有出露或揭露。
前第四系主要岩性为混合岩、混合片麻岩夹石英岩、砂页岩、砾岩、白云岩、灰岩、砂岩及煤层、页岩夹煤层、砂质泥岩、泥岩、粘土岩。
第四系分布广泛，成因类型复杂，主要是冲积、冲洪积粘土、粉质粘土、粉土及砂砾石层。
2 主要地质灾害类型
研究区内的地质灾害主要为地面塌陷，次为地裂缝。据调查已发生地质灾害25处，其中地裂缝4处、地面塌陷21处。
3 地质灾害发育规律
3.1 地面塌陷
3.1.1 时空分布规律
对比1986年、1994年和2009年三次调查的采煤塌陷面积可知，采煤塌陷是随时间而变化的。从1957年第一对生产井建成投产，至1986年调查采煤塌陷的29年间塌陷面积20.0km2，平均每年新增塌陷面积0.69km2。从1986调查，至1994年调查的8年间，塌陷面积达到81.63km2，比1986年增加61.63km2，平均每年增加塌陷面积7.70km2。从1994年调查，至2009年调查的15年间，塌陷面积达到149.55km2，比1994年增加67.92km2，平均每年增加4.53km2。随着煤炭资源的不断被采出，采煤塌陷面积还会逐渐扩大。
3.1.2 机理分析
区内采煤活动较为集中，煤矿开采过程中常会形成大面积采空，而且机械掘进可改变岩体原有力学平衡，降低岩体抗压、抗剪强度，加之巷道支护不当，并在降雨、风化、重力等因素累进破坏作用下，导致冒顶性地面塌陷。
地下采矿时，特别是采煤，回采过程中巷道及采空区的围岩支护是临时性的，不能制止上覆岩体的变形发展，使得松动带的半径和塌陷拱的高度变大，并在采空区上覆岩体中形成明显的三带即：冒落带、裂隙带和弯曲带。它们都属于地下采掘所引起的上部覆岩的松动范围，称它为采动区。
当地下矿层被采出以后，采空区在自重及其上覆岩层的压力下，产生向下弯曲和移动，当顶板岩层的拉张应力超过该层岩层的抗拉强度时，直接顶板首先发生断裂和破碎并相继冒落，接着上覆岩层相继向下弯曲、移动，进而发生断裂和断层，随着采矿工作面向前掘进，采动影响的岩层范围不断扩大。
当矿层开采的范围进一步扩大到某种程度时，在地表就会形成一个比采空区大的多塌陷区，从而危及地表建筑物和农田。
3.2 地裂缝
3.2.1 分布现状
现场调查发现地裂缝灾害点4处。境内地裂缝灾害中，石龙区青草岭地裂缝为巨型，北山油库和落凫山电视塔地裂缝为中型，金牛山风景区地裂缝为小型。地裂缝集中分布于塌陷区边缘，为采空塌陷之伴生地裂缝。
西部青草岭地裂缝，其主裂缝南起石龙区张庄村西南部的山坡上部，北到大口子，走向325°~345°，纵贯整个青草岭。现场勘测数据显示，该裂缝已经形成宽度85m-170m的裂缝带，长度约4500m，裂缝带面积为0.35km2，据调查裂缝带在缓慢加宽。
座落在市区北部落凫山山顶的市电视转播台，于1985年年初发现房屋墙壁产生裂缝，到1985年9月一场大雨之后，距电视转播台北约50m的地方发现一条长约500m，宽10～20cm，深度不详的地裂缝，其走向为310°。而后，办公楼墙体裂缝加剧，地下室墙壁及山体南侧陡坡处也发生了多处裂缝（图1）。据1994年调查，地裂缝并不局限于落凫山电视转播台一带，落凫山南坡及坡角处的林场一带，大范围内均有地裂缝。
图1 落凫山地质剖面及地裂缝示意图
3.2.2 时空分布规律
经调查大多地裂缝与矿区采空区相伴而生，分布在塌陷区边缘，其规模与采空区大小、上覆岩体厚度及塌陷发育期有关。采空区大，上覆岩体厚度小，地裂缝的规模就大。地裂缝一般出现在地表移动变形初期和快速移动变形塌陷期，地表移动变形初期地裂缝一般不连续，长度小，宽度小，方向性不强。快速移动变形塌陷期地裂缝一般规模大，延伸长，方向性明显，宽度大，仔细观察，还可辩认出下降盘和下降值。如1994年发生在建设路西段师专一带的塌陷，属快速塌陷，将建设路两侧树木及房屋下沉1m多，有一条几十米长的地裂缝将建设路裂开，北侧下沉速度明显大于南侧。地表移动变形衰退期因塌陷日趋稳定，无新地裂缝发生，原先的地裂缝也逐渐闭合稳定。由于平顶山煤田是分层开采，地裂缝一般具有时开时合的特征。
落凫山地裂缝是四矿放顶所致。电视转播台座落于坚硬的厚达100m的二叠系（P1-2sp）砂岩之上，下伏地层为软硬相间的二叠系石盒子组（P1-2s）含煤岩系。由于上部二叠系砂岩较坚硬，风化裂隙和构造裂隙发育，下部含煤岩系遭受采煤破环后，尤其是采空区放顶，上伏岩石失去支撑，在自重应力作用下下沉，引起山体开裂，降雨加速了上覆岩石下沉及山体开裂。
4 致灾因素分析
地面塌陷、地裂缝是受地质构造、采矿条件、开采规模、上覆岩土体的组合关系、岩土（体）力学性质以及气象、水文等多种因素综合作用的结果，大致可分为自然因素和人为因素。
4.1 自然因素
4.1.1 矿产埋藏条件
矿产埋深愈大（即开采深度愈大），变形扩展到地表所需的时间愈长，地表变形值愈小，变形比较平缓均匀,但地表移动盆地的范围加大。
矿层厚度愈大，开采空间愈大，会使地表变形值增大。矿层倾角大时，使水平移动值增大，地表出现地裂缝的可能性增大，塌陷区和采空区投影面积越不一致。松散覆盖层的厚度及性质。松散覆盖层越厚，竖向变形值越小，但变形范围加大。区内松散覆盖层主要为粘性土，地表常出现地裂缝。
4.1.2 地质构造因素
矿层倾角平缓时，盆地位于采空区正上方，形状基本上对称于采空区；矿层倾角较大时，塌陷区在沿矿层走向方向仍对称于采空区，而沿倾角方向，随着倾角的增大，塌陷区中心愈向倾斜的方向偏移。
岩层节理裂隙发育，会促使变形加快，增大变形范围。
断层会破坏地表移动的正常规律，断层带上的地表变形相对剧烈。
4.1.3 岩性因素
如覆岩中均为极软弱岩层或第四纪土层，顶板即使是小面积暴露，也会在局部地方沿直线向上发生冒落，并可直达地表，这时地表出现漏斗型塌陷坑。如红砂岭塌陷
厚度大的、塑性大的软弱岩层或土体，覆盖于较硬岩层上时，后者产生破坏，会被前者缓冲或掩盖，使地表变形平缓。反之，上覆软弱层较薄，则地表变形会快，并出现裂缝。焦作采煤区塌陷大多属于该类情况。
另外，除以上因素，降雨、水文、植被等因素对地面塌陷也有一定的影响，尤其是降雨沿岩（土）体裂隙带下渗或运移，可加速上覆岩土体的下陷，甚至成为诱发因素。
4.2 人为因素
4.2.1 采矿方法和顶板管理方法
采矿方法和顶板管理方法是影响围岩应力变化，岩层移动，覆岩破坏的主要因素。目前在煤矿应用较为普遍的方法有长壁垮落法、长壁充填法和煤柱支撑法等。
垮落法是目前采用的最普遍，使覆岩破坏最严重的一种顶板管理方法。开采时顶板岩层一般都要发生冒落和开裂性破坏。当深厚比较大时，能促使上覆岩层迅速而平稳地移动，地表下沉量达到最大。
用充填法采煤，对覆岩的破坏较小，一般只引起开裂性破坏而无冒落性破坏，能够减小地表移动量，并使地表移动和变形更为均匀。
煤柱支撑法管理顶板，可分两种情况：一种是保留的煤柱面积较大（如条带法、房柱法等），煤柱能够支撑住覆岩的全部重量，使其不发生破坏；另一种是保留的煤柱面积较小（如刀柱法），当采空区扩大到一定范围后，刀柱被压垮，覆岩发生冒落和开裂性破坏。
4.2.2 采空宽度的影响
地表变形的范围与采空宽度有密切的关系。在煤层埋深不变的情况下，开采宽度越大，形成的地表影响越大。
5 结语
（1）区境内的地质灾害主要为地面塌陷，次为地裂缝。
（2）1957年至1986年塌陷面积20.0km2，平均每年塌陷面积0.69km2；1986年至1994年塌陷面积达到81.63km2，平均每年增加塌陷面积7.70km2；1994年至2009年塌陷面积达到149.55km2，平均每年增加4.53km2，采煤塌陷面积逐渐扩大。
（3）地裂缝与矿区采空区相伴而生，大多分布在塌陷区边缘。
（4）区内采空地面塌陷、地裂缝，主要受区内矿体分布形态、地层（尤其顶、底板）岩性，地质构造、开采方式、降雨及人类工程活动等因素制约。其中，降雨及地下采掘是重要的诱发因素，区内采矿活动较为强烈集中，在各种因素耦合作用下，引发地面塌陷、地裂缝。
[1]河南省地质调查院 《河南省主要城市环境地质调查评价》，2009.
[2]煤炭工业部郑州设计研究院 《河南省平顶山矿区采煤沉陷情況报告》，2004年.
[3]河南省地质环境监测总站 《河南省矿山地质环境调查与评估报告》，2003.
[4]平顶山市区人民政府 《平顶山市区矿产资源规划》，2003.
[5]河南省地矿建设工程有限公司 《河南省平顶山矿区地质环境调查与评价报告》，2002.
[6]河南省国土资源厅 《河南省地质灾害防治规划 （2001-2010）》，2001.
P694[文献码]B
1000-405X（2015）-10-344-2
