河南吴桂桥煤矿地质灾害形成机制分析

■田飞 任佩佩 李扬 李啸驰

（河南省地质矿产勘查开发局第五地质勘查院 河南郑州450000）

河南吴桂桥煤矿地质灾害形成机制分析

■田飞 任佩佩 李扬 李啸驰

（河南省地质矿产勘查开发局第五地质勘查院 河南郑州450000）

吴桂桥煤矿是驻马店市唯一一家在产煤矿，位于驿城区古城乡境内，为大型全掩盖式井田。经过长期开采，出现了地面塌陷等地质灾害。煤矿东部地层走向近东西向，西部转为北西向。倾向北东。含煤地层为石炭系、二叠系，与上覆新近系为角度不整合接触，与下伏奥陶系中统为平行不整合接触。区内构造以北西向断裂为主，次级断裂有近东西向隐伏断裂。矿区地面沉降主要由矿山采空区、大气降水、人类活动影响三部分构成。

煤矿塌陷形成机制吴桂桥

1　引言

2012年以来，河南吴桂桥煤矿所在地古城乡小马园、代庄等多个村庄发现房屋开裂，地表公路，水泥地坪等出现裂缝，部分房屋受裂缝影响成为危房，严重威胁着当地居民的生命财产安全。为保护人民财产，当地政府高度重视此事件，委托地质部门对煤矿地质环境进行调查，查明煤矿开采基本现状及其开发对地质环境的影响，查明地面塌陷及划定地面塌陷危险区域，并提出防治建议。

2　地质环境背景

塌陷区属丘陵地貌，地势较为平缓，为波状起伏的丘陵岗地地带，地势呈西南高东北低。海拔高程+160～+250m，相对高差约90m，山坡坡度较缓，一般15～25°。

2.1地层岩性

煤矿东部地层走向近东西向，西部转为北西向。倾向北东，倾角10～25°，一般15°左右。含煤地层为石炭系、二叠系，与上覆新近系为角度不整合接触，与下伏奥陶系中统为平行不整合接触。奥陶系中统为煤系基盘，厚约230m，岩性为深灰色致密厚层灰岩夹浅灰色白云质灰岩。

2.2构造

调查区构造以北西向断裂为主，次级断裂有近东西向隐伏断裂。褶皱：总体为一向北东倾斜的单一构造形态，地层倾角30°～40°，一般30°左右。据地震成果煤系地层呈单斜状态，无明显褶皱，整体看构造简单。断裂：形成时期主要为燕山期和喜山期。以喜山期北北东和北东东向断层为主，北西和近东西向次之。调查区受燕山期北西向驻马店——正阳断裂控制，是划分调查区的边界断裂，构造以断裂为主，褶皱不太发育。

2.3水文地质条件

工作区含水层分为浅层含水层及中深层含水层，浅层含水层主要是第四系孔隙水、砂砾石孔隙承压水，中深层含水层为新近系孔隙-裂隙水、二2煤层顶板砂岩裂隙水、石炭系上统C2t灰岩岩溶裂隙承压水、奥陶系中统O2m石灰岩岩溶裂隙水。

2.4工程地质条件

根据岩石成因、工程地质特征、岩石物理力学性质，将本区岩（土）体分为三个岩组，分别是松散岩类多层土体、碎屑岩较坚硬岩组、厚层状坚硬岩组。

3　地质灾害发生背景

地面塌陷的成因是多方面的，不同地区地面塌陷的规模和变形的特点也不同。由于工作区内吴桂桥煤矿的开采，区内形成地下采空区。依据资料综合分析，该区沉降主要由矿山采空区、大气降水、人类活动影响三部分构成。

4　形成机制原因分析

4.1地面塌陷的形成原因分析

煤矿采空区是工作区形成地面塌陷主要原因。地下煤层采出后，采空区上方的岩土层在重力作用下发生垮落、破裂、离层和弯曲。一般来说，在采空区覆岩移动变形稳定后，按岩层的破坏程度，从采空区向地表可依次划分为3个不同的开采影响带，即冒落带、裂隙带和弯曲带，简称为“三带”。若采空区至地表岩层均处于冒落带范围内，则地表出现塌陷坑；若裂隙带发育至地表，则地表以出现地裂缝为主；弯曲带上方地表往往形成下沉盆地。而工作区内采空区深厚比远大于30，所以目前工作区内采空区影响带只有冒落带。又因为采空区开采埋深大，松散层厚度较大，因而导致地表变形缓慢，地面塌陷时间较长。所以在目前为止，并未在工作区内出现塌陷坑，只是在大余庄、小余庄附近出现地面塌陷，据地面变形观测显示，该区域内的地面塌陷仍在持续。另一方面在此基础上加之近年气象条件极不稳定，极端天气增多。降水入渗水可以使洞顶覆岩的含水层增大，自重加大，提高了对洞顶的垂向压力；其次，下渗水流会湿润裂隙面，降低岩石块体间的抗滑阻力，从而引起洞顶和洞壁的进一步变形失稳。另外，降雨强度大、历时时间较长时，入渗的水流可以以灌入的方式快速进入围岩的宽大裂隙，形成较大的动水压力和冲刷作用，使原本由于矿山采空形成的不稳定的洞室瞬间垮塌，造成地面塌陷。基于上述原因的同时，人为的工程活动也可能起到了相应的诱发作用。矿山开采爆破作业可使洞顶覆岩以及洞壁的裂隙进一步扩大，引起岩层破裂、位移加剧，进而诱发地面塌陷发生。 由上述的采空区、气象、人类工程活动等综合条件因素在长期历史作用演变下，周而复始的破坏积累，最终导致该处地面塌陷的发生。综上所述，地面塌陷，基本认为是以矿山采空为主，大气降水和人类工程活动次之而导致的地面塌陷灾害发生。

4.2地裂缝的形成原因分析

吴桂桥煤田东西长7 km、南北宽3 km，根据规程计算出采空区影响地表变形边界为170～410m。由于地下采空造成采空区顶板冒落直接引发地面塌陷可以伴生形成地裂缝，而大余庄村位于采空区影响范围内，所以可以断定，地裂缝为采矿塌陷伴生。从气象局搜集了当地1997年～2012年气象资料显示，2011年和2012年工作区内蒸发量均大于同年的降雨量，区域内地表土体中含水量降低，土体发生收缩变形，导致地表土体形成裂缝。从发育时间上看，其中1～7、9号地裂缝发生在2013年的7月份，10～14号地裂缝发生在2012年7月份，均发生在降雨量远低于蒸发量的干旱季节，气温较高，地下水位下降明显，无降雨及地表径流补充，土体含水率大幅度下降，土体收缩现象严重。依据取样试验结果，虽然地裂缝分布区内的膨胀土基本位于地下水位变动带以下，但地表岩土体仍具有一定的膨胀性，其膨胀率为17～35%，当土体含水量发生较大变化时，仍会发生湿胀干缩情况。从发育特征上看，1、2、4、6、7、8、12号等7条地裂缝位于小马园、代庄、大马园等村庄附近的道路上，地形特点为道路旁边均有冲沟或灌溉渠道，沟道深约1.5～3m，宽2～5m，7条裂缝发育方向与道路方向一致，与沟道平行分布，在道路两侧发育，且存在长度较短，不延续特征，推测为受沟道干湿变化，土体胀缩形成的地裂缝。3、5号裂缝位于小马园村内，近东西走向，宽0.1～2.5cm，长3～9m，规模较小，推测为道路杂填土受气候、车辆碾压等因素形成的土体裂缝。9、10、11号裂缝位于农田内，发育时间均为6、7月，裂缝均呈锯齿状，宽度0.8～1.4cm，裂缝上宽下窄，深度小于20cm，推测为天气干旱土体收缩形成的胀缩裂缝。

5　结论

区内地面塌陷，是以矿山采空为主，大气降水和人类工程活动次之而导致的地面塌陷灾害发生；地裂缝的形成是因地表土体中含水量降低，土体发生收缩变形，导致地表土体形成裂缝。建议煤矿继续对矿区进行地面塌陷监测，可采用水准测量和平面测量两种方法来监测地表的沉降变化情况，对地面变形进行监测预报，监测结果应及时上报相关部门，避免更大灾害的发生。

[1]罗铭玖，黎世美，卢欣祥，等.河南省主要矿产的成矿作用及矿床成矿系列 [M].北京：出版社，2000.

[2]刘传正，等.地质灾害勘查指南 [M].北京：地质出版社，2002.

[3] 河南省驻马店市吴桂桥煤矿地质环境应急调查报告[R] .河南省地质工程勘察院，2013.9

F407.1[文献码]B

1000-405X（2016）-2-343-1