唐山南湖生态园地面塌陷影响因素及保护对策分析

顾福计，赵永真，高明辉

(河北省地质环境监测总站，河北 石家庄 050021)

唐山南湖生态园地面塌陷影响因素及保护对策分析

顾福计，赵永真，高明辉

(河北省地质环境监测总站，河北 石家庄 050021)

南湖是唐山煤矿老采空区地面塌陷坑治理建成的AAAA级景区生态园，通过分析论证影响南湖生态园老采空区复活的各项因素及其塌陷形成机制，对该区采空塌陷及地裂缝发生的可能性、地质灾害的危险性和危害性作了进一步分析，并提出了地质灾害防治与生态保护的措施及建议。

矿业城市；老采空区；采空区复活；采空塌陷

1 地面塌陷现状

1.1 唐山煤矿地质环境

唐山南湖公园位于唐山城市中心区，是在唐山煤矿采空塌陷区治理基础上，建成的我国北方最大的城市生态园。唐山煤矿位于开平煤田向斜西北翼的西南部，南湖公园处于向斜倒转翼次级背向斜强烈褶皱带，煤层和岩层陡立，被Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三条晚更新世活动断层及分支断层切割揉扭，Ⅲ断层将奥陶系灰岩推覆石炭-二叠系地层之上或对接。基岩顶面起伏变化大，北部埋深40～50 m，南部达160～180 m。覆盖层底部为粘土卵砾石层，是孔隙水承压含水层，局部有接触天窗，煤系地层下伏的奥陶系灰岩岩溶裂隙发育，为岩溶水强含水层。

1.2 唐山煤层开采历史与现状

解放前，1891～1937年唐山煤矿对Ⅲ断层上部倒转翼强烈褶皱断裂带倾斜和急倾斜煤12、煤9、煤8、煤5等煤层大部分进行了开采，急倾斜煤采用落垛法和房柱法开采，缓倾斜煤层采用短壁法开采，全部陷落顶板管理。解放后，对Ⅲ断层上部剩余的煤炭资源开采，同时开采下部正常翼-600～-800 m煤5、煤8、煤9、煤12等煤层，局部截至2000年和2013年。1973年、1975年至2007年增盛煤矿和刘庄煤矿对倒转翼北部老采空区残余煤柱进行了复采残采。

1.3 地面塌陷状况

唐山南湖公园所处的西塌陷坑面积约14余 km2，区内有多个积水坑，水坑面积约5.91 km2，塌陷坑呈北北东向条带状分布，地表发育多条不连续地裂缝，塌坑最大深度达17 m。1976年唐山7.8级地震塌陷坑在强烈震动作用下，产生了不均匀沉陷， 2005年湖内桥梁塌陷破坏。

2 南湖地面塌陷影响因素分析

据有关调查资料，南湖公园发现零散分布的地裂缝，表明现今南湖公园地面塌陷尚未全部稳定。采矿活动是地面塌陷的直接诱因，矿层(体)地质特征和地质环境条件决定了矿山开采条件和地面塌陷特征。

图1 开滦唐山矿甲——甲′地质剖面图

2.1 条件控制因素

实践表明，复杂脆弱的构造结构体是地面塌陷地裂缝高易发地带。南湖公园西部倒转翼Ⅰ-Ⅲ断层之间为强烈挤压褶皱带和断层密集破碎带，是地面塌陷、地裂缝高易发带。钻孔和井下开采揭露，急倾斜煤层节理、层理、片理发育，揉皱、顺层变形严重。断层上陡下缓落差大，Ⅰ号正断层落差达155 m，倾角50°～70°；Ⅱ号逆断层落差145 m，倾角一般为26°～35°；Ⅲ号逆断层落差达370 m，一般倾角为24°～30°。断层两侧发育多条分支小断层。断层将不同时代岩层错位对接，或沿软弱层面滑动，呈波浪起伏变化大。岩层受强烈挤褶皱和断层切割扰动，使煤层、围岩、覆岩及覆盖层底部的岩土体结构受到不同程度破坏，形成多级软弱结构面，特别是不连续的优势结构面原生地质环境承载能力低，统计资料表明，当断层倾角大于20°断层落差大于10 m时，断层对采空塌陷产生冒落影响。成为地面塌陷、地裂缝高易发地段。

2.2 采动影响因素

受煤层围岩覆岩倾角和复杂脆弱的岩体结构制约，急倾斜煤层老采区采用落垛式开采，煤层采出后，一次形成较大空间，在垂向上形成不同高度、不同规模的冒落带和导水裂隙带。导水裂隙带在覆岩中产生垂直或近于垂直层面的裂隙和顺层面脱开的离层裂隙。离层裂隙表征覆岩破坏是由下而上的扩展式的发展过程。水体下采煤，导水裂隙带发育高度与覆岩坚硬程度、采矿方法和开采厚度有关。近百年开采实践表明，急倾斜煤层采出后，采空区覆岩和围岩沿断层、节理、层面滑移、垮落、片帮，地表形成漏斗状塌陷坑、塌陷槽及地裂缝台阶等不均匀变形。

南湖塌陷区Ⅲ断层以下深部煤层尚未大规模开采，可采煤层有煤5、煤8、煤9、煤12和煤14(底部受奥陶系岩溶水威胁)，开采Ⅲ断层以下向斜轴部煤层将导致Ⅲ、Ⅱ、Ⅰ断层及分支断层活动，牵动Ⅲ断层以上老采空区活化，继续发生地面塌陷、地裂缝。

2.3 地震与地应力加剧因素

唐山煤矿地面塌陷区位于1976年7.8级地震震中区，地震烈度达10～11度，场地坑震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.20 g属于地壳不稳定区，地应力高度集中区。不仅地表遭受强震破坏，老岳各庄塌陷积水坑下沉2 m，而且南湖公园塌陷区及周边的水源井、地下水监测孔井管被错断扭裂，破坏部位多为第四系松散层与基岩接触面、石炭二叠系与奥陶系灰岩接触面等软硬岩层界面，地质结构受到影响破坏。唐山7.8级震后余震时有发生，地震强烈振动加剧了地面塌陷。

矿震在煤炭系统称之为冲击地压。1964年6月唐山煤矿曾发生过冲击矿震，对采区产生影响。开采南湖公园Ⅲ断层以下标高-800～-1 200 m深部煤层，受到冲击地压(矿震)威胁，不仅对采场围岩、覆岩变形破坏，而且影响到新老采空区残存煤柱活动，加剧地面塌陷。

2.4 地下水促进因素

唐山煤矿矿坑充水水源为石炭——二叠系基岩裂隙水、上覆松散层孔隙水和下伏奥陶系岩溶水。地下水是一种难以压缩、流动性大、最活跃的因素，沿导水断裂带或其它充水通道涌入水体下开采区。地下水渗流冲刷、渗透潜蚀、软化泥化和润滑等作用，促进了覆岩土体变形破坏，加剧了开采条件下地面塌陷地裂缝发生。老采空区留设的煤岩柱在地下水、地应力和矿山压力作用下，不断风化剥落变形破坏，煤岩体对覆岩的顶托作用减少。导致覆岩土体具有长期变形效应，失去支撑能力，这已被国内外多年老矿岩柱变形破坏实例所证实，促进了地面塌陷隐患。

通过唐山煤矿南湖区地质条件、新老采空区地面塌陷地裂缝发育分布规律、影响因素及形成机制分析，南湖区下伏浅部老采空区和深部开采区局部依然存在地面塌陷地裂缝灾害隐患，尤其是急倾斜煤层强烈褶皱带和Ⅰ-Ⅲ断层破碎带不稳定地段，发生地面塌陷地裂缝可能性大，地质灾害危险性大-中等，对南湖区工程建设、生态保护和人员安全构成威胁。

3 保护对策及与建议

目前唐山市在规划南湖公园服务性二期建设项目，包括跨湖、跨河、跨路等多项高架轨道工和其他供游客观光工程，其中唐胥路主轴跨线工程桥长1 484.911 m，路面宽6 m，一般性地面建筑服务设施楼层高度为1～3层。

1)鉴于南湖区采空塌陷受诸多因素影响与制约，在不同空间、时间、强度方面有很大的差异性，通常各采空区地面塌陷防治方案不具有通用性，可比性较差。编制塌陷防治和生态保护方案前，应对防治区进行大比例尺专项勘查，查清底数，突出重点，根据成灾条件、致灾因素，结合地表已建及待建工程和保护对象，分区段编制保护预防与治理方案。

2)根据南湖区所处的区位条件和区域地质水文地质条件，南湖区下部压覆的大量煤炭资源无论是现状开采还是未来开采，在断层破碎带和强烈褶皱带区域都应设置防塌煤(岩)柱。

3)对南湖区Ⅰ～Ⅲ断层褶皱带地质环境条件复杂脆弱地段，在采掘过程中应坚持“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”的原则，超前查清断层破碎带、强烈挤压破碎带、导水裂隙带的空间位置及特征，采用壁式充填法或柱式充填法进行保护性开采。

4)开展南湖区及周边地面塌陷及地裂缝预防监测。根据地面塌陷影响因素，监测内容：

(1)地面变形监测及地面工程设施变形破坏监测；包括公园内生态建设大量的低层建筑物及路桥、管道等设施和园林区地表移动变形监测；

(2)煤系地层主要含水层基岩裂隙水、上覆底部粘土卵砾石层孔隙水和奥陶系灰岩岩溶水等地下水水位动态监测；

(3)地下采空区Ⅰ断层西北构造块、Ⅰ～Ⅲ断层间构造块、Ⅲ断层以下构造块不同开采水平涌水量监测；

(4)地下采区不同开采水平采前及采后应力场监测，地应力高度集中矿压监测，地下采区变形破坏监测。

监测网(点)布设，充分利用唐山煤矿地下水水位监测孔、城市地下水水位监测井、地震地下水水位监测孔建网。矿坑涌水量、地下采区地应力监测和地下采区变形破坏监测可采用唐山煤矿监测资料。

5)南湖公园老采空区塌陷区拟建高架桥式跨路跨湖观光浏览轨道工程，桥长总计1 484.911 m，由于桥梁承受变形能力较小，产生变形后不易削除，一旦发生塌陷地面变形破坏，则导致严重灾害。该建设场地地质环境条件复杂脆弱，部分地段为煤岩层急倾斜强烈褶皱带和断层破碎带，采空区覆岩易发生抽冒式塌陷，勘查资料表明，塌陷深度已达10～15 m，远超过缓倾斜塌陷盆地变形量，预测评估地质灾害危险性大。建议在专项勘查评价基础上，该轨道工程基础采用筏板基础。

[1]张洪波.唐山市区基础地质背景调查研究(内部资料).唐山市地质环境监测站.1978.

[2]谷世铭,周全度.开滦唐山矿百年来涌水量稳定的原因(内部资料).河北省煤田第一勘探队.1980.3.

[3]唐山市区地质环境监测报告(一九八五年).唐山市地质环境监测站.1986.3.

[4]调整公路下伏采空区危害性评价与处治技术.东南大学出版社.2006.8.

[5]2016年唐山世界园艺博览会服务区建设项目地质灾害危险性评估报告、唐山市胥路主轴跨线桥建设项目地质灾害危险性评估报告(内部资料).中煤科工集团唐山研究院有限公司.2015.3.

2017-02-22

顾福计(1972-)，男，河北石家庄人，高级工程师，主要从事水文地质、工程地质及环境地质方面工作。

P642.21

B

1004-1184(2017)04-0183-02