京西小窑采空区灾害特征及影响因素分析

吴言军, 李根义,陈爱新,陈昌彦,周宏磊,付军利

(1.北京市勘察设计研究院有限公司,北京 100038; 2.北京京岩工程有限公司,北京 100028；3.北京市门头沟区科学技术委员会,北京 102300)

京西小窑采空区灾害特征及影响因素分析

吴言军1、2, 李根义1,陈爱新1,陈昌彦1,周宏磊1,付军利3

(1.北京市勘察设计研究院有限公司,北京 100038; 2.北京京岩工程有限公司,北京 100028；3.北京市门头沟区科学技术委员会,北京 102300)

京西山区地质条件复杂，小窑浅层采空区灾害频繁，对地区工程建设及生态环境造成了严重影响和损失。小窑采空区主要灾害类型为地面塌陷及由其诱发的崩塌、不稳定斜坡和泥石流等地质灾害，灾害活动有着隐蔽性、突发性及随机性的特征，受地质构造、地层岩性、地形地貌以及气候条件、人类活动等内外地质作用因素影响，又表现出一定的客观规律。本文通过分析京西山区小窑采空区灾害特征和致灾因素，以便于开展针对性的防范措施，希望能为京西山区工程建设提供一些参考和帮助。

京西；小窑采空区；塌陷灾害；影响因素

1 引言

京西山区位于北京平原的西部，行政区域上主要包括门头沟、房山区，是北京地区的主要产煤区，为京西煤田的主要分布区域，煤田面积为1 019 km2。该地区采煤历史久远，小窑众多，大量的煤层被部分或全部开采，在地下不同层位留下了大量的采空区。据资料分析，京西地区采空区面积36.92 km2，其中浅部小窑采空区6.52 km2，共有历代开采的老小窑3 000多座[1]。小窑浅层采空区塌陷灾害发育，引起地面塌陷、边坡崩塌以及泥石流、煤矸石等次生地质灾害问题，对地区生态环境地质产生了一定不良作用，且给当地人民的生命和财产带来了较大损失。如位于小窑采空区上的千年古刹戒台寺[2]、108国道、潭王公路、京西棚户区改造项目[3]等多个重大工程项目均曾发生过不同规模的地质灾害问题，严重地影响了当地正常的生活生产和经济发展。

近年来，随着社会和经济的快速发展，位于北京山区的一些高等级公路、铁路线、新城规划、旅游服务设施等得到了快速建设和发展，为减少或避免采空区安全风险，因此分析研究该地区小窑塌陷灾害特征及处理措施有着一定的社会和经济意义。本文以北京山区门头沟某地区小窑采空区灾害研究为例展开分析评价，并针对性提出防范措施，希望能有利于提高地区防灾减灾水平及工程建设的安全。

2 小窑采空区致灾特征

2.1 小窑采空区分类

小窑采空区是指在不同历史年代，由人工采煤形成的地下空间，一般由洞口、巷道、采空区等部分组成。根据不同划分依据，京西小窑采空区可分多种不同类型，详见表1。

表1 小窑采空区分类

根据回填与否，还可以划分为已回填采空区、未回填采空区；根据开采面积，划分为大面积、小面积采空区；按煤层厚度，划分为薄层采空区、厚层采空区等。另外还可以根据采空区或煤层倾角、采空区覆岩顶部软硬岩岩性特征、有无充水等根据需要进行详细划分。

2.2 小窑采空区塌陷灾害模式

根据前人研究[5-7]及现场调查、探测结果，在门头沟某地区小窑采空区发育有多种塌陷模式，形成规律与采空区部位、地质环境及人类活动有关。

(1) 漏斗型塌陷

正漏斗型是指小窑采空区洞口周边岩土物质在自身重力及风化、冲刷、振动等作用下向下塌落，形成平面呈椭圆形、立面呈上大下小的形状。该种类型一般多发生在以斜井、竖井形式开采的小窑洞口或巷道处，在本研究区较为常见(图1)。

图1 正漏斗型塌陷

反漏斗形塌陷区在立面呈上小下大的形状，多分布于采空区或巷道下部岩体破碎、上部岩体完整的地层中，也可能是深层采空区三带变形逐渐发展至地面的阶段(图2、图3)。该种类型也可成为“锥筒形”。漏斗型塌陷一般具有突发性、随机性、危害性大的特点，常造成房屋倒塌、公路断路、水体消失、管线断裂等灾害，应加以重视。

图2 反漏斗型塌陷

图3 梁桥场地高密度电法成果图

(2) 洼地型塌陷

洼地型是采空区或巷道在重力作用下发生较大面积的沉降现象，一般平面上呈不规则椭圆形，立面呈缓变下凹形，多发生在深层、大面积采空区或巷道埋深较大区域，另外上部覆岩多为软质岩或第四系松散土类地层。该型式也有人称作“锅底型”、“碟型”(图4、图5)。洼地型塌陷一般具有缓变性特点，作用时间较长，常导致建筑物变形、道路下陷开裂、水体渗漏、管道变形等灾害，由于该种塌陷模式变形时间长，面积大，且不易发觉及治理难度较大，须引起人们的重视。

图4 洼地型塌陷

图5 煤窑M14场地高密度电法成果图

(3) 沟槽型塌陷

沟槽型是小窑巷道上覆岩土体在内外动力作用下，发生沉降、塌落的现象，平面多呈长条形、立面上呈槽型，多发生在以平硐形式开采的小窑浅层采空区或巷道处(图6、图7)。

图6 沟槽型塌陷

图7 采煤巷道多道瞬态瑞雷波法成果图

(4) 直筒型塌陷

直筒型一般分布在竖井形式开采的小窑采空区或巷道、风井处，多是由于采煤竖井、巷道或风井没有进行回填或回填不实形成，平面上呈圆形，立面上呈井形，也有人把该种塌陷型式称为“井型”。由于古小窑开采时代多没有竖井的施工技术，故一般均分布于老、新小窑采空区，且多发生在硬质岩石采空区。该种塌陷模式规模较小，但一般塌陷深度较大，一旦人、物掉入，后果严重(图8)。

图8 直筒型塌陷

2.3 小窑采空区诱发灾害模式

(1) 煤层采空区

研究区小窑采空区一般位于山体下部，地面下埋深均较深，一般为50～100 m左右，煤层厚度一般在0.3～0.9m左右(采空层厚度约1.5～2.0 m)，采厚比大于30，为深层采空区，发生地面塌陷的可能性相对较小；不同于大型国矿开采，有相对完善的支护措施和监测系统，小窑一般无支护或简易支护，采空层顶板易发生塌落，导致上部覆岩的变形破坏，从而引发地面塌陷灾害或上部山体边坡滑塌失稳灾害。

(2) 采煤巷道

相对于煤层采空区来说，研究区采煤巷道尤其是外部进口巷道一般埋深较浅，在5～30 m左右，若按采厚比计算，大部分小于30，为浅层采空区。小窑采煤巷道一般无支护措施，易于发生坍塌，从而产生地面塌陷及诱发上部山体斜坡发生崩塌灾害。

(3) 采煤巷道洞口

研究区小窑洞口一般裸露，埋深浅，上部覆盖有少量第四系碎石土层，多位于山体斜坡的坡脚处或沟谷岸坡地带，应力较为集中且常遭受地表水体冲刷侵蚀，洞口或浅部巷道上部岩土体难以形成承载拱，容易发生变形破坏，从而引发洞口坡体失稳或上部斜坡岩体发生变形破裂，导致崩滑塌灾害的发生。经调查，在研究区小窑洞口段是经常引起边坡滑移、岩体开裂破坏及坍塌的地段之一。研究区建设用地后期规划和建设时须充分重视小窑洞口段边坡的稳定性问题。

(4) 煤矸石或弃渣

煤矸石[8,9]或弃渣不仅压占耕地面积，还不可避免地要覆盖农田、林地或覆盖水体，因而破坏了生态环境。而且煤矸石从暴露于自然环境开始就同时进行着物理、化学、生物变化，煤矸石表面经风化后形成的粉状颗粒容易污染大气质量，危害人们的身体健康，抑制作物生长，恶化自然环境。

研究区煤矿多为乡镇和个人办的小煤矿，几乎都无合理规划的废石场，小窑开采出来的煤矸石和弃渣一般随意堆放，无防范措施，堆放位置多分布在采煤巷道洞口处斜坡及沟谷、沟口地带，这些不合理堆积的煤矸石和弃渣为泥石流灾害的发生提供了大量松散碎屑物质。

3 小窑采空区灾害特征及影响因素

3.1 灾害特征

据资料分析，北京西山土法采煤已有近800多年的历史, 历史小窑众多，大量的煤层被部分或全部开采，在地下不同深度留下了大量的采空区。据不完全统计，研究区已发现塌陷坑1 000多个，涉及到10多个乡镇办事处，有40多个村庄受到不同程度的危害，数千亩林地、耕地被毁，给当地人们正常的生产生活造成了严重影响，阻碍了当地经济的快速发展。

受经济及技术条件限制，京西小窑采空区一般开挖空间小，多无支撑或临时简易支撑，遇煤则挖，无煤弃之，任其自然塌落，且分布无规律，导致其产生的塌陷灾害在空间上分布规律性差。由于小窑采深浅，不同于大型国矿采空区上覆岩体塌陷有着明显变形带分布规律，其塌陷灾害发生一般无典型时间预测规律，随机性较强，且容易对地面建(构)筑物造成不利影响。另外由于小窑规模小，一般勘探方法很难查明其分布情况，处理或预防措施难以准确实施或奏效，导致其灾害频发。

受小窑采空变形塌陷影响，位于其采空区或洞口、巷道上部或边缘的岩土体易产生变形开裂甚至破坏，诱发斜坡岩土体发生崩塌、滑坡，甚至给附近沟谷提供碎屑物源，产生泥石流灾害。据统计，在研究区30%～50%的泥石流、崩塌、滑坡地质灾害与由于煤窑采矿有一定关联。最为典型的北京西山千年古刹戒台寺滑坡就是与煤窑采空塌陷直接相关，导致北京市投入巨资进行治理修复。2009年108国道南村隧道在建设施工时发生坍塌事故，据调查，场区分布有煤窑采空区，隧道坍塌与采空塌陷关系密切。

3.2 主要影响因素分析

(1) 地质构造

研究区经历了多旋回、多期次的地质构造运动，形成了地形倒置构造地貌现象，山体褶皱变形强烈，岩体节理裂隙发育，完整性较差，为小窑采空区塌陷灾害的发生提供了便利条件；另外研究区位于九龙山向斜(向斜山)的南翼斜坡沟谷位置，从构造力学上来看，处于拉张应力分布带，拉张应力易产生拉裂崩塌，再考虑到山体边坡下伏有采空区的力学影响机制，易于诱发山体崩滑塌灾害的形成。

另外京西山区本身就是地质灾害发育区，小窑采空区变形塌陷为其他地质灾害发生提供了边界条件，进一步诱发了灾害现象的发生。受地质构造影响，地表浅部岩层倾角较大，对于陡倾煤层来说，其发生塌陷灾害的概率较高。据统计，在门头沟某研究区，有约50%的塌陷灾害发生在陡倾煤层中，小窑塌陷模式以漏斗形和直筒型为主；由小窑采空区诱发的崩塌、滑坡灾害也易发生在陡倾地层区域。

(2) 地层岩性

研究区小窑主要开采赋存于侏罗系窑坡组地层中浅层煤炭，采空区围岩以强风化-中等风化粉砂岩、砂岩、泥岩为主。根据钻探结果表明，岩芯呈碎块或短柱状，岩体节理裂隙很发育，钻探过程中存在漏浆现象，节理倾角约30°～40°。岩体为碎裂块状结构，岩体破碎-较破碎，岩石单轴饱和抗压强度平均值为12.28～36.35 MPa，属较软岩-软岩，岩体基本质量等级为Ⅳ～Ⅴ级。

该组地层软硬不均的特点决定了小窑采空区易发生地面变形，是小窑采空致灾的内在物质基础。

(3) 地形地貌

矿山开采造成的岩石移动会影响到地表陡坡的稳定性，产生崩塌或滑坡，即山体滑塌。一般情况下，地表坡度较陡、地形切割深度较大时，当岩层倾向与陡坡方向一致或陡坡位于变形区内、陡坡倾向与地表最大变形方向倾向一致时，易产生山体滑塌。研究区小窑巷道、洞口位置多分布在山体斜坡的坡脚或中下部及沟谷岸坡地带，应力集中，且易遭受水体冲刷侵蚀，具有诱发山体斜坡或岸坡失稳的动力条件。

研究区沟谷相对高差多在80～500 m，坡度多大于30°,沟谷上游山体坡度一般在35°以上，沟床平均纵比降为30‰～50‰，沟谷地形有利于水体汇集和固体碎屑的集中，且沟坡、沟口等多堆放有煤矸石及弃渣，具有发生诱发泥石流灾害的势能条件和物质基础。

(4) 气象水文

研究区是典型的暖温带半湿润季风型气候，降雨量有着明显的季节性特点，年降雨主要集中分布6～9月4个月内，约占年降雨量的80%～90%。根据资料统计，研究区煤窑采空塌陷发生在6～9月的概率最高，见图9，约占中塌陷量的62%。这充分说明了研究区采空塌陷与降雨的密切关系。

图9 京西山区采空塌陷年度分布统计表

据研究资料分析[1]，门头沟区门城镇老空区发生的数十起塌陷事件，90%以上发生在居民的厨房，另外不足10%则与地下输水管线跑、冒、渗、漏有关。这足以说明水是塌陷发生不可忽视触发因素之一。

随着区域煤矿停采、小窑关闭及环境条件的改善，研究区地下水水文地质条件将得到改善，地下水位也将升高，地下水对采空区覆岩的不利影响作用将更加明显和突出，在后期区域规划时须加以注意。

(5) 人类开采活动

研究区小窑自辽金时代就有开采记载，人类开采活动历史悠久，直到2008年才全面禁止开采。经调查，研究区小窑塌陷灾害发生主要集中于3个历史时期：近代以前、近代至建国及建国到至今。近代以前不管小窑是官窑还是私窑，其土法开采技术十分落后，开挖以平硐为主，遇煤则挖，遇水则停，开采季节多避开丰雨时期，开挖洞室多无支撑，简易排水，其发生小型塌陷灾害概率一般应较高，但受历史条件限制，相对记录较少；近代至建国前，历经军阀混战、帝国主义侵占煤矿、国民党混乱统治时期[10]，小窑开采十分混乱，历史矿难呈高发状态；建国后20世纪50～80年代，小窑开放开采，多快好省，盗挖私采现象严重，浅层煤层开采强度达到高峰，同期产生的小窑塌陷灾害呈频发状态。

4 结论

(1) 京西山区小窑采空区灾害发育，存在着多种类型，不同的类型有着不同的致灾模式和灾害表现形式。采空区塌陷灾害模式主要有漏斗型、洼地型、沟槽型及直筒型等，诱发灾害模式及类型多样。

(2) 京西小窑采空区埋深浅，易于发生地面塌陷或诱发崩塌、滑坡及泥石流灾害，危害较为严重。地质构造、地层岩性、地形地貌、气象水文及人类开采活动等是影响采空区灾害的主要因素，其中地质构造、地层岩性、地形地貌是采空区灾害发生的内在因素，气象水文、人类活动是采空区灾害发生的诱发因素。

(3) 在京西小窑采空区进行工程建设时应加强前期地质调查、评估及勘察工作，查明采空区的稳定性及致灾特征，合理规避灾害风险。在进行建设或对采空区治理时，应根据场地采空区的分布特点、施工条件、设计条件等选择适宜工程措施进行防范及治理，从技术可行性、经济合理性等方面进行分析和选择。

(4) 京西小窑采空区地质条件复杂，工程建设时应优化设计、施工工作，采取适宜措施减少采空区灾害的不利影响；对于复杂、较大型采空区还应进行监测工作，以确保工程安全。

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ANALYSISABOUTINFLUENCEFACTORSANDCOLLAPSEDISASTERCHARACTERISTICSOFSMALLCOALMINEGOBAREASINTHEWESTOFBEIJINGMOUNTAINAREA

WU Yan-jun1、2,LI Gen-yi1,CHEN Ai-xing1,CHEN Chang-yan1,ZHOU Hong-lei1,FU Jun-li3

(1.BGI Engineering Consultants LTD，Beijing 100038，China；2.Beijing Jingyan Geotechnical CO.,LTD, Beijing 100028，China；3.Beijing Mentougou Science and Technology Commission, Beijing 102300，China)

The small coalmine gob areas disaster happens frequently in Beijing West Mountain area due to complex geological conditions, and had brought serious impacts and losses on the engineering construction and ecological environment. The main disaster types are land collapse and Induced disasters, such as collapse, unstable slopes, mudslides etc. and the disaster activities with characteristics of hidden, sudden and randomness. The disaster events show certain objective laws affected on influence factors that geological structure, lithology, topography,climatic conditions and human mining activities and so on. The paper according to land subside disaster characteristics and disaster-causing factors, and hope to Easy to carry out provide some references and help for the engineering construction in the west of Beijing Mountain area.

West mountain area in Beijing；small coalmine gob areas；collapse disaster；Influence factors

1006-4362(2017)03-0046-06

2016-11-15改回日期2017-02-12

受北京市科委委托的研究课题：浅层采空区综合探测及灾害风险评价关键技术示范研究(Z121100000812006)资助。

P694;TD167

A

吴言军(1976-)，男，高级工程师，主要从事岩土工程、工程地质、地质灾害等方面的勘察、设计工作。E-mail:gkswyi@sina.com