采煤沉陷区地面塌陷原因及塌陷坑附近房屋居住安全分析

刘 贵

(1.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013； 2.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)

地面塌陷是指上覆岩层发生破坏，岩土体下陷或塌落在地下空洞中，在地表形成不同形态的塌坑。地面塌陷是地下矿产采空区或喀斯特区常见的一种地质灾害，据调查我国东北、西北、华北以及南方诸省均分布有地面塌陷，南方地区的喀斯特塌陷最多，而北方地区则以矿产开发引起的地面塌陷为主[1]。在多年开采的煤矿区，特别是经历过小煤矿开采的老矿区，在非采动时期也往往会出现地面突然塌陷的情况，严重影响居民的生命财产安全。

2011年8月24日15时左右，在北方某城市南环路南侧液化气站西墙外发生地面塌陷事件，致使停在地面的两台挖掘机沉落塌陷坑内，造成挖掘机损坏。而塌陷坑的位置距离最新的居民房屋仅约15m，对当地居民产生严重心理影响。本文根据此区域煤层赋存、煤矿开采历史、自然条件等进行分析，深入研究该地区导致地面塌陷的影响因素并对附近房屋的安全现状进行分析，以便及时采取有效措施，保证居民生命财产安全。

1 塌陷概况

经现场踏勘，在南环路南侧液化气站西墙两侧有两处塌陷坑，其中液化气站西墙内塌陷坑发生在2011年8月19日，因其在墙内，外界不太了解，社会影响不大，没有造成财产损失。2011年8月24日在液化气站西墙外再次发生地表塌陷事件，致使停在地面的两台挖掘机沉落塌陷坑内，造成财产损失。塌陷坑紧邻液化气站西墙，中心距南墙约8m，塌陷坑为椭圆形，东西直径约10m，南北直径约6m。

2 塌陷坑周边煤矿开采情况

2.1 塌陷区域下部煤层地质情况

该处地表标高为+487m，地表向下地层分别为第四系冲击土层，厚度约10m，依次赋存二叠系、石炭系主含煤地层，含一、二、三、四、五、六、七煤层。其中二、三、四、六、七煤层均为可采煤层。一至二煤层间岩层约20m，二至三煤层间岩层厚度约20m，三至四煤层间岩层约50m。二煤层平均厚度约2m，三、四煤层较厚，三煤层厚平均4.2m，直接顶为粘土质细砂岩，厚2.0～4.0m，老顶为粗中粒长石砂岩，较难冒落，遇水易膨胀。四煤层为厚复合煤层，四煤层平均厚度在5.0～11.0m，结构较为复杂，含夹石2～4层，最大厚度1.2m，最小厚度0.3m。该区域煤层基本走向N60°W，倾向SW，平均倾角在30°左右，四层煤的直接顶为粘土质细砂岩，厚2.0～4.0m，老顶为粗中粒长石砂岩，较难冒落。底板为含根茎化石的砂质粘土岩，厚度2.0m左右。

2.2 某公司一号井2444面地质采矿条件

2011年此区域是第三次开采，2444工作面运输巷标高+380m，回风巷标高+396m，采面西边界距塌陷坑水平距离40m，高差91m，于2011年8月20日构成回采条件，采用“巷柱式采煤方法”进行回采，全部垮落法管理顶板，爆破采煤工艺，掘巷均采用钻爆法掘进方式。该采区四煤层是复合型之厚煤层，原始煤层厚度在8～10m之间，含多层夹层，粘土岩、煤质页岩、煤交互成层，以底夹石为最厚在0.6～2.5m之间；走向东南—西北，倾向西南，煤层倾角在20°～35°之间，煤岩类型为亮型～半亮型，煤种为贫煤，现复采剩余煤量，平均厚度约4.0m。2444工作面位置及井上下对照如图1所示。

图1 井上下平面对照示意图

2.3 附近其他主要小煤矿情况

塌陷坑附近主要的小煤矿有老厂子村4号井，开采四煤层；老厂子村7号井开采四煤层；老厂子村6号井开采二煤层；老厂子村李某井，开采二煤层。其中老厂子村4号井，6号井，7号井的批准开采范围见图1，分3块，共由14个角点组成，此区域四煤的平均厚度约4.0m，煤层倾角平均为30°，平均采深约90m；老厂子村李某井的批准开采范围见图1，由12个角点组成，此区域二煤的平均厚度约2m，煤层倾角平均约20°，平均采深约80m。

2.4 塌陷区域煤层历史开采情况

20世纪80年代以前国有大矿曾对该区域二、三、四层煤进行过初次回采；80年代中期至近年来，还曾有十余个地方煤矿及多个私挖小窑在该区域下部各煤层进行过开采，其中在该塌陷区正下部进行回采过的小煤矿主要有：老厂子村4号井，老厂子村7号井，老厂子村6号井，老厂子村李某井，这些井都曾多次越界开采至液化气站下方，液化气站及周围曾出现过多次地表塌陷坑，据1998年7月12日《小煤矿破坏情况调查》记载：由于老厂子村4号井越界开采，造成液化气站出现4个塌陷坑、围墙断裂、主灌区基础下沉。1998年至今，又相继出现过多个塌陷坑。

2.5 塌陷区西侧居民房屋情况

现场对塌陷坑西侧南环路居民房屋进行了查看，登记，总共13个宅基，建成房屋居住有10户，其中最靠近塌陷坑房屋，在塌陷坑北边距离约15m。房屋建设时间基本在2009—2010年间，多为2层楼房。平面位置如图1所示。

3 地面塌陷坑原因分析

由地质采矿条件可知，本区域地下可采煤层较多，可采煤层有二、三、四、六、七共5层煤，塌陷坑地表接近煤层露头区域，各煤层埋深均比较浅，其中二煤层埋深最浅，平均只有几十米，三、四煤层较厚，三层煤厚平均4.2m，四煤层厚度为5.0～11.0m，最浅埋深约100m，且煤层倾角较大，平均倾角约30°。由实践经验知，当采深与采厚的比值小于30时[2，3]，地表有可能出现较大的裂缝或塌陷坑，倾角大的煤层更易出现抽冒塌陷坑的情况[4-7]。该区域煤层开采累计采深采厚比远远小于30，故在本区域进行地下开采地表较易出现塌陷坑。

采煤方法对地表沉陷充分性影响较大，一般情况采用现代化的长壁工作面开采，由于工作面尺寸大，中间没有煤柱支撑，采用全部垮落法管理顶板后，上覆岩层垮落比较充分，随着煤层开采的推进，地表下沉也比较充分，待地表移动稳定后，其地表残余移动与变形较小。如果采用部分开采方法，如房柱式开采或刀柱式开采，都是采用留设煤柱支撑管理顶板，此时采空区遗留较多的残留煤柱，老采空区上覆岩层一般垮落不充分，并且一般情况下，小煤矿开采残留煤柱的长期稳定性得不到保证，一旦煤柱失稳，后期地表残余移动与变形就比较大，如果再有外力的作用，将促进老采空区的活化。

地表残余移动与变形是相对于正常的地表移动与变形而言的，一般而言正常的地表移动与变形认定标准为[8，9]：当地表最大下沉点的下沉值达到10mm时，即认为地表移动开始，六个月内地表下沉的累计值不超过30mm时，即认为地表移动基本结束。正常的地表移动结束后，地表还会有残余地表移动与变形，这是由于老采空区虽然经过了长时间的自然压实，但开采后形成的采空区、岩体中的离层、裂缝带和冒落带岩块的未充分压密、孔隙中饱水等现象仍将长期存在[10-12]。在受到自然力(如地震)或外力(如在临近煤柱开采等)扰动时，仍有可能使上覆岩层再次产生压缩和下沉，导致地面出现新的移动和变形，对地面建筑物安全构成影响。

由历史开采情况可知，80年代以前国有大矿曾对该塌陷区域二、三、四层煤进行过初次回采，采用的采煤方法均为刀柱式开采；80年代中期至近年来，还曾有十余个地方煤矿及多个私挖小窑在该区域下部各煤层进行过开采，复采次数较多，小煤窑开采的特点多是哪有好煤往哪挖，采空区内留设的小煤柱支撑，上覆岩层的垮落不会充分，且采用的多为炮采工艺，开采不够规范。此区域老采空区由于留设窄小煤柱较多，且复采次数较多，上覆岩层间的平衡是一种不稳定平衡，一旦有外界作用力就会导致失去平衡，重新运动，达成新的平衡，这时表现在地表上就会有新的地表移动与变形。

根据提供资料可知，近期没有小煤窑在此区域私挖乱采，排除了小煤矿开采导致地表塌陷的可能。某公司一号井2444工作面于2011年8月20日按留设保护煤柱规定掘进到位，构成回采条件，采用巷柱式采煤方法由西向东进行后退式回采，塌陷事件发生在2011年8月19日和24日，从时间上分析沉陷传递不到地表，从理论上分析即使出现塌陷也应在采区正上方稍偏向上山方向，不会向西偏移出40余米，但由于2444工作面采用爆破采煤工艺，掘巷也均采用钻爆法掘进方式，放炮震动对采空区活化起到外力扰动的作用，并且距离较近，故2444工作面准备巷道掘进和工作面开采的放炮作业是本次塌陷事件的影响因素之一。另外由于该区域开采煤层较浅，地表裂缝多，之前也出现过塌陷坑，雨水会沿地表裂缝流入老采空区，在雨水的浸泡下，有加速窄小煤柱失稳或上覆岩层平衡被打破的趋势，并且2011年降雨量较大，8月又适逢雨季，更有利于地表塌陷坑的的发生。综上所述，液化气站西墙两侧出现塌陷坑的主要原因如下：

1)煤层赋存条件。①煤层倾角：该区域赋存煤层属倾斜煤层，局部属急倾斜煤层，倾角较大，由地表移动与破坏形式可知，回采该类煤层具有产生抽冒塌陷坑的基本条件；②采厚：该区域主采煤层，三、四号煤层，属于厚及特厚煤层，三层煤厚平均4.2m，四层煤厚度为5.0～11.0m，易导致地表非连续变形的出现；③采深：塌陷坑地表接近煤层露头区域，各煤层埋深均比较浅，其中二煤层埋深最浅，平均只有几十米。

2)重复采动。该区域复采次数较多，且多采用刀柱式开采，为窄小煤柱失稳和上覆岩层不稳定平衡提供了条件。根据资料知，80年代以前国有大矿曾对该区域二、三、四煤层进行过初次回采，80年代中期至近年来，还曾有十余个地方煤矿及多个私挖小窑在该区域下部各煤层进行过开采。

3)残留煤柱长期稳定性。小煤矿开采，残留煤柱基本不满足长期稳定的要求，上覆岩层间的平衡是一种不稳定平衡，随着时间的推移及外力扰动，煤柱失稳会导致失去平衡，重新运动，达成新的平衡，地表上就会有新的地表移动与变形，导致地表出现塌陷坑的可能。

4)放炮震动。从本次塌陷事件发生的时间看，某公司一号井2444工作面准备巷道掘进和工作面回采的放炮作业是塌陷事件发生的诱因之一，因为放炮震动明显地对采空区活化起到外力扰动的作用。

5)大气降水。大气降水是塌陷事件发生另一个诱因，由于本区域开采煤层较浅，地表裂缝多，雨水会沿地表裂缝流入老采空区，在雨水的浸泡下，有加速窄小煤柱失稳或上覆岩层平衡被打破的趋势，且2011年降雨量较大，8月又处于雨季，为地表塌陷坑的发生创造了有利条件。

4 塌陷坑西侧民房损坏情况及居住安全性

经现场调查，塌陷坑西侧居民房屋损坏情况较轻，均在Ⅰ级损坏范围内。根据地表移动变形计算及结果可知，老厂子村4号井，6号井，7号井在其批准范围开采，影响范围接近液化气站西侧塌陷坑，南环路南侧居民房屋均在其沉陷影响范围内；老厂子村李某井按其批准范围开采，对塌陷坑发生地无影响，南环路南侧居民西边约5户在其沉陷影响范围内；某公司一号井2444工作面开采，塌陷坑所在地在其沉陷影响范围西边缘内侧，对南环路南侧居民房屋影响较小。井上下位置如图2所示。

图2 A-A’剖面示意图

由于老厂子村4号井，6号井，7号井和李志才井已禁止开采，以前开采，距离现在时间较长，在不出现能影响到居民房屋的地下采矿活动的情况下，其地表的残余移动与变形较小，对地面房屋影响较小，2444工作面开采对区域靠东边房屋有影响，但影响较小，从地表连续变形的角度看，房屋会有损坏，但损坏过程是连续的过程，不会突然倒塌，居住安全是可以控制的。

但由于本区域采矿地质条件，历史开采情况，大气降雨，自然力或外力作用等因素，不能排除地表再次出现塌陷坑等非连续变形的可能。所以有关部门应对本区域地质条件进行进一步的探测，在探测的基础上提出合理的方案进行治理，或采取集体搬迁等措施，以保证本区域居民生命财产安全。

5 结 论

1)本次地面塌陷坑的出现原因是多方面的。首先，煤层赋存条件是前提，煤层倾角较大，采深采厚比较小，可采或局部可采煤层较多；其次，开采方式是主因，国有大矿与小煤矿刀柱式开采，为窄煤柱失稳和上覆岩层不稳定平衡提供了条件；最后，2444工作面巷道掘进和回采的放炮作业与大气降水是诱因，放炮震动与雨水浸泡导致窄小煤柱失稳或上覆岩层平衡被打破，最终导致地面塌陷坑的出现。

2)对塌陷坑西侧居民房屋损坏及居住安全进行了分析，2444工作面开采会对靠东边房屋有影响，但影响较小，另外老采空区地表残余变形，若是连续变形，量值较小，居住安全是可以控制的。但由于文中分析的种种因素，不能排除地表再次出现塌陷坑等非连续变形的可能。有关部门应对本区域地质条件进行进一步的勘探，并提出合理的处置方案。