咸阳彬长矿区采空地面塌陷发育特征及其形成条件

侯小峰，赵秋鹏，刘博涛

（中国建筑材料工业地质勘查中心陕西总队，陕西 西安 710003）

彬长矿区位于陕西省北部的长武、彬县二县境内，矿区面积约670km2，可采资源量达69 亿吨。在地貌单元上处于渭北黄土高塬沟壑区，塬区黄土盖层厚度多在250m 左右，但周边沟壑密集，沟坡陡峻，相对高差达200m 左右。然而矿区黄土覆盖层厚，山地丘陵密集，黄土本身的特性，如湿陷性、大空隙、垂直节理发育、力学强度较低等，造成了这些地区地面塌陷的特殊性。破坏土地资源，水土流失严重，上访等现象增多，加剧了社会矛盾，给当地人民的生活带来了严重的影响。

本文对彬长矿区因开采导致的地面塌陷进行了现场调查，明确了主要采空区地面塌陷分布的范围、对人们生产生活的影响、发育类型以及影响地面塌陷的因素[1]。

1 区域地质环境

1.1 地形地貌

彬长矿区属陕北黄土高原与陇东黄土高原结合部的塬梁沟壑区，基本地貌有河谷阶地、黄土塬和黄土梁峁三种。泾河河谷高程+850m ～+870m，塬面高程+1050m ～+1320m，地形相对高差200m，为残塬梁峁地貌。

1.2 气象水文

属典型的暖温带大陆性季风气候，年平均气温11.1℃，年平均降水量538.2mm。

区内水系以泾河为主干，有数条支流分南北呈羽状汇入。

1.3 地层岩性

彬长矿区自东南向西北沿泾河及支流由老到新依次出露有中生界三迭系中、上统，侏罗系中、下统，白垩系下统地层。新生界新近系及第四系覆盖其上。

彬长矿区的采矿层为延安组，共8 层，有对比意义和开采价值的5 层，自上而下编号为1、2、3、4上、4 层，分别含于三个矿层中：上矿层1、2、3 层，中矿层4上层，下矿层4 层。l、2、3、4上层为局部可采矿层，4 层为全区可采矿层。

1.4 地质构造

彬长矿区位于太峪背斜以北，地表大面积黄土复盖，沟谷出露的白垩系地层产状平缓，其深部侏罗系隐伏构造据钻探工程揭露，为一走向N50°～70°E，倾向NW ～NNW 向的单斜构造。

1.5 水文地质条件

彬长矿区地下水含水层从上之下依次为第四系孔隙潜水含水层、新近系孔隙、裂隙承压水含水层、白垩系层状裂隙承压水含水层、侏罗系层状裂隙承压水含水层，第四系孔隙潜水含水层可分为河谷区小型潜水（Q4）和梁塬区黄土层潜水（Q1+2+3），侏罗系层状裂隙承压水含水层可分为安定、直罗组层状裂隙承压水含水层和延安组层状裂隙承压水含水层。

2 地面塌陷特征及分布规律

2.1 变形特征

彬长矿区开采至今，发育地面塌陷数十处之多，塌陷范围内的房屋、土地、道路、水窖都遭到了不同程度的损害[2]。

彬长矿区采矿层厚度变化大、全区主采层4 号矿层厚0.1m ～43.8m，平均10.6m。矿层结构简单，含夹矸1 ～2 层。埋深大，最深达700 多米。矿区构造简单，无大的断裂构造。因此对主采层采用综放开采，垮落法管理顶板。采空区直接顶板岩层在自重力及其上覆岩层的作用下，产生向下的移动和弯曲，当其内部拉应力超过岩层的抗拉强度极限时，直接顶板首先断裂、破碎、相继冒落，而老顶岩层则以梁或悬臂梁弯曲的形式沿层理面法线方向移动、弯曲，进而产生断裂、离层。随着工作面的向前推进，受采动影响的岩层范围不断扩大。当回采工作面推进一定距离时，开采影响波及到地表，地表开始下沉，但下沉的速度和幅度不同，从而形成地表沉降盆地，在盆地中心产生压应力，沉降速度及幅度均较大，边缘产生张应力（外边缘区）或压应力（内边缘区）。内边缘区地表下沉不均匀，向盆地中心倾斜，呈凹形，产生压缩变形，地表受挤压，无裂缝形成的条件。而外边缘区，地表下沉亦不均匀，向盆地中心倾斜，但呈凸形，产生张应力，有形成张性裂缝的条件。当采动拉应力超过地表岩土的抗拉强度时，地表就会出现裂缝，水平拉应力使地表在水平方向拉开，形成裂缝宽度，垂直拉应力则使地表在垂方向拉开，形成裂缝落差。根据对彬长矿区采空地面塌陷的调查及分析，彬长矿区地面塌陷类型主要有地面裂缝、次生的滑坡、崩塌2 种类型[3]。

地面裂缝，裂缝一般长几米至几公里不等，宽几厘米至数米，根据裂缝的平面形态类型又可进一步区分为直线型裂缝、弧线型裂缝、分叉型裂缝。剖面上大部分的裂缝均有下错，有的裂缝无错动，有的裂缝深度较小，有的裂缝则贯通黄土层。

地面塌陷的另一主要特征表现为次生的滑坡、崩塌，在塬边发生，一般无威胁对象。

2.2 分布规律

地面裂缝一般在强降雨后突然显现，降雨对地面裂缝的发育有加剧作用；地面裂缝形态有直线型、弧线形和分叉型三种；平行或锐夹角交与沟谷的裂缝，沟谷边缘，斜坡加剧了裂缝的发育，靠近沟边裂缝增多，且在陡崖附近裂缝常发生分叉；地面裂缝剖面形态大多存在错动，在靠近沟谷边缘处错动加剧，高度达1.5m；回采工作面穿过沟谷时，地面裂缝下错方向先是与回采方向相反，至沟谷边缘附近时，下错方向变化为于回采方向相同。无论在斜坡带，还是地势相对平坦的峁顶，裂缝均垂直于地表，未见明显的倾斜面；沟谷两侧由采矿引起的滑坡，一般规模较大，且平行于后缘的裂缝发育明显；当回采工作面穿过沟谷时，沟谷两侧的滑坡类型不同。坡向与回采方向相同的一侧，滑坡类型为推移式滑坡，坡向与回采方向相反的一侧，滑坡类型为牵引式滑坡；且推移式滑坡规模往往大于牵引式滑坡规模。

3 地面塌陷演化过程

（1）沉积建造与该地层的形成为该地区提供了丰富的矿产资源。区内位于鄂尔多斯盆地南缘，盆地内有巨厚的沉积地层。该矿区地层为侏罗系中统延安组，其采矿资源储量丰富、结构简单，赋存稳定，开采条件相对优越。长期开采形成的采空区，引起地下水位下降、地裂缝及地面塌陷广泛发育，尤其是类似大佛寺矿区的高强度开采，地质环境破坏更为严重，无疑使原本脆弱的生态环境雪上加霜。

（2）不同强度地开发利用矿产资源，地下采空区为地面塌陷提供了空间条件。高强度开采在该地区已经造成了严重的地面塌陷。从地质灾害学的角度研究地面塌陷的形成过程及相应变形特征的演化过程，主要集中三个阶段。

矿区开采后，顶部岩层变形破坏的变形破坏演化过程如下。

图1 近水平矿区开采后顶板岩层变形与破坏示意图

图2 裂缝→次生崩滑形成过程

4 形成条件

4.1 地形地貌

区内地面塌陷主要分布河谷阶地区和黄土塬、黄土峁、黄土梁，斜坡陡坎以及“V”型沟谷发育。

4.2 土体结构

该地区地面塌陷区岩土体类型均为多层结构，一般由上而下为第四系黄土、新近系红粘土、侏罗系与三叠系砂泥岩互层等，开采层赋存于侏罗系中统延安组地层中，岩层近乎水平层理。矿区开采后在其顶板上出现冒落带、基岩内出裂隙带、红粘土与黄土层内出现弯曲变形带，也就是说地面塌陷是采空区上覆多层结构的岩土体移动和变形破坏的结果，岩土体的移动和变形破坏是一种复杂的物理、力学现象，取决于多种因素，其中最主要的是岩体的结构和物理力学性质、矿层倾角、开采深度、厚度、采空区的大小、开采方法、黄土层厚度等[4]。

4.3 降雨

降雨对地面裂缝的发育具有加剧作用，降低土体结构的强度，裂缝宽度增大。

4.4 矿区的开采

该矿区具有采矿层厚，埋深浅的特点，开采深度、宽度、采厚及基岩厚度，都会影响地面塌陷的范围，开采深度大，工作面充分采动宽度就大工作面变宽，采厚变大，会加剧地面裂缝的产生和发展。

5 结语

该矿区的地面塌陷规模较大，危害性较大。地面塌陷具隐蔽性、突发性特点，根据地面塌陷的发育特征和诱发因素，对矿区等地下开采区域做好井巷的支护和回填。应按照“谁诱发、谁治理”的原则，解决矿区开采带来的一系列矿山地质环境问题，以保证开采区周边村民的生命财产安全[5]。