小关河边矿区地质灾害成因与启示

姚国川，张成时，程 杰

（贵州省有色金属和核工业地质勘查局二总队，贵州 六盘水 553000）

小关河边矿区位于贵州省六盘水市，2019年4月，位于矿区内的小关村一组民房屋突现开裂，并在村寨北西侧山体斜坡地带发生多处崩塌，当地村民认为与附近某煤矿采矿活动有关，118户村民联名向当地政府申请对民房开裂成因进行分析，我单位受当地政府部门委托，承接该项任务。

1 矿区地质环境

1.1 地形地貌

矿区属云贵高原低山侵蚀-剥蚀地貌类型，地形起伏变化较大，总体地势为北东高南西低，最高点位于调查区北侧山顶，高程为+2135m，最低点位于矿区西侧河沟处，高程为+1800m，相对高差为335m。地形坡度在10°～50°之间。

1.2 地层岩性

第四系（Q）：主要为残坡积粘土、碎石土，局部为卵石土、淤泥质土，表层土体为耕植土，结构松散，厚度0m～6.0m。二叠系上统龙潭组（P3l）：由薄至中厚层粉砂质泥岩、粉砂岩、泥岩含煤层组成。按煤岩性组合、含煤特征及标志层可分为上、中、下三段。厚233m～263m。

1.3 煤层特征

调查区二叠系上统龙潭组（P3l）含煤层27～44层。北部平均含煤总厚度36.24m，南部平均含煤总厚度48.11m，含煤系数分别为14.9%和21%，南部含煤系数稍高。全区含可采煤层15层，平均总厚21.86m，其中全区可采6层：1、 3、7、9、17、18号，均属较稳定煤层；大部可采5层：10、12、13、18-1、22号，10、18-1、18号属较稳定煤层，12、13、22号属不稳定煤层；局部可采4层：5、6、24、29号，均属不稳定煤层。在垂向上，龙潭组上段和中段含煤性总体上较好，下段较差。根据收集的《煤矿资源储量核实报告》，各煤层特征见表1。

1.4 地质构造及地震

调查区位于亦资孔向斜南东翼，区内断层不发育，总体构造形态为单斜构造，地层走向北东～南西，倾向北西，倾角16°～22°。根据《中国地震动参数区划图》（GB18306-2015），区内基本地震动峰值加速度为0.05g，基本地震动反应谱特征周期为0.45s，调查区地震烈度为6度区，区域地壳稳定性相对较好。

表1 可采煤层特征一览表

1.5 水文地质条件

（1）地下水类型、含水岩组及富水性。根据调查区出露的地层岩性，含水介质特征及地下水动力条件，划分区内地下水类型为基岩裂隙水和松散岩类孔隙水两大类型：一是基岩裂隙水，主要赋存于龙潭组（P3l）粉砂质泥岩、粉砂岩、泥岩的构造裂隙及风化裂隙中，富水性贫乏～中等；二是松散岩类孔隙水，赋存于第四系松散层中。

（2）地下水补给、迳流、排泄条件。地下水的补给来源主要为大气降水的渗入补给，补给量受降水及季节的控制。当大气降水到达地表后一部分沿地表向低洼处径流，一部分通过基岩风化裂隙及构造裂隙渗入地下，赋存运移于基岩节理、裂隙中，于地势低洼或临近河谷处以井泉的形式排泄。地下水总体自北东向南西流入竹清河，当地最低侵蚀面标高为1775.0m。

1.6 岩土工程地质特征

根据岩土体性质、结构特征及力学强度可将区内岩层划分为软质岩类工程地质岩组和松散岩类工程地质岩组两种类型。软质岩类工程地质岩组：由区内二叠系上统龙潭组（P3l）粉砂质泥岩、粉砂岩、泥岩及煤层等组成，其岩体较为破碎，抗风化能力弱，力学强度总体较低；松散岩类工程地质岩组：为区内第四系（Q）松散堆积残坡积、砾石等组成，其结构松散，孔隙度大，透水性强，力学强度低。

1.7 人类工程活动

调查区主要的人类工程活动为煤矿开采，其次为民房和道路建设。在煤矿北东侧为小关一组村民聚居区，村民房屋总体呈片状分布。

2 地质灾害现状

根据现场实地调查，矿区范围内主要发生崩塌5处（BT1～6）、地面变形裂缝3条及部分民房开裂，基本特征如下：

（1）崩塌。矿区崩塌集中发生在2019年3～4月，据现场调查，BT1、BT2位于矿山主平硐北侧山体坡面，崩落方向190°，BT3、BT4、BT5位于村寨北西侧上方斜坡面，崩落方向150°～170°，BT6位于采空区北西侧上方陡崖处，崩落方向180°。6处崩塌体岩性均为二叠系上统龙潭组粉砂岩、泥岩。其中BT1崩塌：崩落处原岩高17.0m，分布标高为+1915m～+1932m，宽平均4.0m，厚度平均2.0m，崩塌体积约136.0m3，崩落岩块大部分堆积在山体斜坡上，个别到达煤矿工业广场，曾毁坏一辆汽车。BT2崩塌：崩落处原岩高35.0m，分布标高为1935m～+1970m，宽平均3.0m，厚度平均2.0m，崩塌体积约210.0m3，崩落岩块堆积在山体斜坡上。BT3崩塌：崩落处原岩高12.0m，分布标高为+1930m～+1942m，宽平均8.0m，厚度平均3.0m，崩塌体积约288.0m3，崩落岩块小块体堆积在崩落崖脚斜坡上，大块体崩落至下部缓斜坡耕地内堆积，最大块径可达20.0m3。BT4崩塌：崩落处标高为1975m，为单一块体崩塌，体积约1.5m3，崩落岩块崩落至崖脚民房附近。BT5崩塌：崩落处原岩高12.0m，分布标高为1970m～+1982m，宽平均3.0m，厚度平均2.0m，崩塌体积约72.0m3，岩块崩落至下部缓斜坡耕地内堆积，最大块径可达2.0m3。

（2）地面变形裂缝。DL1地面裂缝：位于村寨西侧道路交叉口处，穿过3户民房。裂缝走向162°，长40m，最大宽度6cm，下沉方向135°，最大下沉量1.0cm。 DLF2地面裂缝：位于小关村一组北西侧约380m处，初现时间2019年4月。裂缝走向约82°，长90m，最大宽度25cm，地裂缝南侧下沉约10cm。

（3）民房开裂特征。本次调查的小关一组118户村民房屋，均分布于山腰至山脚斜坡地带，有一条乡村公路经煤矿工业广场自南西向北东穿过村寨，大致以公路为界，公路以北地形较缓，总体地形0°～10°，公路以南地形较陡，总体地形10°～30°。据现场调查，当地民房多为1～3层浅基础砖混结构，地基持力层为土层，且部分民房未设置地圈梁。公路以南民房开裂特征不明显，多为细小裂缝或发丝裂纹；公路以北部分民房开裂变形严重，一是其中2户民房发生挤压变形，导致房屋变形严重，裂缝错动约1cm～4cm。二是部分民房墙体及地面开裂，裂缝宽2cm～5cm（见照片1、2）。另外，在公路后壁多处见挡土墙出现竖向裂缝，宽1cm～3cm。

3 矿山开采现状

根据小关河边煤矿提供的井上井下对照图，小关河边煤矿在2019年3月形成的1104采空区，开采标高为+1720m～+1750m，开 采1号 煤 层。2018年7月2019年4月 形成1302采空区，开采标高为+1750m～+1785m，开采3号煤层。采煤方式为八字型柔性掩护支架支护，炮掘炮采，全部顶板跨落法。自2018后7月至2019年4月，该矿在矿区北侧开采1102、1104和1302、1304采面后，共形成长390m～406m，宽212～240m的采空区。

图1 民房挤压变形

图2 民房墙体开裂

4 地质灾害成因分析

经现场调查，矿山生产曾采用过炮掘炮采工艺，现采用炮掘综采，矿山水仓标高约1700m。考虑矿山北部采空区距小关村一组村寨平距250m～400m，炮震影响较小，同时，煤矿采矿抽水近年来一直在进行，未发生地下水位剧烈下降，抽水影响不足以引发民房发生变形开裂，故采用采空区覆岩移动变形方法进行分析。根据《煤矿采空区岩土工程勘察规范》（GB51044-2014)(2017年版)附录J淮南煤矿来选取量角参数，即：走向边界角(δ0)=上山边界角(γ0)=50°； 下山边界角(β0)=走向边界角(δ0)－15°sinα。β0=50°～15°sin22°≈44.4°

分别在采空区地表影响范围剖面图上，由采空区边界按走向、上山、下山边界角δ0、γ0、β0作移动边界线，分别得采空区走向、上山方向和下山方向的地表变形边界点，将其投影到平面图上连接，即为煤矿采空区地表影响范围。通过以上方法分析，BT1～BT5崩塌点、DLF2、DLF3地裂缝均位于煤矿采空区覆岩变形影响范围内，可以合理解释其发生原因。但DLF1地裂缝和村寨民房均分布于上述方法圈定的煤矿采空区覆岩变形影响范围外，而DLF1地裂缝和公路北侧部分民房开裂的事实又客观存在。通过反复研究分析发现，大致以公路为界，公路附近及北侧部分民房具有明显的开裂变形特征，在沿地层倾向方向剖面上自公路向采空区最低开采煤层（3#煤）连线，该斜线的倾角大致与地层倾角相当，斜线大致与3#煤层面吻合，是否岩层沿3#煤发生了滑动或变形？其动力从何而来？经过调查组研究并查询相关资料，一致认定，采空区沉陷引发了上山方向岩体产生顺层“牵引式”滑动。分析其形成机理和过程如下。

（1）倾斜煤层开采形成大面积倾斜采空区后，由于岩层自重力方向与层面不垂直，采空区上覆岩体在自重力作用下发生采空塌陷时，一方面产生沿法线方向的塌落和弯曲；另一方面采空区上覆岩体塌落过程中对采空区两侧的岩体产生拉张和牵引作用，牵引两侧岩体向采空区中心滑移。

在岩层倾向方向采空区的上方侧，当岩层拉张作用应力高度集中的某一时刻或一定时段，这种牵引作用极易破坏控制性软弱结构面固有的稳定状态，而使上部岩体沿软弱结构面向下方侧采空区滑移。由于采空区并非真正意义上的临空面，随着采空区垮落，应力释放、减小的某一时刻，滑移立刻停止。这种因采空区沉陷引发“牵引式”滑动影响的最大范围包括采空区上方侧软弱结转构面（滑动面）以上的整个区域。

（2）小关河边煤矿煤层倾向北西，平均倾角18°，属倾斜煤层。2018～2019年4月，矿区北西侧开采1102、1104和1302、1304采面后，形成长390m～406m，宽212m～240m的采空区，其上覆岩体厚140m～230m。根据《煤矿采空区岩土工程勘察规范》（GB51044-2014)(2017年版)附录L表L.0.1-2，计算垮落断裂带高度为=44.6m，其垮落断裂带岩体体积较大，在垮落前的某一时刻，拉张应力高度集中且能量巨大，而开采的3#煤层一般较顶底板软弱，属于岩体的软弱夹层，其层面属软弱结构面，随即引发沿3#煤层“牵引式”滑移，其最大影响范围包括滑移面（3#煤层底板）上部的全部岩土体（见采空区垮落影响分析剖面图）。

根据上述方法推理，得出如下结论：

（1）滑坡HP1～HP5及地裂缝DL2～3处于小关河边煤矿采煤工程活动影响范围内。因此，滑坡HP1～HP5及地裂缝DL1系小关河边煤矿采煤工程活动造成。

（2）小关一组118户中公路附近及以北60户居民房屋开裂变形系小关河边煤矿采煤工程活动所致；公路以南58户民房开裂是由于地基的不均匀沉降、结构的不合理、自然温度的热胀冷缩等原因形成，与小关河边煤矿采煤工程活动无关。

5 认识与启示

（1）当采空区上覆岩体垮落规模较大，在垮落前的某一时刻或一定时段，岩层拉张作用应力高度集中，易引发倾向方向采空区上方侧岩体发生“牵引式”滑移。

（2）采空区垮落断裂带高度内岩层倾向采空区的软弱结构面，有利于采空区上覆岩体垮落引发“牵引式”滑移。文中1#、3#煤层即为具有潜在滑动性质的软弱结构面。

（3）采空区垮落断裂引发山体“牵引式”滑动的影响范围与利用边界角圈定的采空区覆岩变形影响范围不同。在岩层倾向方向上，当地层倾角陡时，边界角圈定的采空区覆岩变形影响范围较大，当地层缓倾时，边界角圈定的采空区覆岩变形影响范围较小。总体上，垮落断裂引发山体“牵引式”滑动一般沿岩层倾向采空区上山方向发生，其可能影响范围自采空区底部向上山方向沿岩（煤）层倾角至地表以上的范围。

（4）在煤矿地质灾害成因分析过程中，由于煤矿地质灾害成灾机理的复杂性，在结合相关规程规范的同时，还要具体问题具体分析，才能透过现象解释其本质原因。

（5）本例在煤矿区进行工程选址、地质灾害危险性评估、压覆矿产资源评估、煤矿地质灾害动态管理等方面，可提供借鉴与参考。