盐湖矿区地面变形地质灾害特征及演化分析*

2021-08-14蒋丽兰刘治宇王杜鹃

江西煤炭科技 2021年3期

蒋丽兰，刘治宇，王杜鹃，蒋魁，杨超

（1.湖南省煤炭地质勘查院，湖南长沙 410014；2.湖南省勘查设计研究院，湖南长沙 410014）

近年来，采取切实技术措施，科学有效防治地质灾害，确保人民生命财产安全、安居乐业、保障社会稳定，越来越受到矿区企业和当地政府的重视。然而，由于历史原因及矿区的不规范开采形成的大量采空区，造成区域内不同程度的地面变形的地质灾害时有发生，严重影响当地生产、生活和经济发展。本文以湖南省衡阳市常宁市盐湖镇上冲村地面变形地质灾害补充调查[1]为例，查明了研究区基本情况；通过物探及地面调查手段，研究分析了冒落带、裂隙带、弯曲带与地面变形地质灾害形成机理；查明了区内地质灾害类型及时空对应关系，综合分析了地面变形地质灾害变形初始期、盛发期、平缓期及发展趋势。

1 研究区概况

1.1 自然地理环境

研究区位于湖南省衡阳市常宁市东南部的盐湖镇境内，距常宁市城区约14 km，属剥蚀丘陵地貌，地势总体东部和西部高，中部低；南面高、北面低，最大相对高差为132 m。天子江为区内主要地表径流，该河流量季节性变化显著，雨季下游最大流量24.089 m3/s，一般流量1～5 m3/s。区内气候为亚热带季风气候，历年降雨为902～1 812.2 mm，多年平均降雨量1 342.93 mm，日最大降雨量141.3 mm（1976年7月9日），1972年～1981年月最大降雨量233.1 mm，降雨集中在3～6月；水面蒸发量为1 017.5～1 491.7 mm/a。

1.2 地质

区内地层较为简单，出露地层由新到老有第四系（Q）、三叠系下统大冶组（T1d）、二叠系上统大隆组（P3d）、二叠系上统龙潭组（P3l）。矿区位于盐湖向斜南段，主体构造走向成南北向展布。

1.3 开采基本情况

盐湖矿区开采历史悠久，清朝中期煤矿即已开采。老窑基本沿地表煤层露头开采，开采密度大，但规模很小，采深大多在几十米以内，主要位于盐湖向斜的东翼沿煤层露头地带。20世纪80年代，区内有证无证小煤矿多达50 余家，开采深度达±0 m 标高，小煤窑无计划开采，造成了极大的资源浪费，对矿山地质环境影响较大。

区内煤层情况：有4 层煤分别为2、5、6、7 煤层，2 煤为大部分可采煤层，5 煤为局部可采煤层，6煤为主采煤层，7 煤不可采[2]；区内现状只开采6 煤层，2、5 煤未开采。

区内6 煤层开采情况：三个水平-42 m水平、-150 m水平、-250 m水平开采布置采区，浅部-42 m水平以上资源于1983年已开采完；-42～-150 m水平也已基本采完；-250 m水平没有正式形成工作面。现状区内停止了采矿活动见表1。

表1 研究区6 煤层开采情况

2 地质灾害特征

2.1 地质灾害类型

根据野外调查成果，区内地面变形地质灾害有：塌陷坑、地裂缝、地面不均匀沉降、农田漏失等，见图1。尤其以地面塌陷坑最为直观、破坏性最大[3]，见表2。

表2 区内地面塌陷坑特征

2.2 地质灾害分布与矿山开采时空对应关系分析

2005年以前和2006～2011年矿业活动陆续引发了塌陷坑、地面不均匀沉降、地裂缝等地质灾害，造成了周边居民房屋不同程度开裂，地下水位下降等现象。地面变形地质灾害与矿山开采具有正相关系[4]，见图1、表3。

图1 地面变形地质灾害分布

表3 地质灾害分布与矿山开采时空对应关系

3 地质灾害形成机理及影响因素分析

3.1 形成机理

区内采空区主要依靠留设保安煤柱维持稳定，矿业活动后形成采空区，破坏了岩体天然应力平衡状态，随着开采区域的增大，采空区的顶板在应力作用下不断发生变形、破坏、位移和冒落，自下而上出现冒落带、裂隙带、弯曲带，结果在地表形成地质灾害[5]。

（1）冒落带

冒落带为采空区顶板破碎坍落形成，其厚度一般为采矿厚度的3～4 倍[6]。矿山开采煤层平均厚度2.61 m，最大处有9.69 m，区内冒落带平均厚度为7.83～10.44 m，最大厚度约38.76 m。

据S3 线物探解译剖面见图2。分析可知，电阻率等值线呈明显低阻凹陷带，异常编号分别为AS2-1、AS2-2，推测为煤层采空区及冒落带，厚度约40 m，与计算值基本一致。

图2 采空区顶板变形解译

（2）裂隙带

裂隙带处于冒落带之上，其产生了较大的弯曲和变形，厚度一般取采矿厚度的12～18 倍[7]，故调查区内裂隙带平均厚度为31.32～46.98 m，最大厚度约174.42 m。

根据物探成果综合分析，官冲村裂隙带分布标高60～-100 m，面积约约0.06 km2，呈椭圆形；上冲村分布标高为60～-110 m，面积约1.1 km2，整体呈条带状(见图3)。裂隙带分布区域基本上和煤层采空区分布一致。

图3 物探异常区与地质灾害对应关系平面

（3）弯曲带

弯曲带为裂隙带顶面至地面高度，是不破裂的弯曲带。弯曲带地层为大冶组（T1d）泥质灰岩，其受采空区影响，岩溶洞穴发育，根据物探成果，浅部岩溶发育带主要分布标高+60～+110 m，多为条带状或椭圆状，见图3。野外地面调查地质灾害主要分布在官冲村和上冲村和物探成果基本吻合。

3.2 影响因素分析

地面变形地质灾害影响因素众多，主要因素有：駣深采厚比、地质构造、顶板覆岩、抽排地下水等因素[8]。

（1）采深采厚比：矿山煤层开采深度为20～311 m，煤层开采厚度为1.8～6.5 m，当采深采厚比越大，对地面影响小，反之则大。

（2）地质构造：区内地质构造较发育，煤层开采后对地表影响较大。

（3）顶板覆岩：直接顶板粉砂岩，伪顶泥岩、炭质泥。开采过程中，岩层大都遭受了不同程度的破坏，产生各种节理裂隙、壁理，势必造成矿坑冒顶、片帮，导致垮落带的变化，并引发采空区上部覆岩发生弯曲变形，从而出现地面不均匀沉降。

（4）抽排地下水：区内随着开采区的不断发展扩大、加深，采矿区顶板冒落活动频繁，随着矿井疏干区的扩大，岩石的饱和状态遭到严重破坏，地下水位急剧下降，泉水不再涌出，水井干涸；接下来地表开裂、沉降、塌陷，又因大气降雨地表水、地下水的冲刷作用下，老采区又形成了新的空洞。上部土层与岩层裂缝加宽加深，为地表水、地下水径流溃入提供了通道，逐渐形成空洞或崩落，失去了地层本身平衡状态，在地应力作用下，地面建筑物产生不均匀沉降，造成开裂、塌陷，局部位移等严重地质灾害。

4 地质灾害演化分析

4.1 初始期、盛发期、平缓期以及目前稳定现状

区内受煤矿开采影响，区内变形现象主要表现为地面塌陷、地面不均匀沉降、地裂缝。根据野外调查成果，该地区地面变形始发于2000年，通过访问有明确发生时间的地面变形现象共45 处，对其发生时间进行统计见图4。

根据图4统计结果，分析2000年以来区内变形现象发生发展趋势，区内采空区地面变形现象发生阶段分为三个时期，即：初始期、盛发期、平缓期[9]。

图4 地面变形地质灾害发生时间统计

初始期：变形初始期为2000～2007年。在该时期内，由于煤矿开采，巷道顶板的垮落、变形及地下水位下降对地表岩土体应力平衡的影响初步显现，地面变形现象开始发生，地面变形现象发生数量较少，甚至连续两年没有发生地面变形现象；地面变形现象多集中在盐湖镇、官冲村2 组、裕民居委会等地段。

盛发期：变形盛发期为2008～2013年。在该时期内，由于煤矿开采活动旺盛，巷道顶板的垮落、变形及地下水位下降完全破坏了地表岩土体原有的应力平衡状态，地面变形现象愈演愈烈，地面变形现象发生数量总体呈现出增加的趋势；随着煤矿开采对地表岩土体的影响范围的进一步扩大，上冲村开始发生地面变形现象。

平缓期：变形平缓期为2014年至今。在该时期内，由于煤矿开采活动停止，巷道顶板逐渐稳定，地下水位下降趋势减缓，表层岩土体逐渐达到新的应力平衡状态，地面变形现象发生数量少，且呈现出逐渐减少的趋势。

目前处于平缓期，地面变形现象发生数量少，随着煤矿开采的停止，巷道顶板逐渐稳定，地下水位回升，表层岩土体逐渐达到新的应力平衡状态，故推测工作区采空地面变形目前处于逐渐趋于稳定状态。

4.2 发展趋势

通过该项目野外调查和室内综合研究分析，对区内地面变形地质灾害发展趋势[7]有如下认识：

随着区内煤矿开采完全停止，巷道顶板逐渐稳定，地下水位回升，表层岩土体逐渐达到新的应力平衡状态，2014年以后仅发生了两处地面变形现象：2014年盐湖中学厕所轻度损坏；2016年3月，盐湖镇上冲村5 组发生一处地面塌陷，塌陷坑规模为小型；可以看出，2013年以后，地面变形数量少，变形量小，随着时间的推移，表层岩土体进一步趋于平衡状态，该区内变形现象发生频率及规模将进一步减少，区内地面变形将逐渐趋于稳定状态。