徐州市贾汪矿区采空区稳定性研究

李 锋刘 彬刘超楠

（1.江苏省第二地质工程勘察院；2.徐州市自然资源与规划局）

徐州市贾汪区曾是江苏省重要的煤炭基地，煤炭开采历史愈130 a。由于地下煤炭的开采造成地表形成大范围的沉陷区。沉陷不但使可利用的土地面积减少、质量退化，而且加剧了地、矿之间的矛盾，甚至引发一系列的社会问题，同时也给矿区和资源型城市在资源枯竭后的经济社会可持续发展带来很大的隐患［1-5］。

2011年11月，经国务院批准，贾汪区被批准为第三批资源枯竭型城市，也是江苏省第一个国家级资源枯竭型城市。这为贾汪区实现转型和可持续发展带来巨大机遇。经过多年的发展，贾汪区城市规模越来越大，入驻的建设项目越来越多。在此期间，大量学者对盘活煤矿采空区废弃土地问题展开了研究［6-12］，取得了大量的研究成果及建设经验，例如，郭广礼等［13-15］从煤层顶板覆岩破坏特征的角度出发，对采空区的稳定性进行分析；丁陈建等［16］基于神经网络法对复杂地质条件下的老采空区进行评价；汪吉林等［17-18］利用概率学和数值模拟方法对特殊地质条件下的采空区稳定性进行综合性的评价；王正帅等［19-20］利用模糊数学和可拓学建立新的稳定性评价模型。

本次研究工作以贾汪区复杂开采历史为背景，结合补充收集资料及野外调查，总结地区建设经验。在对采空区类型划分的基础上，以终采时间为主要因素，结合地表变形特点和采空区的深度对采空区的稳定性进行综合评价和分区，并对贾汪区城市总体规划提出建议，并提出采空区治理防治的一般措施，为贾汪区城市建设规划提供地质依据。

1 研究区概况

1.1 研究区范围

贾汪区地处徐州市东北部，北邻山东省，东与邳州市燕子埠镇、宿羊山镇、八义集镇相邻，西侧和南东侧分别与铜山区利国镇、柳泉镇、徐庄镇及大许镇相连。地理坐标：东经117°17′～117°42′，北纬34°17′～34°32′，面积约为620 km2。贾汪区距徐州市区约为30 km，水陆交通便利，G206及G25从境内穿过，京杭大运河横贯东西，铁路有徐（州）贾（汪）铁路与京沪、陇海铁路干线相接，京沪高速铁路经过其西部江庄镇和青山泉镇。

本次工作重点评价区为贾汪城市总体规划区，贾汪城市总体规划区包括贾汪镇的全部、江庄镇的部分和206、310国道贾汪区域内沿线两侧各1 000 m范围及汴塘水源地，总面积为155 km2。规划建成区南起310国道，北至北环路，西起西环路，东至东环路，规划总面积为26.25 km2。规划在以城市主干道G206为轴线的组团式片区结构的基础上，通过提升老城区商业职能和延伸与新片区的结合，从而形成“一城两片、一心一轴七区”的总体布局结构。

贾汪城市总体规划区在评价区内涉及的煤矿主要包括屯头河以北韩桥矿矿区、大李庄矿区、青山泉三号井东部以及泰兴鹿庄矿。西部大致位于白集至姚沟崖一线，南部以屯头河为界。

1.2 地形地貌

贾汪矿区为一狭长的簸箕形山间盆地，东南、东北、西北三面均为寒武、奥陶系灰岩所构成的群山。山顶标高在+150～+240 m，大洞山为群山之首，标高为+361 m，唯独西南1面为平原延至徐州市区。其地势大致由东北略向西南以1°～2°倾斜。其地貌盆地中心部分为第四纪黏土砂礓冲积层所覆盖，一般标高为30～35 m，盆地边缘靠山部分略高，环山分水岭部分寒武、奥陶系灰岩出露甚广，最古老的岩层为寒武系灰岩，由于风化剥蚀造成高低不平的馒头形状，又由于地层多褶皱，部分岩层成直立状态，属于构造剥蚀堆积盆地。

1.3 煤层赋存特征

贾汪矿区煤层主要分布于贾汪复式向斜中，煤层按形成时代划分可分为中二叠统下石盒子组煤层、下二叠统山西组煤层及上石炭统太原组煤层。煤系地层的总厚度约为438 m，含煤22层，总厚度约为13 m。其中可采煤层6层，煤层厚度约为7.7 m。各组煤层及顶底板具体情况如下。

中二叠统下石盒子组（P2X）层厚约为140 m，共沉积6层煤，其中1、3层煤为贾汪矿区主要可采煤层。

下二叠统山西组（P1S）层厚约为138 m，为海相向陆相过渡的碎屑沉积，岩性为砂岩，砂质泥岩，泥岩和煤层组成，含煤2～6层，其中可采煤层为7、9煤。

上石炭统太原组（C2t）俗称屯头系，层厚约为160 m，含煤11层，编号为11～22煤，分布稳定，其中可采煤层为17、20、21煤。

2 采空区划分与分布

2.1 按采空区顶板垮落情况和开采方式划分

按采空区顶板垮落情况和开采方式划分为A、B、C 3类采空区。

A类（顶板垮落充分的采空区）主要特点：①顶板岩石强度较低；②开采方式为壁式采煤法，全陷式管理顶板；③地层倾角为水平或倾斜；④地表塌陷较为充分。研究区内A类采空区主要位于权台矿、旗山矿、董庄矿、青山泉一号井和白集矿开采的下石盒子组煤层，且地层倾角小于45°。

B类（顶板垮落不充分的采空区）主要特点：①顶板岩石强度较高，不易冒落；②开采方式采用柱式采煤法，或壁式采煤工作面跨度小；③地层倾角大；④地表塌陷不充分。研究区内主要为韩桥矿复采后的下石河子采空区及小煤矿开采的区域，对于山西组煤层采空区及太原组煤层采空区因顶板岩石强度相对较大，开采时顶板难以形成充分垮落，评价时划定为顶板垮落不充分的采空区。由于煤层倾角大于45°时很难出现充分采动，评价时将权台矿、旗山矿和董庄矿等倾角大于45°的煤层采空区也划定为B类采空区。

C类（单一巷道及巷采的采空区）采空区分布范围有限，本次工作仅在研究重点区（贾汪城市规划区）进行大致的划分，主要为韩桥矿区的煤（岩）巷集中分布区及未复采的解放前巷采形成的采空区。

以上3类采空区的分布见图1。

2.2 按终采时间划分

终采时间是煤矿终止开采延续到现今的时间，是反映采空区活动状态的重要因素。在对贾汪区所有矿区终采资料收集的基础上（截至2018年12月），将研究区的采空区根据开采结束的时间划分为老采空区、新采空区和准采空区。进入残余期的采空区为老采空区，尚处在地表移动期（开始期+活跃期+衰退期）的采空区为新采空区。

根据以上划分原则，研究区内的新采空区和准采空区均分布在旗山矿开采的范围，新采空区开采的年代为2012—2015年。其中旗山矿2016初已停采闭坑，故本次研究不考虑准采空区。新采空区主要分布在小庄、大蔡庄及东大吴一带。其他煤矿大都关闭较早，且开采深度相对较浅，经判定为处于残余变形期的老采空区。

3 采空区场地稳定性评价

在对贾汪矿区分布情况划分的基础上，本研究以终采时间为主控因素（截止到2018年12月），地面残余变形特征（采深和采厚比H/M、采深H、煤层倾角及野外调查建筑物使用情况）为辅助指标，综合对贾汪矿区场地稳定性进行整体划分。

3.1 稳定性分级的划分

首先以时间作为主要因素进行划分，即终采时间小于0.8 a划定为不稳定，0.8～1.2 a为基本稳定，大于1.2 a为稳定。划分的结果见图2。

其次考虑地面残余变形特征对稳定性的影响，残余变形特征是定性指标，根据残余变形的特点和发生在移动盆地的相对位置，评价时采用采深H、采深和采厚比H/M、煤层倾角及野外调查建筑物使用情况综合确定，具体按如下方法进行划分。

3.1.1 A类采空区

总体上虽然顶板为充分垮落状态，但在浅部普遍存在小煤矿开采，小煤矿的工作面跨度小，顶板的垮落有可能出现不充分状态，因此也用采深采厚比H/M小于30划定为不稳定区，介于30～60为基本稳定区，但当深度大于200 m时划定为稳定区，采深采厚比大于60划定为稳定区。

3.1.2 B类采空区

因顶板垮落不充分，在埋藏浅的地段，虽然暂时处于相对稳定状态，但在地质环境条件发生变化时，采空区顶板的垮落可能会引起地表出现一些非连续变形，对地面建筑的危害大，因此划分为不稳定区，具体各类采空区划分方案如下。

（1）B1类采空区。当采深采厚比H/M小于30时，先划定为不稳定区，若该地段野外调查存在大量安全使用多年的建筑时，再按基本稳定划定，在采深采厚比介于30～60时，按基本稳定区划定，大于60时按稳定区划定。

（2）B2类采空区。开采方式多样，顶板垮落状况差异大，情况复杂，因此按采深采厚比H/M小于40划定不稳定地段，当地表有大量安全使用多年的建筑时，再按基本稳定划定，H/M介于40～80划定为基本稳定地段，大于80时划定为稳定地段。

（3）B3类采空区。当地层倾角大于55°时，顶板再次垮落后容易出现地表塌陷坑、台阶状裂缝等非连续变形，因此划定为不稳定区，当地面有大量安全使用多年的建筑时，再进一步划定为基本稳定区，在地层倾角介于45°～55°按基本稳定划分，但采空区深度超过200 m时，划定为稳定区。

3.1.3 C类采空区

因地表有大量安全使用多年的建筑物，根据贾汪地区的建筑经验直接划定为稳定区。

3.2 稳定性分级区域的确定

最终稳定性分级图的确定要考虑在地表的影响范围。对于采空区覆岩移动的影响宽度，因老采空区覆岩与新采空区覆岩移动变形规律不同，对于老采空区，其覆岩移动主要是由残余空洞、裂隙的再垮落和压密过程引起的，其在地表的影响范围远较开采过程小，根据相关规范的规定，评价时按终采时间划定的不稳定区和基本稳定区。

按上述划分的方法，最终形成的稳定性分级如图3所示。从图3中可知，不稳定区主要分布在以下几个区域。

（1）旗山矿新采动的区域大致位于冯集—大蔡庄—湖里一带，采深较大，均大于500 m，深厚比大于100，随着时间的推移，最终将成为稳定区。

（2）韩桥矿区在B2采空区西部，大致位于北爬珑沿煤层露头向南至原韩桥小学一线大面积区域，地表多为大面积常年积水区，深厚比小于40，且建筑物稀少。

（3）青山泉一号井开采区域大致位于青山泉镇至前八丁之间塌陷形成的常年积水区，地表变形剧烈，深厚比小，建筑物稀少，调查时发现仍有新建建筑物发生开裂现象。

（4）权台矿西南及新湖矿急倾斜煤层区域地表变形较大，有发生抽冒的可能性，目前地表建筑物稀少，调查时发现有新建建筑物开裂变形现象。

（5）其余开采深厚比小于30且建筑物稀少的区域。

4 结论

（1）通过对采空区顶板垮落情况、开采方式、终采时间进行初步分析，对采空区进行划分及分类；再以终采时间为主控因素，结合地表变形特点的采空区深度、采深采厚比，将采空区进一步分为稳定区、基本稳定区、不稳定区。

（2）不稳定区主要分布在旗山矿新开采地段、韩桥矿区、青山泉一号井长期积水区、权台矿西南及新湖矿急倾斜煤层区，其余地段为基本稳定区和稳定区。

（3）采空区土地利用应根据采空区的稳定性、建筑物的重要性、变形要求和荷载特点等因素，采取“因地制宜”的原则选择稳定或者基本稳定的地段，避免选择不稳定的地段。