山西省阳城县上孔煤矿地质灾害预测分析及防治研究

戴 兴，郭立霞，景丽媛

(河南省地质矿产勘查开发局 第二地质矿产调查院，河南 郑州 450001)

阳城县上孔煤矿井田面积11.598 8 km2，批采3—15号煤层，批采标高+547～+350 m，生产规模60万t/a。根据现状调查和矿方提供资料，煤矿一直停产，2020年5月编制完成了“三合一”方案，地面塌陷和地裂缝治理工程尚未实施。矿山拟开采3、9、15号煤层，在开发利用过程中，为了有效提高矿山地质灾害的防治措施，结合现场调查矿井生产现状及建设工程区的地质环境条件、生态环境条件、社会环境条件、现状地质灾害的类型、分布规模、稳定程度、活动特点等因素。综合分析，对矿区可能发的地质灾害区域及类型做出预测[1-5]，以进行地质环境保护与恢复治理分区以及土地复垦，提出地质环境防治和土地复垦工程，以及所需经费估(概)算和进度安排，并提出地质环境保护与恢复治理措施、建议[6-11]。

1 地质环境特征

1.1 矿区地质

矿区地层主要有古生界奥陶系中统峰峰组，石炭系中统本溪组、上统太原组，二叠系下统山西组、下石盒子组、上石盒子组及第四系。含水层为第四系松散沉积物孔隙水、山西组砂岩裂隙水、太原组石灰岩裂隙水等；隔水层为太原组底部泥岩、灰岩、砂岩等。矿区构造简单，断层不发育，主要构造表现为背向斜相间的平缓褶皱。

1.2 矿体特征

矿区含煤地层主要为太原组、山西组地层，煤系地层总厚117.08 m左右。①3号煤层赋存于山西组的下部，煤层厚0.85～7.65 m，结构简单，顶板为细砂岩、砂质泥岩，底板为砂质泥岩。②9号煤层位于太原组中下部，煤层厚0.60～1.60 m，结构简单，顶板为泥岩、砂质泥岩等，底板为泥岩、细砂岩或石灰岩。上距3号煤层平均间距48.51 m。③15号煤层位于太原组底部，煤层厚 1.03～3.20 m，结构简单，顶板为泥岩或石灰岩，底板为泥岩或铝土泥岩。上距9号煤层平均29.01 m。

2 矿山地质环境现状

2.1 采空区地质灾害危险性现状评估

矿区3号煤层埋深浅，早年间被附近村民乱采破坏，形成了多处采空区，采空区面积 457.85 hm2，采空区影响面积845.52 hm2，如图1所示。

图1 矿山采空区分布Fig.1 Mined-out area distribution

(1)村庄地质灾害危险性现状评估。现状调查，采空区主要影响薛家岭旧村(图2)，现已搬迁至新村。薛家岭新村、柏沟村、王庄下部均无采空区分布，地质灾害危险性小。

图2 薛家岭旧村房屋裂缝Fig.2 House cracks in Xuejialing old village

(2)工业场地地质灾害危险性现状评估。现状调查，主副井工业场地西边采空区面积0.17 hm2，影响面积0.2 hm2，多年来工业场地及周边场地未出现采空塌陷引起的地表变形。井口附近边坡稳定，综合分析，现状工业场地地质灾害危险性小。

(3)阳城县科发冶筑有限公司和化肥厂地质灾害危险性现状评估。阳城县科发冶筑有限公司和化肥厂北部区域下部分布有3号煤层采空区，这2个厂区早已经关闭，现只有部分建筑物分布，危害程度较轻，地质灾害危险性小。

(4)阳翼高速地质灾害危险性现状评估。阳翼高速位于矿区北部，通过对矿区内采空区的治理，现状调查发现采空塌陷对高速公路的影响较轻，地质灾害危险性小。

(5)西气东输管线地质灾害危险性现状评估。西气东输管线位于矿区西部，上孔煤矿于2009年煤矿兼并重组而成，自重组以来，一直停产基建。现状调查发现采空塌陷对西气东输管线的影响较轻，地质灾害危险性小。

2.2 泥石流地质灾害危险性现状评估

矿区内地表呈典型的低山丘陵地貌，第四系较发育，形成众多的黄土陡坡。矿区位于芦苇河和沁河之间，矿区内地表水系不发育，发育多条黄土冲沟，均为芦苇河和沁河支沟。冲沟走向大致为东西向，由中部流向东西两侧芦苇河和沁河，为季节性河流。平时干涸无水，仅在雨季沟谷有小溪流或短暂洪水排泄，径流深度为0.55～0.60 m，流量小，时间短。

矸石周转场地位于工业场地西北侧沟谷——自然冲沟内，冲沟剖面形态为V形，长度约180 m，沟宽30.0 m，沟深20.0 m，占地面积0.83 hm2，库容20万m3，服务年限3.0年。现状条件下，只有少量矸石堆放(约1 000 m3)，最大填方高度10.5 m，现状调查评估区内未发生过泥石流地质灾害，今后发生泥石流地质灾害性较小。

3 矿山地质灾害预测评估分析

3.1 地质灾害预测评估方法

煤矿地下开采最显著的特征是地表易产生采空塌陷和地裂缝，对周围环境造成一定程度的影响，形成地质灾害。地质灾害主要体现在对矿区内地表建筑、道路、耕地、林地、草地的破坏；对地质环境的影响主要表现在对地表形态、地下水、地表水等，造成水土流失、滑坡、矿区内植被破坏等结果。通过预测地质灾害发生的可能性，采取预防措施[4-11]。

目前开采沉陷预计常用的方法有：概率积分法、负指数函数法、典型曲线法和皮尔森Ⅲ型公式法等。概率积分法是我国目前较为成熟、应用最为广泛的预测方法[6-9]。根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》推荐的矿区地表移动变形预测模型[12]，是目前在矿区应用较广的一种模型，它是在概率积分法的基础上考虑矿区采动滑移附加影响建立的[13-16]，本矿井预测工作面为矩形工作面。

3.1.1 地表移动变形预测模型

沉陷区预测模型种类多样，根据矿山调查结果，本文采用矿区地表移动变形预测模型，预测地表移动变形。模型中可近似地把移动盆地当作钟形概率曲面看待，导出矿区任意点、任意方向移动、变形预测公式[6]：

3.1.2 开采区地表变形预测

(1)计算方法。目前，沉陷预测多采用计算机辅助计算和制图，本文采用中国矿业大学开发的矿区沉陷预测系统(MSPS)进行计算。根据煤层各参数计算，预测范围见表1。

表1 开采塌陷各预测阶段划分Tab.1 Dividing of each prediction stage of mining collapse

(2)沉陷区地表移动变形预测结果。矿山预测按充分采动、冒落式开采条件，对整个井田采后地表移动变形最大值进行了预计[17-18]，确定的最大移动变形值见表2。

表2 地表移动变形最大预测值Tab.2 Maximum predicted value of surface movement and deformation

3.2 预采区地质灾害预测评估

根据以上预测模式及参数对3号、9号和15号煤层开采后地表移动变形最大值进行了预测。未来20年内，预计地表最大下沉值累计为6 883.54 mm，采空塌陷影响与破坏面积为515.25 hm2，其中破坏程度轻度损毁土地面积244.27 m2，中度损毁土地面积为227.01 hm2，重度损毁土地面积为43.97 hm2。包括旱地面积122.7 hm2(轻度57.26 hm2、中度61.37 hm2、重度4.07 hm2)，林地104.14 hm2，其他草地121.34 hm2，其余为其他类型土地。在此影响范围内，其边缘附近有可能出现拉伸裂缝，其中心地带因地处山区，一般不会出现沉降盆地，但有可能因不同部位地表高低的不同而出现地面裂缝。

3.3 已有采空区稳定性分析

(1)已有采空区现状稳定性分析。煤矿开采后，形成大面积采空区，由于采空区上部岩层失去支撑，随后地表变形塌陷，变形区可分为中间区、内边缘区和外边缘区[5-13](图3)。

图3 采空区上方地表变形示意Fig.3 Schematic of surface deformation above goaf

根据上述分析，评估区3号煤层采出一定面积后，会引起岩层移动并波及到地表，其地表沉陷和变形在空间上和时间上都有较明显的连续性和一定的分布规模，3号煤层回采工作面采用走向短壁炮采一次采全高，采用单体液压支柱配合铰接顶梁支护顶板，全部垮落法控制顶板，回采率较低，加上由于开采时间较为久远(大于12年)，地表变形极弱，这从现场调查结果也得到了验证(现状调查，评估区地面塌陷和地裂缝地质灾害均不发育)。

(2)已有采空区地质灾害危险性预测评估。根据现状调查和相关资料，2009年资源整合前煤矿主要开采3号煤层，井田中存在大面积采空区。开采区影响范围内已有采空区存在重新活动的可能性，对薛家岭、柏沟村和王村造成一定程度的影响，威胁人数有20～30人，预测造成经济损失50万～60万元，其余已有采空区只对影响范围内耕地、林地等造成破坏。预测造成经济损失10万～20万元，已有采空区地质灾害危险性中等，地质灾害影响程度较严重。矿区西北部今后无采区布置，该区域分布有高速公路、西气东输管线、昌易生活区和嵩峪村，预测今后煤矿开采对其影响较轻，地质灾害危险性小[14]。

3.4 含水层破坏预测评估

预测评估采矿活动对含水层的影响或破坏程度，主要从采矿活动对含水层结构破坏、含水层疏干、地下水水位下降、泉水流量减少、地下水位降落漏斗的分布范围、含水层破坏对生产生活用水水源的影响等分别进行论述[10-15]。

(1)采矿活动对含水层结构的影响。根据开发利用方案，煤矿今后开采3号、9号和15号煤层，其上覆含水层。采空区上覆岩层塌陷形成冒落带和导水裂隙带，破坏含水层。3号煤层埋深7.22～52.4 m，导水裂隙带最大高度为65.32 m，开采后其导水裂隙带可以到达地表沟通地表水及大气降水；9号煤层上距3号煤层37.22～52.4 m，导水裂隙带最大高度为48.51 m，可以沟通3号煤层；15号煤层上距9号煤层24.23～39.63 m，导水裂隙带最大高度为63.67 m，可以沟通9号煤层。

3号、9号和15号煤层厚度较大，开采后地表会剧烈变形，出现大量地裂缝。所以3号、9号和15号煤层开采后形成的垮落带、导水裂隙带将沟通其影响范围内的各含水层，与其有关的各类地下水可通过垮落带、导水裂隙带向矿坑充水，进而通过矿坑排水流失，将会破坏区内石炭系太原组石灰岩岩溶裂隙含水层，矿坑排水将会使该含水岩组的地下水位下降，甚至疏干，对采空区影响范围内上覆太原组灰岩含水层、山西组砂岩和石盒子组砂岩含水层结构破坏严重。

(2)采矿活动对矿区生产生活供水水源的影响。现状调查，矿区内分布有薛家岭、王村等村庄分布(均采用深井水供给)，工业场地由矿区西南部美泉村集中供水，开采奥陶系岩溶水。现状调查，水源水井满足了矿山及村庄生产生活用水。预测今后20年内，3号、9号和 15号煤层开采后，采矿活动对矿区生产生活供水水源影响与破坏较轻。

综上所述，结合现状评估，预测煤层开采对采空区影响范围内含水层影响与破坏程度分为严重区和较轻区。严重区影响范围1 163.07 hm2；较轻区位于评估区剩余区域内，面积75.28 hm2。

4 地质灾害预防措施

4.1 重点防治区

根据矿山地质环境问题的类型的差异，划分为主副井工业场地重点防治区、生活区工业场地重点防治区、村庄重点防治区、高速公路重点防治区、西气东输管线重点防治区、临时矸石场重点防治区和采空区重点防治区，各治理分区见表3。

表3 各类重点防治说明Tab.3 Key prevention and control instructions

4.2 一般防治区

一般防治区位于评估区剩余区域内，面积90.28 hm2。该区无采矿活动，对地质环境影响较轻，地质灾害不发育。应进行原生地质环境条件保护，尽量避免各类破坏性的人类活动。

4.3 含水层破坏治理区

矿区内分布有薛家岭、王村等村庄分布(均采用深井水供给)，工业场地由矿区西南部美泉村集中供水，开采奥陶系岩溶水。现状调查，水源水井满足了矿山及村庄生产生活。考虑到煤矿今后开采3号、9号和15号煤层造成的地表变形可能会对供水管线造成一定程度的破坏，煤矿需对供水管线和水泵等进行巡查检修，确保矿区工业场地和村庄供水安全。

5 效益分析

通过矿山地质灾害预测评估，并采取有效的防治措施，可有效防止地质灾害的发生，达到防灾减灾的目的；最大限度地减少采矿对土地资源的破坏，减缓含水层和地形地貌景观破坏，遏制生态环境的恶化，恢复损毁的植被。通过矿山土地复垦，恢复矿区土地功能，可增加耕地面积，减少土地浪费，增加就业，缓解剩余劳动力问题，促进社会可持续发展[11-20]。

6 结论

(1)通过现状调查，矿山采矿活动对地形地貌景观影响与破坏现状评估分为“严重区”、“较严重区”、“较轻区”。其中“严重区”位于工业场地和临时矸石场影响范围内，面积15.92 hm2；“较严重区”位于采空区影响范围内，面积845.52 hm2；“较轻区”位于评估区剩余区域，面积376.91 hm2。

(2)通过对矿山未来采空区地质环境综合预测，预计地表最大下沉量6 883.54 mm，其中“较轻区”影响范围515.25 hm2，“严重区”影响范围43.97 hm2。

(3)通过矿山地质灾害预测分析，加强地质灾害的监测预警工作，增强防范意识，保护人民生命、财产损失，可达到防灾减灾的目的。