大冶市还地桥煤矿采空区稳定性评价与防治措施建议

陶海宁，冯小波，许汇源，潘天录

大冶市还地桥煤矿采空区稳定性评价与防治措施建议

陶海宁1，冯小波2，许汇源3，潘天录1

（1.湖北省地质局冶金地质勘探大队，湖北 黄石 435000；2.黄石市自然资源和规划局，湖北 黄石 435000；3.湖北省地质局第七地质大队，湖北 宜昌 443000）

大冶市还地桥区域煤矿开采形成采空区变形及塌陷；造成区内居民房屋出现不同程度开裂变形、地面设施破坏。依据该区煤矿采空区勘查成果，对成因机制及稳定性、发展趋势进行分析评价，判断勘查区内的采空区及地表变形处于残余变形阶段，按今后50年地面累计变形情况计算结果将勘查区采空区划分为不稳定区、基本稳定区和稳定区并提出防治措施建议。

煤矿采空区；地面塌陷；成因机制；变形趋势

大冶市还地桥区域煤矿开采始于上世纪60年代，由国营黄石矿务局（现黄石工矿集团）筹建松屏煤矿、秀山煤矿等大型矿山企业进行规模化开采。上世纪八十年代后，村镇集体煤矿最多时近百家，均采用爆破落煤，棚式支护，走向短壁采煤法，顶板管理为全垮落法。至本世纪初，黄石市对小煤矿进行了闭坑、合并整合，煤矿已关停。采空区变形及塌陷造成区内居民房屋出现不同程度开裂变形，部分村庄道路及户户通破烂不堪，农田池塘塌陷造成土地资源毁损。本文依据煤矿采空区勘查成果，分析成因机制、稳定性、发展趋势，提出防治措施建议。

1 地质环境条件

1.1 地形地貌

矿区属丘陵地形，北高南低，海拔30～40m左右，最高高132.80m，最低25.0m，高差97.8m；地形坡度15°～25°。由三叠系大冶组灰岩及燕山期岩浆岩形成屏峰山、秀山构成近东西向分水岭，分水岭北大部分山体岩石裸露，山坡植被覆盖率较低；分水岭南侧由第四系残坡积粉质粘土组成，地形较为平坦，植被覆盖率较高。

1.2 地层岩性及构造

出露第四系人工填土和残坡积土层、三叠系下统大冶组灰岩和白云质灰岩、二叠系上统大隆组硅质泥岩及硅质岩、二叠系上统龙潭组、二叠系中统茅口组硅质岩和燕山期石英闪长玢岩。二叠系上统龙潭组为含煤地层，自上而下分为灰岩段（P32）和含煤段（P31）。

灰岩段（P32）：为灰—深色中厚层状含燧石结核灰岩及条带灰岩，层间夹炭泥质物，岩体岩溶、裂隙发育，层厚10～30m，一般20m。

含煤段（P31）：由泥质粉砂岩、粉砂岩、细砂岩、炭质泥岩、泥岩及煤层组成，含黄铁矿结核，厚度1.63～20.71m，一般10m。

本区处于扬子准地台下扬子台褶带西段，大冶凹褶断束的次级构造大冶复式向斜北翼之松山背斜南、北两翼。受区域构造影响，断裂发育，褶皱次之。

1.3 水文地质条件

属鄂东南褶皱山地岩溶裂隙水为主的水文地质亚区，位于松山背斜两翼，灰岩零星出露，主要含水层有茅口组，龙潭组灰岩段，大冶组第二、四段灰岩，相对隔水层有龙潭组含煤段、大冶组第一段，透水层为大隆组，特征详见表1。由于工程活动及构造破坏，龙潭组含煤段及大冶组第一段相对隔水层未起到隔水作用，使上部各含水层产生水力联系，成为矿井主要充水含水层。根据勘查钻孔揭露，仅有7个钻孔在第四系中存在孔隙潜水，埋深5m以内，其余钻孔均漏水严重，无稳定地下水位。

矿区地下水补给主要源自区域地下水含水层，次为大气降水。大气降水主要通过溶洞、溶隙补给及赋存；灰岩、硅质层地段分布地表水，沿裂隙渗入补给。地下水流向为由东向西运移，由于早期区内松屏煤矿、秀山煤矿矿井开采达-350m水平，影响范围较远，矿井排泄地下水，流向为由南北向区内中部。地下水早期一般由矿井排泄，现深部地下水处于恢复中，第四系潜水排泄至地表水体。

表1 含（隔）水层特征一览表

1.4 工程地质条件

根据岩土体岩性、结构特征及物理力学性质，划分四个岩土体类型七个工程地质岩组：第四系人工填土、第四系粉质粘土、软弱的薄层状碎屑岩组、软—较坚硬的薄层状碎屑岩岩组、软弱—较坚硬的薄层状碳酸盐岩岩组、坚硬的中厚—厚层状碳酸盐岩岩组、坚硬—较坚硬侵入岩岩组。

2 采空区发育区分布特征及危害

2.1 采空区分布情况

煤矿开采形成采空区面积1026.0893公顷，综合工程地质测绘、物探、收集资料和钻探验证结果，以收集采空区和巷道平面位置，结合物探异常和钻探结果，采空区分布见表2。

表2 推测采空区及岩溶发育区分布特征表

2.2 采空区危害

矿山开采形成采空区土地资源毁损压占、含水层疏干、水利设施严重损毁，房屋出现开裂变形，部分村庄道路及户户通破损，导致区内生态与地貌景观改变，矿山地质环境问题突出（图1～2）。上述地质环境问题一般发生于矿山开采期间和闭坑后5年内，近年已逐步减缓，趋于稳定。

图1 区内采空区塌陷

图2 采空区造成房屋开裂

3 采空区稳定性评价及变形趋势分析

3.1 采空区地表稳定性现状计算

采空区导致地表沉陷、坍塌是一个物理和力学变化的复杂过程（周杰等，2020），依据《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）（2009版）5.5.7条的规定，当采深采厚比小于30时，可根据建筑物基地压力、采空区埋深、范围、和上覆岩层性质等评价地基稳定性（尹述荣等，2021）；结合矿区经验提出处理措施建议。还地桥片区为短壁陷落法开采小窑采空区，大多数已经停采超10年，可采用开采深厚比和建（构）筑物允许变形值来判定地表稳定性（宋博，2014）。

图3 还地桥矿区地面塌陷破坏模式示意图

煤矿浅部采空区埋深在50～130m，煤层平均厚2m，最大厚5.2m。采空区上覆岩层以炭质页岩、泥质灰岩、硅质灰岩、灰岩等软弱-中硬-坚硬工程地质岩体组成，受采空区及断裂挤压切错影响，采空区上覆岩体更为破碎，极易垮落，极不稳固（阚甲广，2009），见图3。

依据原煤炭部制定《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》，结合《高速公路采空区（空洞）勘察设计与施工治理手册》（姜希印等，2021），采空区地表最大移动、变形、倾斜值计算公式如下：

式中：m为煤层真厚度（m），取平均厚度2m；q为下沉系数，其取值与顶板管理等因素有关，在0.015～0.85之间，还地桥片区内矿山顶板管理为全跨落法，根据《采空区工程地质勘察设计实用手册》表-2.2.7推荐的经验值，取0.8；α为矿层倾角；R为地面影响半径（m）；H为开采深度（m）；β为移动角，本地取65°；b为水平移动系数，取值0.3（见《矿山开采沉陷学》）。

计算6个自然村采空区地表变形参数见表3。

表3 采空区地表主要变形参数估算表

备注：煤层厚度取还地桥区平均值，开采深度按等值线图取平均值，倾角按采空区（或者煤层）附近区域倾角取平均值。

3.2 采空区地面变形趋势

按照《高速公路采空区（空洞）勘察设计与施工治理手册》推荐的经验公式（刘健，2021）：

残余移动期极限下沉量：ωj=（1-q）·m·cosα（mm）

式中：q为下沉系数，其取值与顶板管理等因素有关，其下沉系数为0.015～0.85，取0.8；α为矿层倾角；t＇为以移动延续期T为单位的残余时间变量（年）；T=（2.4～2.6）H（d），H为平均采深（m）。

6个自然村采空区计算地表残余移动期相关变形参数（水平变形、倾斜、曲率）累计值等值线图见图4。

综合分项变形趋势及分布，治理区按今后50年地面累计变形趋势可分为不稳定区、基本稳定区及稳定区。不稳定区有2处（郭桥村徐新台煤矿至松山村下黄煤矿一线两侧的区，红峰村赵德益老井煤矿以南、团山陆小区以北、红峰新一井煤矿以西的区）；基本稳定区5处，有2处位于上述2处不稳定区外围100～150m区域，1处位于秀山村新庙煤矿至莲花煤矿一线以南，松山村张畔霞小区至陈德功小区一线以北区域，还有2处分别位于上王小区东部和柯家洞小区；其他区域为稳定区。

图4 还地桥片区采空区变形趋势分区示意图

4 防治措施建议

还地桥片区的采空区分布地段地形相对较平缓，交通条件较好；地面以下80m范围采空区地基处于稳定性差—不稳定状态。区内煤层平均倾角25°左右，局部10°～15°，产状较平缓，矿山关闭时间较长。防治措施宜结合土地利用用途及价值区别对待，对居民、建筑比较集中的区域，可采用全充填压力注浆法治理；对于农业用地、果园等区域，考虑经济性，建议以修复因采空区变形破坏的沟渠、道路等设施为主，辅以变形监测手段。

周杰，董建辉，朱要强，邹银先．2020．多层开采沉陷预计数值计算分析[J]．四川地质学报，40(02):255-257+262．

尹述荣，李治，杨元强，曹凯．2021．采空区高层建筑的基础设计实例[J]．建筑结构，51(S2):1474-1477．

宋博．2014．煤矿塌陷区路基沉降规律及预测方法研究[D]．河南理工大学．

阚甲广．2009．典型顶板条件沿空留巷围岩结构分析及控制技术研究[D]．中国矿业大学．

姜希印，王青海，周恒心，田迎斌，李幸丽．2021．太白湖下压煤开采方案设计及评价[J]．矿山测量，49(02):25-32+62．

刘健．2021．高速公路路基工程特殊路段处理——煤矿采空区治理[J]．四川水泥，2021(10):269-270．

Stability Evaluation and Control Measures of Mined-Out Area of Coal Mines in the Huandiqiao Region, Daye, Hubei

TAO Hai-ning1FENG Xiao-bo2XU Hui-yuan3PAN Tian-lu1

(1-Metallurgical Geological Exploration Party, Hubei Bureau of Geology and Mineral Resources, Huangshi, Hubei 435000; 2-Huangshi Bureau of Natural Resources and Planning, Huangshi, Hubei 435000; 3-The 7th Geological Party, Yichang, Hubei 443000)

Mining activity results in ground deformation and collapse of mined out area of coal mines in the Huandiqiao region, Daye, Hubei. This paper has a discussion on genetic mechanism and development trend of the ground deformation and collapse and evaluates stability of the mined-out area based on field survey and divides the mined-out areas intounstable zone, basically stable zone and stable zone based on calculation of cumulative ground deformation in the next 50 years. Some control measures are put forward.

mined-out area; coal mine; ground deformation and collapse; deformation trend; genetic mechanism; Huandiqiao region, Daye, Hubei

TD325.3；P642.4

A

1006-0995（2022）01-0104-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2022.01.021

2022-01-18

陶海宁（1989— ），男，安徽当涂人，水工环工程师，研究方向：地质灾害勘查与矿山环境治理