煤矿采空区地面变形成因分析

摘要：采空区属于煤矿开采区常见的不良地质现象之一，采空区形成的地面变形直接威胁居民的生命财产安全，潜在经济损失较大，社会影响较大。以煤矿采空区地面变形为研究对象，在论述当地矿区生态与地质环境背景基础上，结合当地煤矿生产情况，分析了采空区对地面变形地质灾害的成因，对今后本区域煤矿资源的开发与灾害控制具有指导意义。

关键词：煤矿开采  采空区  地面变形  成因

Analysis of Ground Deformation in Coal Mine Mining Area

PENG Xing

（Hunan Province Geological and Mineral Exploration and Development Bureau 416 Team， Zhuzhou， Hunan Province， 412000 China）

Abstract： The goaf area is one of the common adverse geological phenomena in the coal mining area. The ground deformation formed in the goaf area directly threatens the safety of residents' life and property， with great potential economic losses and great social impact.Considering the ground deformation of the coal mine， the causes of the geological disaster on the ground deformation of the mining area are analyzed， which has guiding significance for the development and disaster control of the regional coal mine resources in the future.

Key Words： Coal mining; Mining area; Ground deformation; Cause

湖南省新化县游家镇境内煤炭资源较丰富，自20世纪50年代末以来，大大小小的煤矿不计其数，地下采煤形成的采空区对地质环境影响很大，破坏水土平衡，使地下水水位下降、井泉干枯，采空区塌陷使地表变形强烈，且面积大。采空区地面变形是一个复杂长期的过程，采空区地面变形受地质条件、开采方式、采深、采厚、开采时间等多种因素影响[1]，采空区地面变形会造成地面塌陷、地裂缝、地面沉降、结构物损坏、开裂等破坏[2]。煤矿采空区地面变形的形成原因较复杂，多种因素叠加，共同影响进而反映至地表，形成地面变形。因此，选取游家镇龙潭村1～5组地面变形为研究对象，研究地面变形分布规律、发育特征、形成机制及人类工程活动对地质环境的影响，分析其主控因素，预測其发展趋势。

1 环境地质特征

1.1 地理位置

地面变形区位于新化县游家镇龙潭村1～5组，游家镇位于新化县中部，北与新化县油溪乡接壤，东与新化县曹家镇为邻，南接新化县城上梅镇，西为新化县炉观镇、西河镇、孟公镇，龙潭村位于游家镇南部。

1.2 气象

新化县属亚热带气候，一般温湿多雨。本区属山区，气候变化较大。

1.3 水文

区内发育的河流主要有炉观河和芦茅江。炉观河由北西流入龙潭村，于石新附近切割测水组。又流向东南，汇入芦茅江。芦茅江自西南流向东北。流至白洋坪井田后折向北流。在羊角坝附近向东流去。切割测水组流出本区，汇入资江。

1.4 地形地貌

区内地貌类型属侵蚀丘陵地貌为主。南东部为侵蚀与溶蚀准平原地貌。最高点位于调查区北西部，高程为330.8m，最低点位于调查区南部，高程为166.8m，高差为164m，两点相距9.42km，相对坡度较平缓，地面较平缓，总体高差不大。

1.5 地层岩性

区内出露的地层由老到新，分别是石炭系下统的石磴子组、测水组（分为上段与下段）、梓门桥组，石炭系中上统壶天群，第四系残坡积层。其中石炭系下统测水组为含煤地层。按含煤性及标志层等，划分上、下两段。

1.5.1 上段（C1c2）

（1）泥岩：紫红色、灰绿色、团块状、具滑感，含星点状黄铁矿晶粒，有时夹薄层细粒砂岩及透镜状泥灰岩;厚0.53～28.52m，一般厚6m。

（2）泥质灰岩：灰-深灰色，连续缓波状层理，中厚层状，裂隙不发育，含少量方解石脉，有时夹薄层灰绿色泥岩，含珊瑚及海百合茎等化石。厚1.90～20.48m，一般厚10m。

（3）上段厚度47.18～75.55m，一般厚61m。

1.5.2 下段（C1c1）

（1）泥岩：黑灰色，水平层理，薄层状，见有少量菱铁矿小结核，含植物化石;厚0～3.30m，一般厚1m。

（2）上煤层：为灰色细粒块状半亮型煤，为复煤层，含夹矸3～4层，夹矸单层厚0.02～0.5m，夹矸不易剔除。煤层厚0.0～5.32m，平均厚0.84m;根据调查区内探矿工程及巷道资料显示，煤厚度0.06～2.80m，平均厚1.03m ，点可采率为90%，煤厚变异系数为36%，属较稳定型薄煤层。

（3）炭质泥岩：黑灰色，薄层状，夹薄层状泥岩，厚0.5～4.5m，一般厚2.5m。

（4）煤层：灰黑色条带状、块状半亮型煤，为复煤层，含夹矸1～4层，夹矸单层厚度0.02～0.8m，夹矸不易剔除。煤层厚0～7.05m，平均2.06m;根据调查区内探矿工程及巷道资料显示，煤厚度0.09～2.60m，平均厚1.37m，点可采含煤率72%，煤厚变异系数为53%，属不稳定型中厚煤层。

（5）细粒砂岩：黑灰色，缓波状层理，以石英为主，硅质胶结，节理发育，质硬而脆，时相变为砂质泥岩;厚0～5m，一般厚2m。

（6）下段厚3.26～59.55m，一般厚28m，而测水组全厚一般为89m。

1.6 地质构造

地面变形区范围内以褶皱构造为主，断裂构造亦较发育。

1.6.1 褶皱构造

龙潭向斜：是地面变形区保存较完整的向斜。以贺家垅为中心，北起石板垅，南端在田心收敛，西起何家湾，东至芦茅江以东，壶天群组成向斜核部。

1.6.2 断裂构造

地面变形区及周边断裂构造较发育，调查区整体为一向斜构造，发育的4条正断层、1条逆断层，破坏了地层和煤层的连续性。调查区整体构造属中等类型，其中对采空区影响较大的为芦茅江正断层。

芦茅江正断层：位于地面变形区中部，区内出露长度约1200m，断层走向北东，倾向南东，倾角38°，水平断距300～400m，落差110m左右。

1.7 地下水动态变化特征

煤矿开采前：调查区地下水动态随季节变化明显，动态变化主要受大气降水控制。雨季地下水位明显升高，井泉流量增大;旱季地下水位下降，井泉流量减少，甚至干枯。

煤矿开采后：煤矿矿坑正常涌水量为105m3/h，最大涌水量为332m3/h，经多年开采导致荷叶村、龙潭村、石新村部分井泉干涸，地下水位下降，影响居民生活用水。

2 地面变形地质灾害特征

2.1 变形特征

2.1.1 规模大小

地面变形区以新化县游家镇龙潭村1～5组为中心，南部以荷叶村北部为界，北部以木山村木山垄为界，东部以乌石乡林场为界，西部以贺家垄为界，变形区在平面上大致呈近椭圆形。

根据现场调查，在采空区地面变形区的下伏基岩完整性较差，破碎迹象明显，存在基岩破碎发育带，物探推断破碎带深度一般30～40m，长度85～125m，变形区内基岩破碎带一般沿南北向延伸，与采空区分布较吻合。

2.1.2 平面形态

地面变形区内采空区地面变形主要表现为地面沉降和地裂缝，其沉降中心以连续弯曲变形为主，周围则会以直线形拉张裂缝等不连续变形为主。

地面变形平面形态以龙潭村1～5组区域为中心发生变形，中心变形大，愈远离塌陷中心愈塌陷变形愈小。由于地面的下沉变形，周边地表地面伴随发生一系列拉张裂缝及挤压裂缝。

地面变形区东部下伏基岩为石炭系测水组砂页岩，无岩溶现象，但仍发生房屋受损、地面变形等;同时钻孔岩芯整体极破碎。另从实测的井上井下对照图来看，地面变形区东部为99年之前的老采空区，其埋深在100～120m;西部分布有采空巷道和采空区，钻孔资料显示区内岩层局部可见溶蚀现象，但未发现溶洞，整体岩溶弱发育，该区域地面变形受采空巷道和采空区影响。

2.2 变形现象

2.2.1 地面塌陷

在省道S225南侧共发现有4个塌陷坑，塌陷坑平面形态主要为椭圆形，坑口规模6.8～20m²，深1.7～2.5m，长轴方向98°～123°，地下煤矿开采不仅造成地面变形，而且破坏了地下含水层，附近水井干涸无水。

2.2.2 受损房屋

据现场调查，共发现有99栋房屋受到不同程度的损害，较轻者房屋出现细微裂缝，较重者地基出现较严重下沉，房屋倾斜严重。

2.2.3 地裂缝

据现场调查，共发现地面裂缝9条，裂缝总长度约120m。目前，部分裂缝仍在进一步加剧变形。单条裂缝长度一般10～25m，宽度一般1～7cm，可见深度一般5～50cm。在空间分布上，裂缝多呈直线型，断续，走向一般为85°～110°，部分裂缝已被填充。地裂缝发育区域下伏地层为石炭系下统梓门桥组，为煤系地层顶板地层;均有采空巷道和采空区分布，受采煤活动影响较大。

2.2.4 地面沉降

采空地面变形区地面沉降分布范围较广，主要分布在田地及房屋周边，沉降值10～50cm不等，并且沉降地点多分布在地下煤矿巷道及采空区上方及周边受影响区域，严重破坏了当地的农业生产、居民的房屋地基稳定。

3 地质灾害成因

（1）地面变形区内采空区及采空巷道的体积较大，部分采空区及采空巷道的年代较久远，矿山在以往多年的采矿过程中，存在与开发利用方案等技术资料要求不符的欠规范开采行为，并且老窿与废弃的采空巷道因时间较长位置不清楚，存在老窿与废弃的采空巷道和现有巷道交叉重叠的情况[3]，进而影响地面的稳定。

（2）地面变形区内煤层的顶板均为中等冒落顶板，由于顶板不易维护，顶板受压不均匀，煤柱及支护不合理或时间较长自然老化，较易造成顶板破碎垮塌，进而影响地面的稳定[4]。

（3）煤矿采空区的采深采厚比基本在25～110.4，部分地区地面地基不稳定，该结果也与地面调查的地面变形现象相吻合[5]。

（4）地面变形区受F3断层影响，断层周边岩体相对破碎，岩体强度整体偏低，断层破碎带为地下水的流通提供了良好的通道，沿断层走向，地下水流通性增强，加剧了地下水流失的速率。区内断层的错断影响，致使断层附近岩层比较破碎，强度偏低，物理力学性质相对较差;断层发育是采空区南部地面变形发生的内在地质因素[6]。

（5）煤矿在采煤過程中会在采空区以及采煤巷道中设置煤柱，但是煤柱受上区段工作面回采影响，煤体破坏程度较高，并且煤柱承载能力较低;较易诱发煤柱发生变形破坏，其承载能力进一步降低，导致顶板向煤柱采空区侧下沉破坏，易造成沿空巷道围岩小结构变形破坏;地面变形区内分布有较大范围的老采空区和废弃的采煤巷道，其煤柱受损情况普遍，顶板下沉破坏严重，并且针对老采空区和废弃的采煤巷道未采取回填措施，加剧了老采空区和废弃的采煤巷道的垮塌，反映至地表则会引起地面变形现象的发生。

（6）地面变形区内煤矿涌水量隔水顶板完整性、隔水性好;区内各煤矿均未发生断裂构造引发的涌水量剧增或突水事故则说明各煤矿所揭露的断裂构造含、导水性相对较差;测水组砂砾岩裂隙水（SO42-·Cl--Na+·Ca2+水）与壶天群岩溶裂隙水（HCO3--Na+·Ca2+·Mg2+水、HCO3--Na+·Ca2+水）的水化学类型不同，间接说明煤层隔水顶板隔水性好。故煤矿疏于排水对煤矿生产作业区域地下水水位下降影响较大。

4 结语

地面变形区地面变形地质灾害是自然与人为影响因素共同叠加作用而成。地面变形区内采空区广泛分布，煤层的顶板均为中等冒落顶板，采深采厚比较小，部分区域断层发育，这些是地面变形形成的基础地质条件;自然条件下及区内矿业活动导致的梓门桥组碳酸岩岩溶裂隙含水层和测水组砂质泥岩裂隙含水层地下水动态变化提供了地下水动力作用条件。

参考文献

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[5] 段圆圆，李绪萍，刘艳青，等.煤矿采空区膏体充填相关技术研究[J].现代矿业，2021，37（6）：83-85.

[6] 刘洪.煤矿采空区积水超前综合预报探放技术[J].科技创新导报，2018（27）：28-29.

作者简介：彭兴（1986—），男，研究生，工程师，主要从事地质工程、地质灾害评估、勘查、设计等各类相关地质工作。