城市煤矿采空区稳定性评价——以荆门园博园场区为例

朱文彩， 陈江军， 杨 伟， 李 业

(湖北省地质局 水文地质工程地质大队，湖北 荆州 434020)

因埋藏型矿产开采而形成的采空区已经成为制约经济社会发展的不稳定因素[1]，特别是人口集中、工程建设活跃的城市区域[2-3]，亟需查明采空区的空间分布、规模、稳定性及其发展趋势，从而为土地规划利用、施工组织和安全运营提供基础资料[4-8]。为此，研究人员建立了不同的采空区稳定性评价模型及其指标体系[9-11]，使该类评价工作逐渐趋于合理。

荆门市具有丰富的磷、石膏、煤等埋藏型矿产资源[12]，因长期开采而形成大量采空区，其中石膏矿采空区主要分布于东宝区子陵铺镇和掇刀区白庙街道办事处、麻城镇，煤矿采空区主要分布于东宝区马河镇、漳河镇(图1)。随着荆门市城市规模的扩大，一些采空区周边已发展成为新的中心城区，因此对城区采空区的开发利用已不可避免。近年来，荆门市开展了多项涉及采空区的调查评价工作，例如开展县域地质灾害详细调查，大致查明了调查区因采空诱发的地质灾害数量、位置、类型、规模、威胁范围及威胁对象；开展矿区地质环境治理，大致查明了治理矿区内采空区的空间分布、变形特征及其危害；对矿区周边新建小区进行采空区专项勘察，查明了采空区的空间分布范围，并采用回填、注浆、桩基穿透等手段进行了有效处置[13-14]。此外，近期实施的湖北省资源枯竭型城市矿山地质环境治理工程项目以荆门市磷矿、石膏矿采空区为研究对象，对采空区地面塌陷的勘查技术方法、采空区变形机制与成灾机理等进行了系统研究。

图1 荆门市采空区分布图Fig.1 Distribution map of goaf in Jingmen City

荆门园博园位于荆门市城区，其场区内曾经进行过煤矿开采活动，遗留下大量采空区，由于矿权频繁转让、资料遗失等，造成煤矿采空区的分布、规模、埋深等资料缺失，制约了园博园场区的规划布局。为此，本次研究在查明园博园场区内煤矿采空区分布范围及特征的基础上，通过理论分析与数值模拟计算，对采空区进行稳定性分区，并提出各分区在布局设计、施工建设和运营阶段的地质安全管理建议。

1 研究区概况

研究区地处荆当向斜东翼，断裂构造不发育，出露地层由新至老为第四系(Q)、中侏罗统千佛崖组(J2q)、下侏罗统桐竹园组(J1t)、上三叠统—下侏罗统王龙滩组(T3J1w)，总体呈单斜状产出，产状252°～265°∠36°～55°。工程地质方面，覆盖层主要由建筑弃渣(一般厚3～5 m，最厚10～20 m)、残坡积粉质黏土组成，基岩主要由灰绿色(粉砂质)泥岩与紫红色粉砂岩互层夹煤层组成，因此(粉砂质)泥岩与粉砂岩互层岩层构成采空区的顶、底板。水文地质方面，覆盖层、粉砂岩、采空区的充填或垮落石渣构成含水或透水岩层，泥岩、粉砂质泥岩则构成相对隔水岩层。根据钻孔实测数据，区内地下水稳定水位高程为145～150 m，埋深为5～10 m。

2 采空区分布特征

2.1 采空区勘查方法概述

采空区勘查的目的是查明采空区的空间分布及其特征，常用的勘查手段以工程钻探、物探为主，辅以变形观测、水文试验等[15]。由于研究区早期采煤活动极不规范，地下井巷复杂，地表井口众多，而且井口均被封堵回填，无法进行井下实地探查，因此本次研究在资料分析基础上，主要进行物探解译和钻探验证。

(1) 收集和分析各矿区已有资料及周边场地勘查资料，对煤层和标注的采空区进行测绘和复核。分析阴山煤矿(①号矿区)、赵冲沟煤矿(②号矿区)等矿区(图2)的矿层分布、井上井下对照图、开采方式、开发利用方案等相关资料，实地核查地层及煤线特征、硐口位置、掘进走向、采空区范围等资料的准确性。调查访问区内地质环境条件、矿层走向及倾角、历史地面变形特征，推测出潜在采空区域。

图2 荆门园博园场区采空区分布图Fig.2 Distribution map of goaf in Jingmen Garden Exposition site

(2) 采用以地震映像法为主、广域电磁法为辅的物探方法，在潜在采空区域圈定出确定和疑似采空区范围及深度。基于赋存煤层的砂岩层为高阻而采空区为低阻的特性，布置垂直于煤层走向的物探测线26条，完成地震映像法测量剖面11 938 m、广域电磁法测点453点，解译出采空区(异常点)共计487处，圈定确定和疑似采空区共0.628 km2。

(3) 采用工程地质钻探方法，验证疑似采空区范围和深度的准确性，探查采空区“三带”(垮落带、断裂带、弯曲带)分布和充填情况。在存疑较大的疑似采空区范围和确定采空区边界附近共施工10个验证性钻孔，其中2个钻孔揭露到采空区，6个钻孔揭露到未开采煤层，2个钻孔未揭露到煤层和采空区。

2.2 采空区分布特征

经采空区勘查，以赵冲水库为界，将区内采空区划分为北采空区和南采空区(图2)。整体上看，采空区靠近地表煤线附近埋深较浅，向煤层倾斜方向埋深加大。

(1) 北采空区。北采空区面积0.143 2 km2，埋深约20～180 m，平均埋深约100 m(图3-a)。区内分布有②、⑤、⑥、⑦、⑧号矿区，煤层开采高度为1.1～2.7 m。2016年前该区曾发生过地面开裂变形和塌陷，但因资料缺失无法探知；2016年以来该区未见地面拉裂沉降、开裂变形、塌陷等迹象。推测该区覆岩塌陷充分，在无外加荷载时处于稳定状态。

图3 A-A′、B-B′工程地质剖面图Fig.3 Engineering geological profile of A-A′ and B-B′

(2) 南采空区。南采空区面积0.251 3 km2，埋深约15～190 m，平均埋深约110 m(图3-b)。区内分布有①、③、④号矿区，煤层开采高度为1.5～3.0 m。2012年①号矿区西北侧附近(双喜隧道顶部)发育7条长30～50 m的地表裂缝，这些裂缝现已被自然掩埋；2012—2019年①、④号矿区北侧附近(双喜隧道东侧)的市政道路两侧围墙陆续出现大量裂缝，间距15～25 m，裂缝上宽下窄(顶部缝宽1～5 cm，底部缝宽0.05～0.5 cm)，倾向随机，倾角40°～60°。推测该区覆岩趋于基本稳定，塌陷基本充分，但仍具有一定的残余变形量。

众所周知，地名分类是地名学理论任务之一，也是当今地名规划、地名管理、地名档案管理和地名工具书编辑中的重要内容。现今地名分类有按地理实体性质分类，有按地名形态分类，有按地名时间分类，有按地名音、行、义分类，而陈文按专名的性质分类，是对地名分类的巨大贡献，并为地名专名科学分类奠定了基础。

3 采空区稳定性分析

3.1 覆岩稳定性分析

研究区可采煤层为桐竹园组中的Ⅶ2、Ⅶ4、Ⅶ5煤层和王龙滩组中的Ⅵ3、Ⅵ4、Ⅵ5煤层，可采煤层厚0.43～1.50 m，一般厚0.62～0.76 m，煤层倾角为45°～55°，属中倾斜煤层。采空区覆岩岩性以粉砂岩、粉砂质泥岩、泥岩为主，岩石试验结果(表1)表明上述岩石属较软—极软岩。根据《煤矿采空区岩土工程勘察规范》(GB 51044—2014)[16]附录G要求，研究区垮落带、断裂带高度计算公式如下：

表1 采空区覆岩物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of roof rock in goaf

(1)

(2)

式中：Hm为垮落带高度，m；Hli为断裂带高度，m；∑M为矿层累计开采厚度，m。

经计算(表2)，北、南采空区覆岩因遭受围岩压力而产生变形破坏的厚度(垮落带高度+断裂带高度)分别为40.19～48.33 m、49.77～57.57 m。而实际上，研究区绝大部分煤层在开采至距地面15～25 m时才停采，采空区实际覆岩厚度小于上述计算值(40.19～57.57 m)，因此采空区覆岩遭受围岩压力时会产生变形破坏，其稳定性不足。

表2 采空区覆岩破坏高度计算结果表Table 2 Calculation table of failure height of goaf rock

3.2 地表移动期分析

依据《煤矿采空区岩土工程勘察规范》(GB 51044—2014)[16]附录F要求，采空区地表移动延续时间的长短与煤层的开采深度(采深)有关，当地面下沉10 mm时视为地表移动期开始，连续6个月累计下沉值≤30 mm时视为地表移动期结束[17]。鉴于研究区采空区最大采深<400 m，地表移动期计算公式为：

T=2.5H0

(3)

式中：T为地表移动期，d；H0为采深，m。

北、南采空区的最大采深分别为177.98 m、187.14 m，带入公式(3)计算得到地表移动期分别为444.95 d、467.85 d，即1.22 a、1.28 a。研究区内各矿区的关停时间为1995—2011年，截至2021年底已有10～26 a，超过计算得出的地表移动期(1.22～1.28 a)，说明区内煤矿开采引起的地表移动期已结束。

3.3 地面变形区域分析

研究区内有8家矿区，各矿区边界多互相重合(图2)。阴山煤矿(①号矿区)和赵冲沟煤矿(②号矿区)的开采时间为2003—2011年，采用坡度20°～40°的斜井沿煤层倾向开拓采煤，工作面采用走向长壁式与短壁式采煤法，爆破落煤；采空区以木支护为主，支柱间距一般为1.0～1.2 m；沿煤层走向由上而下依次回采，工作面底板以少量矸石回填，工作面顶板管理为陷落法。其余煤矿的开采时间为1991—2002年，资料基本缺失，根据访问得知其开采及支护方法与阴山、赵冲沟煤矿类似。此外，研究区内还存在较多小煤窑和探洞，其巷道和采面大多无支撑而自然垮落。

根据经验[18]，当采空区埋深较浅且采深采厚比<30时，地面常具有垮落、裂缝、台阶等非连续变形特征，对建(构)筑物的危害性较高；当采空区埋深较大且采深采厚比≥30时，地面一般为连续变形，出现非连续变形的可能性不大，对建(构)筑物的危害性相对较小。据此判断，研究区采空区在采用正规方法开采且采深采厚比<30区段和采用非正规方法开采且采深采厚比≥30的区段，地表均易于出现裂缝或陷坑等变形迹象，特别是在覆岩厚度较薄的地面煤线附近，出现非连续变形的可能性较大。

3.4 地表残余变形速率分析

为分析研究区采空区的地表残余变形速率，开展了基于InSAR的地面沉降遥感监测工作。InSAR遥感监测数据源选用Sentinel-1卫星数据集(2017年1月6日—2020年3月15日)，采用时间序列InSAR分析方法[19-20]，共提取1 039个InSAR测量点，计算研究区地表变形速率，结果表明采空区地表仍存在缓慢变形，有2处区域具明显的近似线性的沉降变形(图4)。

图4 采空区沉降区域分布图Fig.4 Distribution map of subsidence area in goaf

北采空区的地表变形速率甚微，与前文分析得出的该区覆岩塌陷充分、在无外加荷载时处于稳定状态的结论相一致。而InSAR遥感监测发现北采空区南西侧的非采空区区域的变形速率达10.2 mm/a，经实地核实，该区域为荆门市建筑弃渣场(图2)，长期堆放松散渣土，渣土在自密实过程中会形成较大的地面沉降变形，因此InSAR遥感监测圈定的沉降区与弃渣场范围基本一致。

南采空区的地表变形速率达9.5 mm/a，沉降区主要位于①、④号矿区北界附近的市政道路及两侧，与调查发现的该段道路路面及两侧围墙大范围出现裂缝的现象相吻合，表明南采空区仍有一定的残余变形量，但变形速率不大，进一步说明南采空区覆岩已趋于基本稳定。

3.5 采空区稳定性分区与评价

在大致查明采空区空间分布特征基础上，综合开展覆岩稳定性、地表移动期、地面变形区域、地表残余变形速率等分析，分析结果表明：易出现不连续变形的浅埋采空区和浅埋巷道集中分布区基本沿煤线展布；采空区煤矿开采引起的地表移动期已结束；绝大部分采空区已被塌陷或垮落带的崩落物充填，已趋于基本稳定或稳定，仅有少量巷道、斜井因高度大、跨度较小而处于未充填或半充填状态，其崩落、坍塌体密实性较差，仍有较大的残余变形量；采空区残余变形以地面裂缝和小规模地面沉降为主，地面裂缝多出现在局部浅表层采煤部位、浅埋巷道集中分布区、特厚煤层(鸡窝煤)分布区、倾角>55°的厚煤层浅埋及露头地段，局部地段可能存在小规模地面塌陷。

综合考虑规范中规定的稳定采空场地残余倾斜值、残余曲率、残余水平变形值范围、采空区覆岩临界稳定厚度及安全储备(3～5层建筑物荷载影响深度+顶板临界深度，安全系数按1.3考虑)等因素，按照建筑场地适宜性分区原则，将研究区划分为稳定性差区、稳定性一般区、稳定性好区3个分区(图5)。各分区特征如下：

(1) 稳定性差区。分布于采空区埋深<90 m和地表残余变形量>30 mm的区域。该区因采空引起的地面变形尚未达到基本稳定，近期不适宜作为多层、高层建(构)筑物用地，宜考虑作为弃渣场、绿地、景观区、道路、广场、临时设施用地。

图5 研究区稳定性分区图Fig.5 Stability zoning map of study area

(2) 稳定性一般区。分布于采空区与残余移动盆地之间的地带、可能存在浅埋巷道和浅埋盗采区的地段。该区有一定的残余变形量，因此存在零星采空区和浅埋巷道的可能性较大，可用作道路、广场、低层建(构)筑物、对基础变形要求不高的多层建(构)筑物用地。

(3)稳定性好区。分布于采空区埋深>120 m区域和非采空区。该区地表残余变形小，采空区垮落带密实程度较好，场地稳定性较好，工程建设对采空区稳定性影响较小，可作为各类建(构)筑物用地。

4 结论与建议

(1) 荆门园博园场区因煤矿开采活动而遗留下大量采空区，综合开展覆岩稳定性、地表移动期、地面变形区域、地表残余变形速率等分析表明，采空区煤矿开采引起的地表移动期已结束；绝大部分采空区已被塌陷或垮落带的崩落物充填，已趋于基本稳定或稳定，仅有少量巷道、斜井处于未充填或半充填状态，仍有较大的残余变形量；采空区残余变形以地面裂缝和小规模地面沉降为主。

(2) 按照建筑场地适宜性分区原则，将研究区划分为稳定性差区、稳定性一般区、稳定性好区3个分区。

(3) 建议在荆门园博园布局设计、施工建设和运营各阶段加强场区地质安全管理：①在场区布局设计阶段，应在稳定性差区和一般区谨慎布置多层建(构)筑物，若确有需要在该区布置多层建(构)筑物，则应做好采空区地基处理，加大建(构)筑物基础埋深，以协调建(构)筑物不均匀沉降和倾斜；②在场区施工建设阶段，应加强施工勘察工作，探查区内零散分布的巷道、盗洞等，建议适当加大钻孔孔深，必要时进行开挖验证等；应动态安排施工现场，加强地面变形监测，若发现井口、浅埋采空区和浅埋巷道要及时回填压实；大重型机械设备在夜间和暂停施工时不宜停靠在煤线附近区域，主要运输线路宜垂直煤线布设；③在场区运营阶段，应开展场区地面沉降与变形监测，发现地面变形前兆或迹象时应及时采取处置措施。