淮南某开发区采空塌陷地质灾害危险性评估与防治

陈阳 查显东 秦福刚

（安徽省煤田地质局水文勘探队 安徽宿州 234000）

0 引言

采空塌陷是典型的由地下资源开采引起的地质灾害问题，其产生的根源是地下资源开采改变原岩应力状态后反映在地表的采动损害［1］。采空塌陷区一般下沉速度大、范围广，因此对有采空塌陷区范围内的建设工程进行地质灾害危险性评估，可以为最大限度地降低开发区规划建设的工程风险和维护费用，提供地质科学依据。本文主要以淮南某开发区为例，浅谈了釆空塌陷地质灾害危险性评估方法及防治措施，主要介绍了采空塌陷特点地质灾害危险性评估的思路方法，对后续工程建设提供参考。

1 工程概况

安徽淮南采空塌陷占地质灾害总数约40%，采空塌陷分布在矿山开采比较集中的凤台县西北部。凤台县位于淮河中游，淮北平原南缘，地处北纬32°至33°，东经116°至117°之间，交通便捷，可由淮河经洪泽湖通达长江，淮阜铁路东西向横穿开发区综合园，距京九线阜阳站仅百余公里。开发区主要为工业用地及公共管理服务设施用地，依托凤台当地资源，实施产业整合和升级，重点发展精细化工产业、机械装备产业和新型建材产业。地面构筑物大部分已建成，多为天然地基、桩基的框架结构、钢筋砼结构。

2 地质环境条件

2.1 气象水文

评估区属暖温带半湿润季风气候与北亚热带湿润季风气候过渡带，区内雨量较为丰富，降水量年际变化较大，多年平均降水量914.8 mm，年平均蒸发量（水面）1 653.6 mm，最大2 112.3 mm（1966 年），最小1 232.1 mm（2003 年），蒸发量大于降水量，相对湿度为72%～77%。主要河流淮河河床宽三四十米，历年平均流量686 m3/s，水位标高一般在15 m，历史最高洪水位为25.63 m，两岸筑有大堤，堤顶高27 m 左右。大气降雨通过地表径流汇入周边道路两侧的排水沟，排出区外。

2.2 地形地貌

评估区范围内地势开阔，地形平坦，综合园区地面高程17.99～22.51 m，微地貌类型为冲积平原，第四系全新统怀远组粉质黏土。

2.3 地层岩性

评估区属华北地层大区晋冀鲁豫地层区，徐淮地层分区淮南地层小区。评估区被厚层新生界掩盖，地层由老到新主要为：新太古界-中元古界，寒武系，奥陶系中下统，石炭系太原组，二叠系山西组、下石盒子组、上石盒子组、孙家沟组，第四系。经查阅资料及野外调查评估区内无岩浆岩分布。周边矿区煤系地层为石炭～二叠系地层，该套地层在评估区周边被新生界地层所覆盖。石炭系上统太原组地层厚度约130 m，所含煤质差、薄且极不稳定，无开采价值。

2.4 地质构造与区域地壳稳定性

阜凤逆冲断层走向为275°～310°，倾向SW，倾角为∠80°～45°，浅部倾角较大，深部倾角小，在倾向上呈犁形，断层落差＞250 m。山王集断层发育于凤台县刘集乡—山王镇一带的走向近东西、中断向南偏转、倾向南的逆断层，倾角50°～55°，属压性断层，沿断层走向地层变化较大。断层上下盘发育霍邱群、八公山群和寒武系地层，至新集以东被阜李断层所截，向东至山王镇新庄孜矿逐渐消失。

全新世平原区长期处于下降状态且幅度减缓，形成河流地貌，且堆积，河两岸堆积第四纪沉积物。经查阅资料及野外调查评估区未发现有明显新构造运动迹象，稳定性较好。评估区内地震动峰值加速度为0.10 g，相应的地震基本烈度为Ⅶ度，故评估区地壳稳定性为基本稳定。

2.5 岩土体工程地质特征

评估区下部有一较坚硬-软弱层状碎屑岩。岩性主要为石炭系、二叠系、粉砂岩、炭质泥岩、泥岩组成，具中厚层至薄层结构，抗压强度0～63 MPa。该区煤层的泥页岩顶板抗压强度低，据附近矿区资料，煤层顶板泥岩抗压强度11.3～25.6 MPa，岩石力学强度较低，变形模量小，易坍塌、冒落，导致发生采空塌陷地质灾害。

评估区土体广泛分布多层黏性土、砂性土等，由全新统灰黄色黏性土和砂土、砂层组成，局部有淤泥质土，结构松散-稍密，承载力80～120 kPa，局部软土具中-高压缩性，承载力特征值较低。

2.6 水文地质条件

评估区主要为松散岩类孔隙水，多埋藏在浅层孔隙水中，该含水层之上有厚6～7 m 的粉质黏土，致使浅层含水层地下水水力性质为潜水－微承压水，渗透系数0.3～5.0 m/d，水化学类型以HCO3-Ca·Mg 型为主，水温一般在16.5～19.0 ℃，矿化度一般<1 g/L。评估区为饮用水源地保护区或准保护区，自农饮水安全提升工程实施以来，区域内少有开采浅层孔隙水且较为分散，农业灌溉主要利用河流坑塘等地表水，未存在集中开采地下水情况；城区、生活和部分乡村生活用水主要集中或相对集中利用以淮河为水源的地表水厂水。

3 地质灾害危险性现状评估

现状评估是在查明评估区地质环境特征、地质灾害类型、规模、诱发因素与成因机理及其危害对象的基础上，对其稳定性、危险性和评估区内建设工程危害的范围与程度进行评估。通过收集资料和野外调查人员访问，评估区内多为2 层或1 层厂房，无高层建筑，建筑物与河边有一定的距离且有堤坝，与评估区南部山前斜坡仍有一段距离，因此评估区不具备产生崩滑流等地质灾害的地形地貌条件。

3.1 岩溶塌陷危险性现状评估

开发区南部为碳酸盐岩浅隐伏区，区内上覆松散层厚10～30 m，下伏地层为奥陶系中系统灰岩，质纯层厚。由于《某煤矿闭坑地质报告》矿区平均岩溶率为2.51%、线岩溶率及目前现状，评估区线岩溶率取值5.8%。根据工勘报告，该区综合稳定水位在0.9～2.2 m，水位变化幅度在1.5 m 左右。根据《地质灾害危险性评估规范》（DZ/T 0286—2015）附录D 表D.7，确定评估区现状岩溶塌陷发育程度等级为中等。

3.2 采空塌陷危险性现状评估

位于综合园内的采空沉陷影响面积约0.04 km2，占场地建设面积（2.83 km2）比例约1.4%＜3%。根据现场调查，评估区及附近地表未见塌陷痕迹和裂缝条带。根据《地质灾害危险性评估规范》（DZ/T 0286—2015）附录D表D.8（表1）［2］，确定评估区区现状采空塌陷发育程度等级为弱。

表1 采空塌陷发育程度分级表

评估区处于采空塌陷影响范围边缘，对评估区造成的经济损失中等，综合判定现状采空塌陷地质灾害危险性中等。

4 地质灾害危险性预测评估

某开发区综合园界址点涉及1 宗矿产地，该煤矿2015 年已闭坑。由于开采井下煤炭资源，导致煤层顶底岩体之间形成了采空空间，尤其改变了顶部岩体内原应力平衡状态，上覆岩层在重力作用下充填已采空空间，使上覆岩层依次发生冒落、断裂、离层、裂隙、弯曲等不同的变形与破坏，该状态逐渐波及地表，致使地表形成塌陷及裂缝，造成采空区塌陷地质灾害。

根据《某煤矿闭坑地质报告》［3］显示，某煤矿参加煤炭资源储量计算的煤层共14 层，以C13煤层为最厚（平均为6 m 左右），主要煤层情况一览表见表2。该矿矿权西北部分根据储量核实报告显示，由于地质构造极其复杂，为孤立狭长构造地段，对于此部分均不进行储量估算。主区综合园东北角部分位于沉陷区范围附近，位置相对关系见图1。

图1 综合园与煤矿位置关系图

表2 某煤矿主要煤层情况一览表

根据 《某煤矿闭坑地质报告》，闭坑后矿井水通过-612 mB4 煤底板巷排水管路进入新庄孜矿五水平水仓，正常排水，供矿井闭坑后排水使用，未与评估区形成水力联系。

4.1 地表集中移动延续时间分析

根据《煤矿采空区岩土工程勘察规范》（GB 51044—2014）［4］，采空区场地稳定性可采用开采条件判别法，当无类似经验时，宜以采空区终采时间为主要因素。

根据某煤矿煤层平均开采深度H0取372 m，T=2.5 H0=2.5×372=930 d，目前矿井已关闭。2017 年3 月编制闭坑地质报告，截至2021 年10 月，t=365×4+30×7=1 670 d＞1.2×930 d=1116 d，且t=1 670 d＞730 d，稳定等级为稳定。

4.2 地表残余变形沉降分析

根据地区采矿经验，出现地面塌陷虽已经稳定的采空区，也会由于自然力或外力人为扰动而发生塌陷或已稳定的塌陷出现“残余变形沉降”现象。产生“残余变形沉降”现象的根源是在破坏的覆岩中，虽然各种岩体结构依然存在，但伴随这些结构形成的残留空洞、裂缝、离层和破碎岩块等欠压密状态，在一定外力作用下，均可出现“残余变形沉降”现象。依据2017 版《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》［5］中的开采倾斜煤层地表下沉盆地的变形值计算见式（1）。

式中：r 为主要影响半径；H1为松散层厚度；H2为基岩层厚度；α 为松散层移动角；β 为下山移动角；γ 为上山移动角。

根据《安徽某开发区压覆矿产资源储量调查评估报告》中提供的矿区实测的地表移动参数，地表松散层移动角α 取41°，基岩移动角下山β 取44°，根据评估区勘测数据，煤矿松散层平均厚度H1＝30 m，下山处H2=681 m，计算下山处影响半径r=30/tan41°+681/tan44°=739.7 m。

依据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》，采空塌陷深度选用公式（2）计算。

式中：q 为下沉系数；Wcm为最大下沉值；M 为煤层的平均厚度；α 为矿层倾角。

参照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》 附表3-1 中岩性与预测关系相关关系表，中硬覆岩下沉系数经验值按闭坑地质报告取0.75，矿层倾角α 取20°，煤层平均厚度6.0 m。

表3 按终采时间确定采空区场地稳定性等级

经计算预测煤矿塌陷区最终最大下沉深度约为4.23 m。

最大倾斜变形值：

icm=Wcm/r=4.23×1000/739.7=5.72 mm/m∈（3，6）mm/m

最大曲率变形值：

kcm=1.52 Wcm/r2=1.52×4.23×1000/739.72=0.012＜0.2 mm/m

最大水平变形值：

εcm=1.52 bWcm/r=1.52×0.18×4.23×1000/739.7=1.56 mm/m＜2 mm/m

式中：b 为水平移动系数，按《煤矿采空区岩土工程勘察规范》（GB 51044—2014）附录J 取b=0.18。

根据 《地质灾害危险性评估规范》（DZ/T 0286—2015）附录D 表8（表1），按就高不就低原则，采空塌陷发育程度中等。

综上所述，根据上述采空塌陷地质灾害危险性预测评估及 《地质灾害危险性评估规范》（DZ/T 0286—2015），预测评估区遭受采空塌陷地质灾害的可能性中等，发育程度中等，危害程度中等，危险性中等。

5 地质灾害危险性综合评价

根据评估区地形平坦、冲击平原地貌；无断层、褶皱穿过等复杂的地质构造；区域地壳稳定性较为稳定；有稍坚硬碎屑岩及碳酸盐岩和稍密黏土体；1～2 层含水层；破坏地质环境的人类工程活动强度较低；釆空塌陷位于评估区范围占比极小，釆空塌陷导致地面塌陷状态趋于稳层，其变化规律基本摸清，对评估区承灾体影响中等、危险性中等。以“区内相似、区际相异”的原则，采用定性分析和半定量法，进行地质灾害危险性综合分区评估；根据预测评价结果，依照危险性分级标准，对评估区进行地质灾害危险性综合评价。

综上所述，开发区主区综合园东北部可能遭受采空塌陷地质灾害，其危害程度中等，发育程度中等，危险性中等。其用地适宜性评价分级按照《地质灾害危险性评估规范》（DZ/T 0286—2015）表24 为基本适宜。

6 采空塌陷防治措施

为避免和减轻开发区内建设工程活动对地质环境的不良影响，从而导致地质灾害给人民生命财产安全造成的损失，根据地质灾害危险性综合评价结果，结合评估区地质环境背景，提出以下防治措施和建议。

（1）对采空塌陷影响范围内的工程建设房屋高度进行限制，以矮层建筑为适宜，防止地表建筑物及重载厂房外在加压，致使老采空区因受力过大而“活化”。

（2）如有大型设施或重要建设项目，宜对拟建场地进行详细的勘察，查明场地岩土体工程特征，为项目设计、施工提供必要的参考依据，并采用抗残余变形、活化变形的加强保护措施。

（3）对采煤沉陷区进行工程建设时，在技术和施工条件符合要求时，建筑物长轴应与地表下沉等值线相切为宜；大口径重要地下管网设施宜在管口接头处使用柔性接头或设置补偿器等措施。

（4）若经济条件和环境条件允许，可在建设中和建设后进行场地的变形监测。

7 结论

（1）通过对采空区按终采时间判定稳层等级，以一般地表移动变形估算变形参数，快速便捷对采空塌陷区域进行综合评估，这种粗略估算虽没有对特定区域特定点位地表变形参数计算，但本次估算对区域综合评判可谓1 种简易评估方法。

（2）综合园局部位于采煤塌陷区影响范围内，采煤沉陷已经趋于稳定，经特征值预测其发育程度属中等，危害程度中等，危险性中等，其适宜性基本适宜。