解會(huì)存

（安徽省地勘局第一水文工程地質(zhì)勘查院，蚌埠 233000）

1 引言

安徽省阜陽市劉莊煤礦位于安徽省阜陽市潁上縣北部，是國投新集能源股份有限公司在阜陽新建的特大型現(xiàn)代化礦井，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為800×104t／a，于2003年初開工建設(shè)，已于2006年10月16日建成試生產(chǎn)。劉莊煤礦的開采破壞了大量的土地資源，引發(fā)了采空塌陷地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)厝嗣竦纳a(chǎn)和生活，制約著當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展。

通過對(duì)劉莊礦區(qū)地面塌陷發(fā)育特征的分析研究，采取定性與定量相結(jié)合的方式，評(píng)價(jià)劉莊礦區(qū)地面塌陷的穩(wěn)定性并進(jìn)行了穩(wěn)定性分區(qū)，對(duì)于評(píng)價(jià)建設(shè)用地適宜性并進(jìn)而合理規(guī)劃、探索創(chuàng)新對(duì)塌陷區(qū)的治理方法、發(fā)掘塌陷區(qū)的土地資源、加快塌陷地區(qū)的綜合治理，對(duì)于改善本區(qū)域的生態(tài)環(huán)境和人居環(huán)境，提升阜陽市的形象，有著重大意義。

2 地質(zhì)環(huán)境背景

2.1 氣象水文

礦區(qū)屬暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和，日照充足，雨量適中，四季分明。年平均氣溫為15.1℃，極端最高氣溫41.4℃（1959年8月24日），極端最低氣溫－21.7℃（1996年1月31日）；年平均降雨量926.33 mm，年最大降雨量1 723.5 mm（1954年），日最大降雨量320.44 mm。降水年內(nèi)分配不均，多集中于6～8月，多年平均蒸發(fā)量為1 642.2 mm。濟(jì)河自西北向東南流經(jīng)井田的東北部，至井田外的西淝河后匯入淮河，該河河道寬約20 m，常年水位標(biāo)高為23.50 m左右，最高洪水位＋25.90 m（1960年6月27日），在雨季時(shí)兩岸低洼處易形成內(nèi)澇，屬排洪、灌溉的季節(jié)性河流。礦區(qū)內(nèi)分布有地面塌陷后形成的積水塘。

2.2 地形地貌

礦區(qū)地處淮北平原，地形平坦，地面標(biāo)高一般為＋25.00～＋31.70 m，西北高、東南低，坡降約為萬分之一，礦區(qū)內(nèi)地貌根據(jù)不同成因類型和形態(tài)特征可分為河間平地和河漫灘兩種類型。

2.3 地層巖性

礦區(qū)地層分區(qū)屬于華北地層大區(qū)（Ⅴ）晉冀魯豫地層區(qū)（Ⅴ4）徐淮地層分區(qū)（Ⅴ124）淮南地層小區(qū)（Ⅴ12－24）。地表被第四系覆蓋，包括上更新統(tǒng)、全新統(tǒng)的粉質(zhì)粘土和粉、細(xì)砂，礦區(qū)由老到新的地層包括：寒武系上統(tǒng)，奧陶系中下統(tǒng)，石炭系上統(tǒng)，二疊系下統(tǒng)、上統(tǒng)，三疊系等地層，石炭系，巖性由灰?guī)r與細(xì)砂巖、泥巖相間組成，底部常有含鋁泥巖，含薄煤2～5層，均不可采，無經(jīng)濟(jì)價(jià)值，為非勘探對(duì)象；二疊系，巖性以砂巖、粉砂巖和泥巖為主，含煤30余層，含煤系數(shù)4.5%，煤層總厚度33.80 m，共有可采煤層13層，平均總厚度27.58 m。

2.4 地質(zhì)構(gòu)造及地震

礦區(qū)在大地構(gòu)造位置上屬中朝準(zhǔn)地臺(tái)的淮河臺(tái)坳，區(qū)域構(gòu)造屬于軸向北西西至近東西向的淮南復(fù)式向斜中的次一級(jí)褶皺謝橋－古溝向斜的兩翼。礦區(qū)內(nèi)斷層共236條。按斷層性質(zhì)分正斷層225條，逆斷層11條；按落差分：≥100 m的12條，50～＜100 m的13條，30～＜50 m的13條，20～＜30 m的29條，10～＜20 m的65條，＜10 m的56條，＜5 m的48條。礦區(qū)地震基本烈度值為Ⅵ度，地震動(dòng)峰值加速度為0.05g，地震活動(dòng)的總體特征是地震活動(dòng)強(qiáng)度弱，頻度低。

2.5 水文地質(zhì)及工程地質(zhì)

礦區(qū)內(nèi)地下水按其含水介質(zhì)可分為第四系松散巖類孔隙水、碎屑巖類裂隙水和碳酸鹽巖裂隙巖溶水三類。由于礦區(qū)大量疏干地下水，第四系松散巖類孔隙水大部分被疏干，碎屑巖類裂隙水和碳酸鹽巖裂隙巖溶水水位埋藏較深且呈下降趨勢(shì)。礦區(qū)內(nèi)地下水的補(bǔ)給主要來自大氣降水和側(cè)向補(bǔ)給，地下水排泄方式主要有煤礦疏干排水、蒸發(fā)、人工開采。

礦區(qū)工程地質(zhì)巖組主要有較軟－較堅(jiān)硬層狀碎屑巖巖組、堅(jiān)硬中－厚層狀碳酸鹽巖巖組、粘性土土體。

3 礦區(qū)開采概況

劉莊井田地理坐標(biāo)為：東經(jīng) 116°07′30″～ 116°20′40″，北緯32°45′00″～32°51′15″之間。劉莊礦東西走向長(zhǎng)約16.0 k m，南北寬3.5～8.0 k m，占地總面積約8 221.14 ha2，東與謝橋煤礦毗鄰。礦井開拓方式為立井、集中大巷、分區(qū)開拓、分區(qū)通風(fēng)、集中出煤。開采方法，原則采用單一走向長(zhǎng)壁采煤法，全部跨落法管理采空區(qū)頂板，東一和西一采區(qū)煤層傾角較小，考慮斷層影響等因素，采用單一傾斜長(zhǎng)壁采煤法。主要開采13層煤層，最大開采深度1 000 m，累計(jì)采厚27.58 m，煤層深厚比約為36，大于30。

4 地面塌陷特征分析

劉莊礦區(qū)地面塌陷主要為采空塌陷。

4.1 采空塌陷地質(zhì)災(zāi)害的特征及危害

劉莊煤礦于2006年10月建成試投產(chǎn)，首采13－1煤，設(shè)置一個(gè)綜放回采工作面，后續(xù)13煤、11煤、8煤等工作面也陸續(xù)進(jìn)行了開采。地下礦層開采后形成了采空區(qū)并進(jìn)而形成采空塌陷區(qū)，根據(jù)地表塌陷影響預(yù)測(cè)，本礦井未來開采結(jié)束后地表塌陷面積約為67.48 k m2，最大塌陷深度約為18.02 m，最大水平移動(dòng)值5.398 mm，垂直水平移動(dòng)均較大，相對(duì)以下沉為主，最大水平變形值17.53 mm／m，最大曲率變形值0.125×10－3mm／m2。其中，首采區(qū)東二采區(qū)地表塌陷影響面積為8.15 k m2，最大塌陷深度為12.6 m，首采區(qū)影響何李、毛圩、大趙、蘭廟等行政村的11個(gè)自然村，影響戶數(shù)1 367戶，5 548人。

本區(qū)采空塌陷強(qiáng)烈發(fā)育，危害主要表現(xiàn)為建筑物的變形、開裂及路基下沉，影響了公路、管線、建筑物等的正常使用，其對(duì)工程建筑的破壞和危害大，產(chǎn)生的后果嚴(yán)重。采空塌陷區(qū)內(nèi)的建筑物開裂、變形及地表下沉變形十分普遍，造成采空塌陷區(qū)內(nèi)大量建筑物報(bào)廢重建，經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重（圖1）。

圖1 礦區(qū)內(nèi)采空塌陷導(dǎo)致民房開裂Fig.1 Cracked houses in the caving zone

4.2 采空塌陷的形成機(jī)制及因素

地下礦層開采后形成了采空區(qū)，其上部巖層失去支撐，隨之產(chǎn)生冒落、彎曲，以致發(fā)展到塌陷、地表變形，形成采空塌陷區(qū)（圖2）。

圖2 礦區(qū)內(nèi)采空塌陷區(qū)Fig.2 Caving zone in the coal mine

人類工程（地下采煤）是引發(fā)采空塌陷地質(zhì)災(zāi)害的主要因素。礦區(qū)投產(chǎn)以來，原則上采用單一走向長(zhǎng)壁采煤法，東一和西一采區(qū)采用單一傾斜長(zhǎng)壁采煤法，采空區(qū)處理大都采用全部跨落法。由于深厚比較大，促使上覆巖層迅速而平穩(wěn)地移動(dòng)，地表下沉值可在短期內(nèi)達(dá)到最大，采空塌陷的幅度、延續(xù)的時(shí)間也與開采深度和采厚直接相關(guān)。采空塌陷形態(tài)為塌陷邊緣塌陷中心傾斜，塌陷坑形狀與采掘工作面基本一致，塌陷深度取決于煤層厚度。

4.3 采空塌陷的危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)分析

依據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》［7]，采用概率積分法來計(jì)算地面的移動(dòng)和變形值，用地表的水平變形、曲率、傾斜值來判斷地表變形程度，從而對(duì)地面塌陷對(duì)地表的影響程度進(jìn)行分析。

4.3.1 參數(shù)值的確定

（1）下沉系數(shù)q

式中，q為下沉系數(shù)；P為覆巖綜合評(píng)價(jià)系數(shù)；mi為覆巖第i分層的法線厚度；Qi為覆巖第i分層的巖性評(píng)價(jià)系數(shù)，從《規(guī)程》［7]查表得到。

求得q＝0.85。

（2）主要影響角正切

式中，D為巖性影響系數(shù)，從《規(guī)程》［7]查表得到。

求得tgβ＝1.6。

（3）水平移動(dòng)系數(shù)

開采礦層時(shí)b＝0.30。

（4）開采影響傳播角

礦層平均傾角為39°，開采影響傳播角：θ＝90－0.68α＝63°。

4.3.2 未來地表變形值計(jì)算

各特征值計(jì)算公式如下：

地面變形穩(wěn)定后的概率積分結(jié)果：

最大下沉值Wcm＝M·q·cosα（Wcm＝18.02 m）

最大傾斜值icm＝Wcm／r（icm＝38.38 mm／m）

最 大 曲 率 值 Kcm＝1.52 Wcm／r2（Kcm＝0.125 10－3mm／m2）

最大水平移動(dòng)值Ucm＝b·Wcm（Ucm＝5.398 mm）

最大水平變形值ξcm＝1.52b·Wcm／r（ξcm＝17.53 mm）

其中，M 為煤層法線采厚，為27.58 m；q為下沉系數(shù)，取0.85；α為煤層平均傾角，取39°；b為水平移動(dòng)系數(shù)，取0.30。

經(jīng)分析研究現(xiàn)有礦山資料，計(jì)算得出目前采空區(qū)可能形成的地表最大下沉值為18.02 m；最大傾斜值為38.38 mm／m；最大曲率變形值0.125×10－3mm／m2；最大水平移動(dòng)值5.398 mm；最大水平變形值17.53 mm／m。預(yù)測(cè)塌陷區(qū)總面積約為67.48 k m2。

采用概率積分法計(jì)算地面的移動(dòng)和變形值，從而繪制出地面塌陷沉降等值線圖（圖3）。

圖3 預(yù)測(cè)地面塌陷區(qū)圖Fig.3 Prediction of ground subsidence

依據(jù)以上分析，按采空塌陷危險(xiǎn)性等級(jí)指標(biāo)（參見表1），將采空塌陷分為采空塌陷危險(xiǎn)性小區(qū)、采空塌陷危險(xiǎn)性中等區(qū)和采空塌陷危險(xiǎn)性大區(qū)，見圖4。

表1 采空塌陷危險(xiǎn)性判定表Table 1 Risk estimation for goaf subsidence

5 地面塌陷穩(wěn)定性分區(qū)

依據(jù)礦區(qū)采空塌陷的特征，對(duì)地面塌陷區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行分區(qū)，并初步判定建設(shè)適宜性，共劃分如下3個(gè)區(qū)（圖4）。

圖4 地面塌陷穩(wěn)定性分區(qū)Fig.4 Zonings by stability

（1）采空塌陷穩(wěn)定區(qū)

面積為6.41 k m2，區(qū)內(nèi)沉陷量＜0.5 m，水平變形＜2 mm／m，傾斜＜3 mm／m，曲率＜0.2 mm／m，不位于煤層露頭上方的抽冒危險(xiǎn)帶內(nèi)，穩(wěn)定，工程建設(shè)遭受采空塌陷地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性為小。

（2）采空塌陷基本穩(wěn)定區(qū)

面積為21.04 k m2，沉陷量0.5～2 m，水平變形2～6 mm／m，傾斜3～10 mm／m，曲率0.2～0.6 mm／m，不位于煤層露頭上方的抽冒危險(xiǎn)帶內(nèi)，基本穩(wěn)定，工程建設(shè)遭受采空塌陷地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性為中等。

本區(qū)可采取工程措施予以處理，進(jìn)行一般低層、多層建筑的工程建設(shè)基本適宜。

（3）采空塌陷不穩(wěn)定區(qū)

面積為40.028 k m2，最大塌陷深度18.02 m，沉陷量＞2 m，水平變形＞6 mm／m，傾斜＞10 mm／m，曲率＞0.6 mm／m，位于煤層露頭上方的抽冒危險(xiǎn)帶內(nèi)，不穩(wěn)定，工程建設(shè)遭受采空塌陷地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性為大。

6 結(jié)語

（1）深入分析和研究礦區(qū)地面塌陷災(zāi)害形成機(jī)理與危險(xiǎn)性，并進(jìn)而綜合評(píng)價(jià)地面塌陷區(qū)穩(wěn)定性，可為礦區(qū)塌陷區(qū)受損土地資源的重新利用和規(guī)劃建設(shè)提供參考，因此具有重要的實(shí)用價(jià)值。

（2）采空塌陷造成的地表變形經(jīng)過較長(zhǎng)的時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定，選用合理的模型雖能進(jìn)行較為精確的預(yù)測(cè)，同時(shí)結(jié)合長(zhǎng)時(shí)期的實(shí)測(cè)工作能獲得足夠的地表變形信息，能為采空塌陷區(qū)穩(wěn)定性的研究評(píng)價(jià)提供更為充分的依據(jù)。

［1]張華盛.國投新集能源股份有限公司劉莊煤礦礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與綜合治理方案［R].安徽水文地質(zhì)工程地質(zhì)公司，2010.

［2]邵軍戰(zhàn).國投新集能源股份有限公司劉莊煤礦礦井地質(zhì)報(bào)告［R].安徽省煤田地質(zhì)局勘查研究院，2011.

［3]建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50007－2002）［S].中華人民共和國建設(shè)部，2002.

［4]國土資發(fā)［2004]69號(hào)，地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估技術(shù)要求（試行）［S].

［5]林宗元.簡(jiǎn)明巖土工程勘察設(shè)計(jì)手冊(cè)［M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003.

［6]常士驃.張?zhí)K民.工程地質(zhì)手冊(cè)（第四版）［M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

［7]國家煤炭工業(yè)局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程［S].煤炭工業(yè)出版社，2002.