孟和，尚彥軍，牛寧寧，伊學濤，許濤

（1.新疆工程學院新疆地質災害防治重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830023；2.中國科學院地質與地球物理研究所頁巖氣與地質工程重點實驗室，北京 100029；3.中國科學院大學，北京 100049；4.晉城藍焰煤業(yè)股份有限公司成莊礦，山西 晉城 048000）

隨著我國經濟社會迅速發(fā)展，礦產資源開采量不斷擴大，形成大面積采空區(qū)。據(jù)初步統(tǒng)計，截至2015年底，全國地下礦山開采共形成12.8×108m3采空區(qū)，分布在28個省（市、區(qū)）[1]。據(jù)新疆礦山遙感調查結果，截至2014年采空塌陷區(qū)共計101個，占全部礦山地質災害（隱患）的54.3%。采空塌陷是新疆數(shù)量最多、分布最廣、危害最大的礦山地質災害，且采空塌陷全為能源礦山開采引發(fā)，表明煤礦是誘發(fā)新疆礦山地質災害的主要原因[2]。我國每采萬噸煤，平均地表下沉面積約0.2 hm2。目前由地下開采引起的地表塌陷面積達50×104hm2，每年新增沉陷面積4×104hm2以上[3]。截至2005年我國因采空塌陷造成的經濟損失累計超過500×108元[4]。新疆為我國重要能源接續(xù)區(qū)和戰(zhàn)略儲備區(qū)，近年來隨著國家“一帶一路”戰(zhàn)略的實施，煤炭行業(yè)迎來前所未有的發(fā)展機遇。大規(guī)模地下開采，導致采空區(qū)面積快速增加，使原本脆弱的生態(tài)環(huán)境受到嚴重破壞。

1 不同地區(qū)煤礦采空區(qū)地質災害特征

據(jù)遙感調查結果，截至2014 年底新疆礦山土地占損面積共計124 396.5 hm2，其中采空塌陷區(qū)1 249.79 hm2。從空間分布上看，新疆礦山地質災害主要集中在北疆伊犁盆地、烏魯木齊東部和南部山區(qū)及南疆塔里木北緣等煤炭資源豐富地區(qū)，煤礦采空塌陷問題突出[2,5]。新疆不同地區(qū)地質環(huán)境差異巨大，采礦方法與開采歷史不盡相同，使各地區(qū)煤礦采空區(qū)地質災害特征顯著不同。

1.1 庫拜煤田

庫拜煤田俄霍布拉克礦區(qū)和阿艾礦區(qū)位于塔里木北緣地區(qū)，為兩個國家級規(guī)劃礦區(qū)。俄霍布拉克礦區(qū)內某煤礦位于庫車市城區(qū)北部約69 km 處，礦區(qū)地表褐黃色砂巖、粉砂巖、泥巖互層巖體裸露，局部覆蓋以礫石和少量黏土、亞砂土松散堆積為主的第四系沖洪積物，碎石、滾石及黏土等松散狀堆積為主的第四系殘積物（圖1-a）[6]。該礦山采用走向長壁綜合機械化采煤方法，全部垮落式管理頂板，開采規(guī)模較大。由此形成與采空區(qū)相一致，規(guī)模較大的地表塌陷及地裂縫。該礦區(qū)地形平緩，地表裸露，降水量稀少，無地表徑流，因此不具泥石流、滑坡誘發(fā)條件。據(jù)現(xiàn)場調查，井田東翼地表塌陷深0.3～1.2 m，伴生數(shù)條與煤層走向一致的裂縫帶，寬0.1～0.5 m，深0.8～1.2 m（圖1-b，c）；井田西翼地表塌陷深0.3～0.8 m，見若干條沿煤層走向的裂縫帶，寬0.3～0.8 m，深0.8～1.2 m；井田內還發(fā)育部分順基巖原生結構面延伸的地裂縫，寬0.02～0.05 m，兩盤垂向錯動約0.03 m（圖1-d）。目前，礦山利用采出煤矸石及地表取土進行回填。隨井下重復采動及范圍的擴大，地表塌陷及伴生裂縫范圍不斷加大、加深。

圖1 俄霍布拉克礦區(qū)某煤礦采空區(qū)地質災害情況Fig.1 Geohazards in goaf of a coal mine in Ehuobulake mining area

阿艾礦區(qū)位于庫車城區(qū)北部90 km 處，屬天山南麓中低山區(qū)，以裸露砂巖構成的風蝕地貌為主，極少第四系覆蓋[7]。礦區(qū)內某煤礦，采用走向長壁綜采放頂煤開采工藝，采空區(qū)內形成規(guī)模較大的地表塌陷及數(shù)條地裂縫帶。該礦區(qū)氣候干旱，地表基巖裸露，植被稀少，與俄霍布拉克礦區(qū)相似，不具泥石流、滑坡等地質災害發(fā)育條件。據(jù)現(xiàn)場調查，采空區(qū)地質災害主要以地裂縫為主，延伸長5～15 m，基本與工作面推進方向一致。最大寬約0.5 m，兩盤垂向錯動0.01～0.03 m，裂縫平直，無充填，未發(fā)現(xiàn)明顯塌陷坑（圖2-a，b）。礦山主要以地表取土結合發(fā)泡材料進行充填，治理效果較好（圖2-c）。該煤礦采空區(qū)流水沖溝內見有一擋水壩，因地裂縫發(fā)生拉張破壞（圖2-d）。

圖2 阿艾礦區(qū)某煤礦采空區(qū)地質災害情況Fig.2 Geohazards in goaf of a coal mine in Aai mining area

1.2 伊犁煤田

伊犁煤田皮里青礦區(qū)是新疆煤炭資源重要基地之一，位于伊寧縣城北4 km處。礦區(qū)屬低山丘陵地貌，地表多由第四系松散堆積層覆蓋，表層主要為褐黃或灰黃色粉質黏土、砂質黏土，下部為沖洪積砂礫石層，礫石多呈次棱角狀，結構松散[8-9]。研究區(qū)某煤礦由于井田開采歷史長，老舊礦井數(shù)量眾多，巷道式及房式、房柱采煤法及炮采工藝使地下采空區(qū)錯綜復雜，地表塌陷劇烈，形成大范圍地裂縫。礦區(qū)地處伊犁河谷，降水豐富，地形變化較大，具誘發(fā)滑坡的基本條件。區(qū)內第四系松散堆積層下伏古近—新近系碎屑巖類，多呈碎塊狀，構成潛在滑動面。據(jù)現(xiàn)場調查，該煤礦采空區(qū)地表塌陷多呈近圓狀或橢圓狀，直徑20～40 m，深3～10 m，地表塌陷四周發(fā)育地裂縫。地裂縫以拉張裂縫及臺階狀裂縫為主，裂縫兩盤垂向錯動距離0.1～0.3 m（圖3-a,b）。采空區(qū)一臨公路斜坡受采動工程影響發(fā)育滑坡3 處（圖3-c），HP1主滑方向264°，斜長約390 m，坡角20°。滑坡形成2處滑坡臺階，從上到下寬度分別為45 m、40 m?；潞蟊诔雎陡呒s12 m，上部出露灰黃色粉質黏土，厚1～2 m，中-上部為紅褐色黏土，厚約3 m，中-下部為沖洪積砂礫石層，厚約1 m；下部可見砂礫巖，強風化，出露厚度約6 m（圖3-d）?；潞缶壌嬖诙鄺l拉張裂縫，走向32°，寬0.1～0.3 m，延伸長約30 m，存在繼續(xù)滑坡的隱患（圖3-e）。

圖3 皮里青礦區(qū)某煤礦采空區(qū)地質災害情況Fig.3 Geohazards in goaf of a coal mine in Piliqing mining area

1.3 準南煤田

準南煤田白楊河礦區(qū)位于呼圖壁縣城西南70 km，是天山北坡經濟帶煤炭生產基地。礦區(qū)地處天山北麓中低山區(qū)，屬山區(qū)向內陸干旱盆地過渡氣候，降水量較多。礦區(qū)內山北坡地形坡度較緩，為15°～20°，坡面多被第四系黃土覆蓋。山南坡坡度較陡，坡度多在45°以上，巖石裸露[10]。該礦區(qū)某煤礦采用走向長壁綜合機械化采煤方法，頂板全部跨落管理，開采規(guī)模較大。采空區(qū)內見規(guī)模較大的地裂縫帶，但地表未出現(xiàn)明顯大范圍或連片式塌陷。礦區(qū)內山北坡分布第四系松散堆積層，主要為淺黃色砂土、礫石等。地表有腐植土層、植被，結構松散。該礦區(qū)降水豐富，屬中低山區(qū)，地形變化較大，故采空區(qū)內誘發(fā)了滑坡災害。據(jù)現(xiàn)場調查，該煤礦井田西翼見地裂縫帶6 條，延伸方向不確定，主要為拉張裂隙，寬0.05～0.3 m，兩盤垂向錯動0.05～0.1 m。礦山對地裂縫采取就地取土回填，對地表塌陷坑采用投入矸石，鋪置砂卵石，再鋪砂，經下沉壓密后用黏土夯實補平的方法修復。還發(fā)現(xiàn)2 處滑坡，HP1：滑坡后壁出露破碎基巖，推測受斷層控制，高約5 m，主滑方向25°，斜長約210 m，坡角約15°（圖4-a）。該煤礦工業(yè)廣場運煤公路邊坡處該斷層延伸出露，顯示為正斷層，斷距約1 m，斷層面寬約2 m，斷層影響帶寬約9 m。斷層影響帶內節(jié)理發(fā)育，實測節(jié)理密度5條/m（圖4-b），滑坡坡腳下巖石強烈破碎，發(fā)育兩組節(jié)理走向分別為40°、120°；HP2：主滑方向20°，斜長600 m以上，坡角約18°。該滑坡正處于蠕滑變形階段，滑坡后緣出現(xiàn)弧形拉張裂縫（圖4-c），見地下水滲出，滑坡西側壁疑似受斷層控制（圖4-d）。

圖4 白楊河礦區(qū)某煤礦采空區(qū)地質災害情況Fig.4 Geohazards in goaf of a coal mine in Baiyanghe mining area

2 不同地區(qū)煤礦采空區(qū)地質災害特征差異性成因機制

經現(xiàn)場調查，對比地處新疆南北疆不同地區(qū)庫拜煤田俄霍布拉克礦區(qū)、阿艾礦區(qū)及伊犁煤田皮里青礦區(qū)、準南煤田白楊河礦區(qū)采空區(qū)地質災害特征，由于地質環(huán)境、采煤方法及開采歷史不同，煤礦采空區(qū)地質災害成因機制多樣，特征差異性明顯。

2.1 新疆南北疆氣候差異及地表松散堆積物情況決定了采空區(qū)地質災害發(fā)育類型

位于天山南麓的庫拜煤田俄霍布拉克礦區(qū)、阿艾礦區(qū)，屬典型大陸性沙漠干旱氣候，蒸發(fā)量大，降水量少，年均降水量僅73.5 mm，年均蒸發(fā)量1 515.5 mm。區(qū)內地下水主要為基巖孔隙裂隙水，含量較少。干旱氣候和貧瘠礫石戈壁環(huán)境使礦區(qū)植被貧乏、結構簡單，大部分區(qū)域無第四系覆蓋，基巖裸露。這種條件下地下開采形成崩塌、滑坡等災害程度較弱，地表塌陷、地裂縫為煤礦采空區(qū)主要地質災害（圖5-a）。伊犁河谷地區(qū)的伊犁煤田皮里青礦區(qū)及位于天山北麓的準南煤田白楊河礦區(qū)，氣候相對濕潤，年均降水量分別為428.1 mm、421.5 mm[10-11]，且存在常流河順地層滲漏或側向補給地下，形成第四系孔隙潛水。每年10月降雪，次年3～4月消融，強凍融循環(huán)作用加速了風化破壞。礦區(qū)溝谷、斜坡、階地等較低平地帶，分布著以黃土及沖洪積砂礫石為主的第四系松散堆積物。這種條件下地下開采形成的地裂縫引起地表松散堆積物變形，具誘發(fā)滑坡等地質災害的條件（圖5-b）。

2.2 松散堆積物厚度及地表水對裂縫帶的下滲潛蝕影響采空區(qū)地表塌陷、地裂縫的發(fā)展演化

采空區(qū)形成后，黃土在未遇水時具一定強度。當?shù)乇砀采w以黃土為主的第四系松散堆積層時，上覆松散堆積層不會立即垮落，遇水后，其強度降低，逐步形成地裂縫及地表塌陷等[12]。準南煤田白楊河礦區(qū)見地表塌陷往往滯后于煤層回采后較長時間，常引起地表塌陷的滯后效應，地表覆蓋黃土層厚度越大，引起滯后效應時間越長。位于伊犁河谷的伊犁煤田皮里青礦區(qū)，地表水在匯集下滲過程中黃土等松散堆積層經水理作用后崩解、泥化。粉土顆粒黏性較小，在滲流作用下極易松散。地裂縫兩側粉土顆粒被帶至下伏采空區(qū)，使地裂縫進一步擴大，發(fā)展為集中滲流-管道流（圖5-b），為地裂縫擴展演化形成塌陷坑、滑坡提供了必要水動力條件。

圖5 地表松散堆積層情況不同影響采空區(qū)地質災害發(fā)育類型Fig.5 Different development of surface loose deposits affect the types of geohazards in goaf

2.3 煤層地質特征與開采方式導致采空塌陷與地裂縫發(fā)育特征不同

采用長壁式綜合機械化采煤的煤礦，由于開采規(guī)模較大，采空區(qū)上方易形成規(guī)模較大、與采空區(qū)近一致的采空塌陷及沿工作面走向發(fā)育的地裂縫條帶。當煤層屬中-緩傾斜煤層時，地表受拉伸變形，產生楔形地裂縫，一般平行于采區(qū)邊界，寬數(shù)厘米，深數(shù)米，呈楔形，開口淺部較大，向深變?。▓D6-a）。如在庫拜煤田俄霍布拉克礦區(qū)、阿艾礦區(qū)就多發(fā)育沿工作面走向分布的楔形地裂縫。隨煤礦生產開拓，當多層組合煤層開采時，地表出現(xiàn)范圍較大的中央底面平坦，邊緣呈多級臺階狀塌陷盆地。在伊犁煤田皮里青礦區(qū)，開采歷史較長，以巷道式及房柱式采煤法為主的老窯數(shù)量較多。因采深較淺，薄頂板覆巖垮落形成漏斗狀地表塌陷，一般呈圓形或橢圓形，直徑從幾米至幾十米，深幾米至幾十米不等，塌陷漏斗四周形成拉張力，產生地裂縫。當開采淺部厚煤層時，局部可出現(xiàn)槽型塌陷（圖6-b）。

圖6 煤層地質特征與開采方式影響采空塌陷與地裂縫發(fā)育特征Fig.6 Geological characteristics and mining methods of coal seams influence goaf collapse and ground fissure development characteristics

2.4 地質構造情況影響采空區(qū)地質災害發(fā)育程度與延伸規(guī)模

當采空區(qū)覆巖中有斷層存在時，斷層處巖體強度遠低于周圍巖體。故近采空區(qū)一側巖體易沿斷層面大幅度滑動，延伸至地表可見斷層在地表的露頭處出現(xiàn)明顯破碎塌陷。發(fā)育的地裂縫一般處在斷層地表露頭方位，開始表現(xiàn)為地表開裂，之后逐漸發(fā)展為臺階狀塌陷。當斷層面傾向與采動裂隙傾向一致，且傾角大于采動裂隙傾角或斷層面傾向與采動裂隙傾向相反時，地表露頭處形成明顯破碎塌陷；當斷層傾向和采動裂隙傾向一致，斷層面傾角小于采動裂隙傾角情況下，斷層處巖層如不發(fā)生滑動則地表不會明顯破碎塌陷（圖7）[13]。同時區(qū)內斷層對采空區(qū)滑坡邊界具一定控制作用。如：準南煤田白楊河礦區(qū)某煤礦采空區(qū)，HP1 受SE 走向正斷層影響，后壁基巖破碎，HP2 西側壁推測受區(qū)域內NE走向斷層控制。HP1 坡腳處基巖強烈破碎，發(fā)育兩組節(jié)理走向分別為40°、120°，與區(qū)域內斷層走向具較好一致性。

圖7 煤礦采空區(qū)斷層地表露頭處形成臺階狀塌陷示意圖Fig.7 Sketch map of step collapse formed at the fault surface outcrop in the goaf of the coal mine

3 結論與防治建議

（1）新疆煤礦采空區(qū)主要地質災害為井下開采造成的地表塌陷與地裂縫。受氣候條件影響，降雨較豐富、地表第四系堆積層覆蓋地區(qū)，地表塌陷、地裂縫引起地面變形易引發(fā)滑坡、泥石流災害。

（2）目前新疆煤礦普遍采用長壁式綜合機械化采煤法，采空區(qū)頂板暴露面積較大，易產生規(guī)模較大的采空塌陷與地裂縫。地裂縫不單一出現(xiàn)，而是在臨近區(qū)出現(xiàn)多條地裂縫，且走向多與煤層走向一致。一些開采歷史較長地區(qū)，老窯數(shù)量多，采空塌陷規(guī)律復雜，老舊礦井多采用巷道式及房式、房柱采煤法開采淺埋煤層，使地表出現(xiàn)塌陷坑，并在塌陷坑四周形成地裂縫。

（3）斷層對采空區(qū)地質災害具控制作用，一是在斷層地表露頭處易產生較破碎的臺階狀塌陷；二是斷層影響采空區(qū)地表塌陷的規(guī)模與滑坡的延伸。