遼寧省東北煤田礦區地表沉陷地質災害危險性分析

劉士秀 孫洪德

[摘要]對遼寧省東北煤田礦區因采礦引發的地面沉降和地面塌陷兩種地質災害進行分析研究,并提出預測方法。

[關鍵詞]煤田礦區地表深陷地質災害危險性分析

中圖分類號:TD-0文獻標識碼:A文章編號:1671-7597(2009)1210144-01

一、礦區地質災害現狀

(一)地質災害類型

隨著煤炭資源的大量采出,采礦引發的地質災害也是顯而易見的,特別是地面沉降與地面塌陷。平均開采萬噸煤地面沉陷面積為6.87畝,地面沉陷與地面塌陷造成了房屋及其他構筑物的變形和破壞。

通過對東北煤田采煤沉陷區及受損村莊地質災害調查,礦區主要地質災害類型為地面沉降、地面塌陷,次要類型為與地面沉陷伴生的地裂縫。

1.采礦地面沉降。采礦地面沉降是指由于采礦引發的地面下降,其特點是下降過程是漸變的,較為緩慢,造成的變化是地面高程的普遍的均勻的降低,對地面的原始形態影響不大,從區域上形成淺而大的平底盆地,面積較大,進行簡單排水,對農耕無大影響。2.采礦地面塌陷。采礦地面塌陷是指由于采礦引發的地面下陷,其特點是在時間上突發或在短期內發生,形成明顯的地形破壞和塌坑,深度較大,面積較小。地面塌陷多出現在采深較淺(60-400m)的礦區,通常塌陷坑內有積水。這里把采礦沉降和采礦塌陷統稱為采礦沉陷。3.采礦地裂縫。本區地裂縫為采煤沉陷的伴生災害,分布在地面沉降、地面塌陷的邊緣。根據地表變形模擬曲線分析,地裂縫多發生在曲線的拐點處,屬于拉張斷裂。4.矸石山崩塌。平地自卸式排矸形成的矸石山,坡度較大,自燃現象普遍。偶爾發生噴爆現象,造成一定規模的矸石山崩塌。近年來,大隆礦區發生過3起矸石山崩塌,崩塌規模較小,影響范圍小。附近村莊的建筑場地未受其危害。礦區主要地質災害類型為地面沉降與地面塌陷(統稱地面沉陷)。

(二)地面沉陷災害特征規律

1.地面沉陷原因。采煤引起地面沉陷:大隆礦為多煤層賦存,而且煤層厚度變化較大。煤層開采引發地應力的重新分布,并在巷道圍巖產生應力集中,使煤層頂板產生變形、斷裂和垮落,整個覆巖的變形破壞和移動,導致地表形成大范圍的沉陷盆地。加之是機械化采煤,開采強度大,多煤層的重復采動,導致地下擾動范圍加大,造成地面大面積沉陷。

礦坑降水引起地面沉陷:當巖土體內的水被疏干后,孔隙水壓力降低,固態巖土所承受的應力將增大,導致巖土體本身的固結壓密,使疏水范圍之內的巖土體壓密引起上部巖土體沉降。這些壓縮層變形后,其周圍原有的應力平衡狀態被破壞,迫使巖層產生移動和變形,以達到新的應力平衡。變形發展到地表,形成一個范圍擴大的地表移動盆地,其中以地面的下沉變形為主,所以又稱為地面沉降。

煤炭開采引起采場覆巖破壞以及上覆巖層的移動變形,導致巖層應力的重新分布,改變巖土體中水的滲流特征,而水的滲透又改變巖土體的應力狀態,最終在地面產生沉陷,引起地面建筑設施的破壞。

2.沉陷規律

(1)礦區地面下沉盆地形成的過程。當回采工作面推進到一定距離時,地面才開始移動,這個距離為開采深度的1/4-1/2。隨著工作面的推進,地面出現移動盆地,且移動盆地逐漸擴大。最大下沉點位于盆地中央,最大下沉值也逐漸增大。當采空區面積達到臨界開采面積時,地面最大下沉值基本不再變化,即形成一個平底的地面移動沉陷盆地。

(2)地面沉陷基本規律。地面移動盆地穩定后主斷面的移動與變形規律分析如下:①下沉曲線:下沉指地表移動的垂直分量。下沉曲線表示地表移動盆地內下沉的分布規律。地表移動沉陷盆地穩定后,盆地走向主斷面的下沉曲線大致位于采空區正上方,且基本以最大下沉點為中心對稱分布。下沉曲線各點的下沉值以盆地邊緣為零點開始向盆地中央逐漸增大。下沉曲線拐點除個別站受相臨采區影響偏向煤柱方向外,其余一般向采空區偏移。拐點處下沉值約為地表最大下沉值的1/2。在非充分采動情況下,地表最大下沉點只有一個,且未達到該地質采礦條件下的最大值。②傾斜曲線:傾斜指地表單位長度內下沉的變化量。傾斜曲線表示地表移動盆地內傾斜的變化規律。地表移動穩定后,下沉盆地的傾斜值在走向主斷面上以最大下沉點為中心近似對稱分布。左半盆地向右傾斜,右半盆地向左傾斜。在下沉曲線的拐點處,傾斜值最大。位于盆地中心點和盆地邊緣處傾斜值為零。在煤層傾斜埋藏條件下,在傾斜主斷面上,傾斜曲線與走向主斷面上的分布規律有所不同,即呈非對稱性。上山方向最大傾斜值大于下山方向最大傾斜值。③水平移動曲線:水平移動是地表移動的水平分量。水平移動曲線是表示地表移動盆地內水平移動分布規律。地表移動穩定后,在走向主斷面的水平移動曲線與傾斜曲線分布形態基本相似。在充分采動條件下,盆底中央的主斷面上形成水平移動零區。而在非充分采動條件下,盆底中央主斷面上只有一個零點。

以上為地表產生連續變形情況下的地表移動與變形規律。

二、沉陷特征

根據《鐵法礦區地表與巖移觀測子資料總結報告》,并考慮大隆礦區的地質與采礦條件,總結出該地區采煤沉陷特征如下:

(1)地表沉陷曲線基本呈正態分布;(2)多數礦井屬于多煤層開采,地面沉陷與變形量大,重復采動次數多,導致地面建筑設施受損嚴重,持續時間長;(3)隨著采深的增加,地表各項變形值減小;(4)礦坑降水進一步擴大沉陷范圍;(5)鐵法煤田開采歷史悠久,老采空區分布范圍大,集中連片,老采空區上部各建(構)筑物及其他設施分布密集;(6)地面沉陷后,地面塌陷坑容易積水,從而對房屋造成損害;(7)地下開采活動導致生活供水水源受到破壞。

三、采煤引起的地面沉陷預測

完成地表移動觀測站觀測成果的整理工作后,應進一步求取該觀測站的預計參數。求取預計參數,均是相對于某一種預計方法而言。根據“三下”采煤規程推薦,預計地表移動與變形時,我國煤礦大致采用以下幾種方法,即典型曲線法、負指數函數法、概率積分法、數值計算法(有限單元法、邊界元法和離散單元法等)。但無論采用什么方法,都應具備相應的計算參數。未經實測資料充分驗證的方法,在預計中不宜采用。常用的方法為概率積分法。

概率積分法是把巖體看作一種隨機介質,把巖層看作由大量松散的顆粒體介質組成,通過隨機介質理論,把巖層移動看作一種服從統計規律的隨機過程,由此研究巖層與地表移動。

四、礦坑降水引起的地面沉陷預測

地下水位以下的巖土體,尤其是松散土體疏干后,土體的有效重度增加,加大受壓層的壓力,周圍原有的應力平衡狀態被破壞,迫使巖土層產生移動和變形,以達到新的應力平衡,這是一個復雜的物理、力學過程,稱為巖層移動。壓縮層直接頂板土層在上覆土層的作用下產生壓縮層變形,其上覆土層也順次產生向下的移動和變形。土層的變形發展到地表,形成一個范圍擴大的地表移動盆地。其中以地面的下沉變形為主,所以又稱為地面沉降。

參考文獻:

[1]何國清、楊倫,礦山開采沉陷學[M].徐州:中國礦業大學出版社,1991.

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[3]黃潤秋、許強等,地質災害過程模擬和過程控制研究[M].北京:科學出版社,2002.