萬利一礦技術改造項目工程建設引發或加劇地質災害危險性的預測評估

摘要：經地面地質災害調查，現狀條件下評估區不存在崩塌、滑坡、泥石流、地面沉降、風蝕沙埋等地質災害，主要存在地裂縫和采空塌陷地質災害。通過對資料分析、計算對工程建設過程中和建成后引發地質災害的可能性及危險性進行評估。預測萬利一礦技術改造項目地面工程建設不會引發或加劇崩塌、滑坡和泥石流等地質災害。井下采煤形成采空區后，可能會引發地面塌陷災害。

關鍵詞：地質災害；引發或加?。活A測評估；地面塌陷

前言

為滿足市場對煤炭需求不斷增長及萬利公司發展的需要，萬利煤炭分公司決定進一步對資源進行整合，充分發揮資源的規模效益。整合改造后的萬利一礦范圍由原萬利一井、二井、昌漢溝井、韓家村井、喬家渠井、添漫梁一、二號井井田等組成，面積約92km2。

1工程概況與征地范圍

1.1工程概況

萬利一礦技改項目井田位于鄂爾多斯市東勝區北約7km處，技改后礦井生產的煤炭擬由包神鐵路韓家村車站裝車外運，交通較為便利。井田南北長約11km，東西寬約9km，面積92km2。地理坐標為東經 ：109°52′42″— 110°02′24″；北緯 ：39°50′09″— 39°58′53″，礦井9層主要可采煤層的煤炭資源地質儲量1659.545Mt，全礦井設計可采儲量639.141Mt。

萬利一礦礦井設計生產能力為年產煤5-8Mt，服務年限為91.3-57.1 年，礦井開拓方式采用主斜井——副平硐綜合開拓方式，在充分利用現有井巷工程的基礎上進行井田開拓布置。即利用原昌汗溝煤礦工業場地的副井平硐及風井，在韓家村火車站附近新增主斜井，煤炭出井后直接上倉裝車外運。

1.2 氣象、水文

1.2.1氣象：多年平均氣溫： 6.3℃；多年平均降水量：357.1mm；多年平均蒸發量：2535mm。最大凍土深度：1.71m（1977年2、3月份）。最大風速：14m/s；大風日數年平均：26d；全年盛行風向：W、NW。

1.2.2水文：萬利一礦井田位于鄂爾多斯高原東勝分水嶺北側，屬黃河流域，評估區包含罕臺川與哈什拉川的部分流域，以中部添漫梁為分水嶺，罕臺川和哈什拉川主溝均在井田之外，其中罕臺川緊靠井田西側，哈什拉川位于井田東部，都為黃河的一級支流，哈什拉川的支溝主要有昌汗溝、馬廠窖溝，罕臺川的支溝有添爾漫溝，鄂勒斯太溝，溝谷兩側發育樹枝狀沖溝，豐水年份有滲出的泉水形成溪流，流量很小，雨季匯集洪流注入黃河。評估區內東南部馬廠窖溝中游有攔洪蓄水的小型水庫，是區內的常年地表水體，面積約0.1km 2，水量變化與降水有直接關系，豐水年份量大，枯水年份量小。

1.3 地形、地貌

1.3.1地形：評估區位于鄂爾多斯高原東北部，地形總趨勢南高北低，因中部南北向區域分水嶺添漫梁的影響，使得區內地形又呈中部高，向東（哈什拉川流域）、向西（罕臺川流域）漸低的趨勢。由于長期遭受風化剝蝕和逕流沖刷，區內溝谷發育，形成典型的剝蝕丘陵地貌。各溝谷兩側發育沖溝，沖溝切割強烈。地形起伏較大，最高點位于評估區中南部添漫梁上，海拔高程1489 m ，最低點位于東部昌汗溝，海拔高程1365m，相對高差一般10-70m左右，最大達100m之多。

1.3.2地貌：評估區地貌按其成因、形態可劃分為剝蝕丘陵、溝谷及風積沙地三類。①剝蝕丘陵：是評估區主體地貌類型，地面高程1400～1589m，相對高差70m。地形起伏不平，沖溝發育。巖性組合為白堊系砂巖、砂礫巖、侏羅系砂巖、粉砂巖、泥巖及煤系地層等，植被較發育。②溝谷：主要河谷為西部添爾漫溝，鄂勒斯太溝，東部昌汗溝、馬廠窖溝，沖溝發育呈樹枝狀分布于各溝谷兩側。主溝谷斷面大都呈“U”型，局部源頭處及小沖溝斷面呈“V”型，溝床相對較平坦，兩側谷坡緩傾，局部陡傾，基巖裸露明顯。均為季節性排洪河谷。巖性組合為沖洪積中粗砂及礫砂層，松散層厚度一般0.8～5.2m。③風積沙地：零星分布于評估區的西南部一帶，分布范圍較小，地形起伏不平，地表植被較發育，為固定、半固定沙丘，巖性組合為風積粉砂、細砂，厚度一般0.5～3.3m。

2地質構造與區域地殼穩定性

2.1地質構造：井田處于華北地臺鄂爾多斯臺向斜東勝隆起區之東北部，沉積基底為三迭系，基本構造形態為一向南西傾斜的單斜構造，地層產狀平緩，傾角一般小于3度，褶曲不發育，僅沿走向有寬緩的波狀起伏。沒有發現斷距大于20m的斷層，無巖漿巖侵入，亦無巖溶陷落柱存在。但淺部小型斷層還是存在的，落差一般小于10m。井田屬于較簡單地質構造類型，即Ⅱa型。

2.2區域地殼穩定性：根據《中國地震動峰值加速度區劃圖》（GB18306—2001），該區的地震基本烈度為7度，相應地震動峰值加速度為0.10g。歷史最大地震震級不超過4級。區域強震多集中表現在由銀～呼裂谷控制的銀川～五原～呼市一帶，和由汾～渭裂谷控制的西安～太原一線，震中部位多集中在深大斷裂的復合相交部位，對本區影響弱，地震反應不靈敏。綜上所述，評估區內地質構造簡單，地震活動弱，地殼穩定。

3工程地質條件

3.1巖土體類型：評估區內出露和揭露的地層主要有第四系地層、白堊系地層、侏羅系地層和三疊系地層。根據地層巖性和結構特征，區內巖土體類型可分為：硬質巖類、軟質巖類和砂性土類。

3.2巖土體工程地質特征：①硬質巖類；主要是三疊系和侏羅系砂巖、粉砂巖地層，地表無出露，結構致密，質硬，承載力高，工程地質條件好。②軟質巖類：主要是風化的侏羅系和白堊系砂巖、泥巖和粉砂質泥巖地層，由于風化，結構疏松，易碎，承載力偏低。③砂性土類：主要為第四系沖積洪積層和黃土狀土和風積砂，沖積洪積層分布在溝谷中，結構松散，為砂礫石層；黃土狀土零星分布于溝谷源頭及溝谷兩岸，黃土狀土具垂直節理，穩定性差，容易垮塌；故工程地質條件較差；風積砂分布在評估區東南部的郝什家一帶。

4工程建設引發或加劇地質災害危險性的預測

萬利一礦技術改造項目工程建設主要為井下采煤工程，其次為工業場地、排矸石場地等地面工程。

4.1地面建設工程

工業場地：萬利一礦技改項目工業場地為二塊，前期利用昌汗溝工業場地加以擴建；后期新建主斜井工業場地，位于井田中西部的海子溝北岸，后期原昌汗溝工業場地作為副井平硐場地。①原昌汗溝工業場地：位于昌汗溝一支溝的入匯處，地形較平坦，地勢西部略高，場地擴建時周邊會形成小于5m的切坡，切后坡體為白堊系及侏羅系砂巖、砂質泥巖，地層產狀近似水平、較穩定，邊坡穩定性好，不會成為不穩定邊坡。②新建海子溝工業場地：位于海子溝北岸，地形北高南低，東高西低，海拔高度1395~1420m，建設基準面為1398m和1410m，工程建設存在高切坡，最大高度10 m左右，切坡為二級設置，切后坡體為白堊系及侏羅系砂巖、砂質泥巖，地層產狀近似水平、較穩定，邊坡穩定性好，不會成為不穩定邊坡。 ③排矸場地：位于海子溝工業場地東北1.5km處的一個較寬溝谷內，儲存選煤廠洗選出來的矸石等。礦井掘進矸石一般不出井，回填采空區。本工程主要工程是筑攔石壩，沒有挖方工程，不會形成高切坡。④進場及排矸公路：進場及排矸公路是在原有的小路上進行改擴建，沒有大的挖方工程，也不會形成高切坡。

可見地面工程建設不會引發崩塌、滑坡和泥石流等地質災害。評估區現狀條件下的地質災害距地面工程較遠，地面工程建設不會加劇該類災害的危險性。綜上所述，地面工程建設不會引發或加劇崩塌、滑坡和泥石流等地質災害。

4.2井下采煤工程

井下采煤形成采空區后，可能會引發地面塌陷災害。

4.2.1地面塌陷災害的預測：本井田可采煤層計有9個煤組，各煤層的賦存情況在井田內差別較大。為保證各煤層之間的聯絡工程量小，各煤組之間有較均衡的儲量和服務年限，可研將所有的煤層分成三組，即上煤組（主要包括2-2上、2-2中、3-1煤層），中煤組（主要包括4-1上、4-1、4-2中煤層）和下煤組（主要包括5-1、6-1上、6-2中煤層）。

據收集的煤勘孔資料，分別計算了每個鉆孔的煤層采深采厚比值，計算方法為：煤層厚度m/煤層頂板深度m（煤層厚度為大于0.8m的可采煤層厚度之和。煤層頂板深度取各可采煤層頂板深度的算術平均值）。并按采深采厚比大于30為地面沉陷區，采深采厚比小于30為地面塌陷區，30~20之間作為危險性中等區；小于20作為危險性大區。預測評估如下：（1）開采頂層煤時：本井田各煤層的賦存情況在井田內差別較大，分布不均，把厚度大于0.8m的單層可采煤層作為頂層煤，采深采厚比值在4.0～157.7之間。當頂層煤開采后，區內西北部小面積、東部大面積發生地面塌陷外，全區大部為地面沉陷區。（2）開采上組煤層時：本井田上組煤層包括2-2上、2-2中、3-1三個可采煤層，采深采厚比值在4.0～76.8之間。當上組煤層開采后，區內除中南部發生地面沉陷外，全區大部為地面塌陷區。（3）開采中組煤層時：采深采厚比值在7.1～67.4之間。全區大部為地面塌陷區。（4）開采下組煤層時：本井田下組煤層包括5-1、6-1上、6-2中三個可采煤層，采深采厚比值在10.7～55.3之間。全區大部為地面塌陷區。（5）當煤層綜合開采時：煤層厚度取大于0.8m的可采煤層厚度之和，厚度在5.08～28.68m之間，頂板埋深取中組煤層的頂板深度值。經計算，采深采厚比值在2.2～17.3之間。當區內煤層綜合開采后，全區為地面塌陷區。綜上所述，評估區內因井下采煤產生采空區后，會引發地面塌陷災害，為地面塌陷型。

4.2.2煤層采空區地面塌陷變形預測：煤層采空區發生地面塌陷變形，可能會造成房屋、道路、輸電線路等到被破壞。采空區產生的導水裂隙帶可能會與上覆基巖風化裂隙帶貫通，導致上部含水層發生滲漏， 水源被疏干、破壞。

（1）地表變形量預測：本次評估對整個井田開采后計算預測地表移動和變形的特征值。計算公式選擇適用于本井田緩傾斜煤層充分采動時的Budryk-Knothe（布得雷克—克諾特）方法（工程地質手冊784頁），計算公式如下：

η0=q0M、r = H/tanβ、i0=η0/r

K0=±η0/r2、ξ0=bη0、ε0=±1.52i0b

據神東大柳塔礦區監測成果，本井田為重復采動，下沉系數q0值取0.60。

本煤礦煤層綜合開采時，開采深度下組煤層在88.00～308.01m之間：東邊界131.83～163.13m，西邊界205.47～285.59m，南邊界192.82～308.01m，北邊界88.00～102.75m。

移動角β，本煤礦為多層重復采動，故tanβ取值為2.4。水平移動系數b據大柳塔煤田資料取值0.31。

將上述數據代入公式，求得地面影響區的半徑：東邊界61.45m，西邊界102.30m，南邊界104.3m，北邊界39.74m。

可見，井田開采對地表變形影響較大。對整個井田(平均采煤厚度)而言，其下沉值為10.44m，最大傾斜值為99.43mm/m，最大曲率值±0.9469mm/m2，最大水平移動值3.236m，最大水平變形值±46.85mm/m。對井田局部(最大煤層厚度) 而言，預測最大下沉值可達17.21m，最大傾斜值為163.90mm/m，最大曲率值±1.561mm/m2，最大水平移動值5.335m，最大水平變形值±77.23mm/m。

由于煤礦開采引發地面塌陷沉降，預測使西南部地區最大沉降值達到17~18m，中部地區沉降值10m左右，這樣會導致地表逕流微環境發生變化，局部地段匯集地表逕流形成低洼灘地。

（2）采空區地表變形引起地面建筑物變形的預測：《巖土工程勘察規范》第5.5.5條規定，采空區宜根據開采情況、地表移動盆地特征和變形大小，劃分為不宜建筑的場地和相對穩定的場地。本井田(平均采煤厚度)最大傾斜值為99.43mm/m，最大曲率值±0.9469mm/m2，大于規范規定的指標，地表沉陷變形對房屋的破壞程度是比較大的。因此，井田開采各盤區范圍內不宜作為建筑場地，或者說各盤區范圍內的建筑場地下面不宜開采。

4.2.3采空區覆巖移動變形可能波及上覆含水層疏干的預測： 分布于區內各溝谷中的第四系孔隙潛水含水層富水性弱~中等，是礦區內的主要含水層，為本區農業灌溉和居民生活用水的主要來源。該含水層水位埋藏淺，主要接受大氣降水補給，雖含水量較小，但水質較為理想。志丹群、侏羅系中統含水層的富水性弱，煤系地層上部隔水層的隔水性能較好。

井田開采后，采空區圍巖應力發生變化，主要是頂板陷落，產生冒落帶、導水裂隙帶和彎曲變形帶。其中導水裂隙帶有可能溝通上下含水層，引起上部含水層水位下降，甚至疏干，礦井內會出現大量涌水。本次評估計算了煤層開采時產生的最大導水裂隙帶高度（或者稱其為厚度）。計算公式如下：

Hf＝5.1+100M／（3.3 n+3.8）

式中：Hf—導水裂隙帶最大高度（m）；

M—累計采厚（m）； n—煤分層層數。

計算公式適用范圍為煤層傾角0°-54°，巖石抗壓強度20—40Mpa，頂板管理方法為全部陷落，與本井田各煤層條件基本一致。

萬利井田綜采后，最大導水裂隙帶高度為119.80 m，導水裂隙帶高度（最大值的）平均值在53.53～118.47 m之間。考慮基巖頂部風化裂隙帶厚度，據地質報告統計資料，本區煤層的風化帶斜深為28m左右，垂深平均18.28m，本區域取經驗值30 m，其綜合裂隙帶厚度（導水裂隙帶與風化裂隙帶厚度之和）最大為148.47 m，最小為83.53 m。井田開采煤層頂板深度取中組煤層頂板深度的平均值，煤層埋深在43.87～211.07m之間。計算結果ZK001、008、408、ZK303、ZK1507、W15、1703等7個孔處，綜合裂隙帶上竄的高度大于此處煤層頂板深度，會溝通頂部溝谷潛水含水層，從而破壞溝谷潛水水源地。具體地說，評估區內因地下采煤會導致北部邊界處的添爾曼溝、武家溝和東南部馬廠窯溝一帶的溝谷含水層潛水的滲漏。其余余地區不存在溝通頂部含水層、破壞水源地的問題。

結論

1、評估區內現狀條件下存在地面塌陷、地裂縫災害，現狀評估認為地裂縫災害發育規模小，危害程度小，造成的損失小，危險性小。

2、預測評估認為：工程建設可能會引發地面塌陷災害，根據采深采厚比值具體確定為地面塌陷型。工程建設本身可能遭受的地質災害也是地面塌陷災害。地面塌陷災害表現為地面塌陷型，預測發生地面塌陷將是各開采盤區的工程勘察有限責任公司， 2 0 08 ．

范圍。其面積預測為83.837 km2。

參考文獻：

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