唐山市采空塌陷調查及穩定性分析*

劉曉燕，李 忠，袁四化

(防災科技學院， 河北三河市 065201)

0 引言

采空塌陷是指由于地下挖掘形成空間，造成上部巖土層在自重作用下失穩而引起的地面塌陷現象，其發生與煤層的賦存條件(如埋深、產狀、厚度)和開采狀況(層位、深度、圍巖、邊界條件)及自然環境(降雨、地震)等因素有關。一般來說，開采深度越大，變形擴展到地表的時間越長，地面變形越小;開采空間越大，地表變形越大，并逐步擴大形成比采空區更大的沉陷區(盆地)。采空塌陷是一種外生地質災害，破壞耕地，降低土地質量，損壞地面建筑物，危及生命安全，給工農業生產帶來嚴重威脅，并嚴重影響著生態環境。

唐山地區是我國重要的煤炭開采基地，開灤礦務局擁有上百年的開采歷史。該區煤炭大多數產于石炭二疊系地層中，煤層埋藏較深，以地下開采為主［1］。由于該區自然地質條件及多年開采中人為因素的綜合影響，造成唐山礦區地下采空區內沒有足夠的保安礦柱和各層采空區分布不均等原因，使得采空塌陷問題日益突出［2］。因此，對唐山礦區開展采空塌陷調查并分析采空區穩定性具有重要的現實意義。

1 采空區穩定性分析研究現狀

對于采空區穩定性分析，目前應用較多的是有經典唯象學方法、力學方法和數值分析方法。力學方法主要有拱形冒落論和壓力拱說，數值分析法主要有有限元、邊界元、離散單元法、拉格朗日元法、非連續變形分析和流形元法等方法［3］。經典唯象方法具有代表性的是1954年波蘭學者李特維尼申首先提出的開采沉陷的隨機介質理論，后由我國學者發展成為概率積分法［4］。

近年來，隨著信息技術的高速發展，一些新的數學理論和計算方法被用于穩定性評價，如人工神經網絡方法［5］，將采空區穩定性問題看作一個非線性動力系統，利用“多輸入－單輸出”進行模式識別，是應用較為廣泛的一種現代信息處理方法，但是在學習樣本有限時精度無法保證;灰色系統理論在解決“小樣本、貧信息和不確定”問題方面具有優勢［6］，但當原始數據序列波動較大、信息過于分散時，該方法的預測精度將會大幅度降低;模糊數學理論采用隸屬度描述事物的歸屬程度，結合層次分析法確定各因子的權重系數，建立相應的采空區穩定性模糊評判模型［7］，但在評價因素較多時，每一因素取得權重分配的值很小，預期效果將不理想;GIS技術具有很好的空間數據處理特征，尤其在空間圖像處理、成果展示等方面表現優異，在老礦山采空區穩定性評價方面也有很好表現［8］;基于信息融合技術的采空區評價模型，對來自不同渠道的信息進行處理，以改善信息的質量，提高信息的精度，評價預測結果與實際情況吻合很好［9-10］;支持向量機方法在小樣本情況下可以很好地模擬實際情況，具有較好的魯棒性，在采空區地面塌陷預測方面獲得很好應用［11］。

可以看出，目前對采空區穩定性評價方法多以現代信息處理技術為主，沒有形成一個統一的標準。評價指標體系也存在多樣化、不統一的問題，這給礦山采空區穩定性評價帶來困難。

2 唐山市煤礦采空區塌陷特征

2.1 唐山市煤礦采空塌陷概況

目前唐山市有11座開灤集團所屬煤礦和29座地方煤礦，煤田分布面積670多km2，主要分布在路南區、路北區、古冶區、開平區、豐南區、豐潤區及玉田縣境內(見圖1)，所屬構造單元主要為開平向斜、荊各莊向斜及林南倉向斜。除開平向斜西北冀的煤層出露地表外，其它煤層均隱伏于第四系地層之下50～500 m，煤層埋深一般為100～1000 m。煤炭開采方式主要為地下開采，煤炭大量開采使采空區頂板失去支撐，原有的斷裂、裂縫進一步擴展，造成頂板巖石斷裂、冒落，引起地表裂隙、沉陷、坍落，最終發展成地面塌陷。塌陷區一般具有以下特點:塌陷坑深、塌陷坑面積大、塌陷時代久遠，除此之外，塌陷坑所處位置一般為人口稠密區。

圖1 唐山開灤煤礦采空塌陷區分布

據調查，唐山地區煤炭開采造成的采空塌陷共35處，其中僅市區就多達14處，占總塌陷的40%。塌陷規模為巨型的有4處，為大莊坨采空塌陷、劉莊塌陷、西白道子塌陷及荊各莊煤礦采空塌陷，總面積超過60 km2。與前人研究的1995～2004年間采空塌陷造成的重度危害區的分布:路南區女織寨－開平區栗園一帶、開平－古冶區－大莊坨－卑家店－范各莊一帶有較大重疊之處［12］。本次調查塌陷為大型的有7處，中型的3處，小型19處。據不完全統計，直接經濟損失超過2.6億。

在開平區，趙各莊村至古樓莊村塌陷地裂縫造成津唐高速路面產生相距約18 m的兩條裂縫，古樓莊有47戶居民房屋嚴重開裂，地面變形突出。在南湖地區，唐山煤礦采空區地面塌陷導致地表積水坑9處，積水和嚴重變形面積約9.48 km2;因煤礦塌陷導致地裂縫，使農田開裂錯落，錯斷地下水管;穿越鐵路、公路，使路基形成陡坎;跨越河流，使河床變寬，形成蛇曲彎;民房開裂、變形乃至倒塌;貨運鐵路專線嚴重變形等地質災害現象。在馬家溝煤礦采空塌陷區域，包括開平及洼里煤礦一帶，該區域有陡呂鐵路通過及高壓線跨越，有的高壓線塔附近出現裂縫、且裂縫在緩慢加寬。在開灤趙礦采區及南、北窯溝地方煤礦采空區域因塌陷對堿廠及鞠家嶺的輸水管道構成影響;西白道子采空塌陷造成西白道子整個村房屋開裂，部分房屋開裂嚴重。

2.2 唐山市煤礦采空塌陷InSAR動態監測特征

InSAR(Interferometric synthetic aperture radar，InSAR)是一種近年來發展較快，應用較廣的技術。在地面沉降、斷裂探測、地震活動等諸多領域均有很好的應用。本次調查利用該技術對唐山地區的地面沉降實施了動態監測，從2004.11～2010.10監測結果上看(見圖2)，該區地面沉降變形是一個非常緩慢但持續的過程，較強烈的變形區與唐山主要煤礦的分布呈現對應關系，這與已采或正在開采的煤礦采空區致使的上覆巖體正在達到新的應力平衡有一定關系。其中唐山礦、馬家溝礦沉降顯著，最大處平均可約達26 mm/a，這可能與該區斷裂展布有關。而煤礦區之外的地面沉降變形較為強烈的地區可能與唐山地區發育的其他自然災害種類有關，在此不做討論。

圖2 2004.11～2010.10年唐山市沉降速率

3 唐山市采空區穩定性分析

唐山包含煤礦較多，涉及的采空區面積較大，目前關于全面的采空區穩定性分析及治理方面的文獻報道較少，相關的報道多集中在采礦引發的地質災害、治理措施、煤層開采程度等方面。例如，有關趙各莊煤礦的開采現狀及該礦采空沉陷區地質災害發育及成災機理等［13］。

3.1 采空塌陷沉陷規律

地下采煤破壞了巖體內原有的應力平衡狀態，在重力作用下，巖體產生了變形和移動。開采實踐證明，采煤方法和頂板管理方法是影響圍巖應力變化、巖層移動、覆巖破壞的主要因素。用落垛采煤法采煤時，容易造成由于煤柱的抽冒引起地表形成塌陷坑的非連續性破壞。尤其是這種采煤方法容易造成頂板冒落不實，在采空區內形成較大的空洞。這種空洞有時在沒有新的外力作用下可以保留很長的時間。調查顯示，唐山礦區地表沉陷開始時間一般在閉坑后8個月左右，之后進入塌陷期，這個過程大約持續2～3 a時間，地表方趨于穩定。

唐山地區的主要礦井仍在開采，但各礦區停采煤礦已達40～70 a不等，部分礦區地下巖層發生倒轉，傾向西北，且近直立狀。附近采空區多分布在西南側，地下臨空面與巖層傾向相背，此處的采空塌陷波及范圍應與采空區的邊界相當。近幾年周邊地區沒有發生地面不均勻沉降現象。特別是經過1976年唐山大地震，巖層內部空隙得到重新耦合，應力達到新的平衡，地表已穩定。

根據過去對唐山礦開采方法的了解以及對該區下方9、10、11地質剖面圖部分煤層采掘工程平面圖的分析，該處的開采方法主要是采用局部落垛采煤法。鑒于回采時間久，不會再有大的沉陷，更不會產生非連續性的破壞。存在的下沉是類似本溪煤礦的極輕微的殘余下沉。

3.2 采空區穩定性分析

根據我國多年來對巖體和地表移動規律的研究和實踐，一般在下列條件之一的情況下，地面才可能出現突然沉陷:在淺部煤層開采時，煤層采空區上覆巖層的垮落帶波及到地表的情況下，突然下沉將不可避免地發生;在開采淺部急傾斜煤層時，尤其是當煤層的頂底板巖層的硬度較大，而煤層的硬度相對較小的情況下，有可能發生煤層的抽冒;當抽冒波及到地表時，則在煤層露頭處的地表位置將發生突然下沉;在巖體內部存在有大斷層構造的條件下，當煤層開采波及到這個斷層時，由于斷層面是一個軟弱面，斷層帶的破碎巖石沿斷層面向下滑落，則在斷層露頭處的地表有可能發生突然下沉。

3.3 地震對老采空區的影響分析

對于地震對老采空區地面下沉的影響，目前還沒有實測資料。但從理論上分析，對于采空區上方巖體在沒有壓實的情況下，經過地震的作用，可以加快巖體的壓實過程，使得原采空區圍巖應力處于新平衡狀態。調查顯示，1976年唐山7.8級大地震對井下巷道等構筑物破壞很小，地面也沒有出現突發性的震害，這從一個側面說明了評估區內老采空區的分布范圍及規模不大，對地層穩定性影響不大。

4 結論與建議

(1)唐山煤礦采空塌陷的發生，與自然和人為多種誘發因素相關。現場調查和InSAR動態監測結果顯示，唐山地面變形是一個緩慢但持續的過程，強烈變形區與煤礦分布區有一定的對應關系。較為嚴重的采空塌陷主要分布在唐山市中南部京山鐵路兩側以及荊各莊、范各莊、呂家坨等地，具有分布面積廣、規模大、人員傷亡小、經濟損失較大等特點。

(2)唐山的主要煤礦開采歷史久遠，除主采區仍在開采外，大部分已閉坑40～70 a，地表下沉一般開始于閉坑8個月左右，塌陷期持續2～3 a，地表方趨于穩定。尤其唐山大地震之后，巖層內部空隙得到重新耦合，內部應力達到新的平衡，使得地表漸趨穩定，不會造成大面積的沉陷，更不會產生非連續性的地表破壞。

(3)建議加強地球物理探測及地質災害監測與采空區危險性評估工作，對直接威脅居民安全的采空塌陷危險性大的隱患點，采取搬遷避讓措施，以減少人民生命財產損失。

［1］唐山市國土資源局.唐山市礦產資源及開發利用匯編［R］.唐山:國土資源局，2004，12.

［2］田寶柱，陳婷婷.唐山市礦山采空塌陷現狀與治理對策分析［C］//2012工程和商業管理國際學術會議論文集.2012:1636-1638.

［3］寇向宇，賈明濤，王李管，等.基于 CMS及 DIMINE—FLAC3D耦合技術的采空區穩定性分析與評價［J］.礦業工程研究，2010，25(1):31-35.

［4］LIU Hong，HU Qian－ting，WANG Jin－an.Analysis on stability of pillar and stiff roof system in the gob area［J］.Journal of Coal:English，2009，15(2):206-209.

［5］唐勝利，唐 皓，郭 輝.基于BP神經網絡的空洞型采空區穩定性評價研究［J］.西安科技大學學報，2012，32(2):234-239.

［6］薛希龍，王新民，劉 奇，等.基于AHP－灰色聚類模型的采空區危險性分析研究［J］.湖南科技大學學報:自然科學版，2011，26(2):5-10.

［7］王新民，謝盛青，張欽禮.基于模糊數學綜合評判的采空區穩定性分析［J］.昆明理工大學學報:理工版，2010，35(1):9-13.

［8］王 暉，楊為民，王 兵.基于GIS技術的煤礦采空區地表塌陷危險性評判［J］.煤炭工程，2008(9):119-123.

［9］李 忠，張德強，張進德，等.基于信息融合的煤礦采空區穩定性評價模型研究［J］.礦業研究與開發，2008，28(6):16-18.

［10］李 軍，李 忠.老礦區地表巖層穩定性評價的數據融合方法［J］.煤炭科學技術，2009，37(8):116-119.

［11］佴 磊，彭 文，袁明哲，等.基于經驗模態分解和加權最小二乘支持向量機的采空區地面塌陷預測［J］.吉林大學學報:地球科學版，2011，41(3):799-805.

［12］魏風華.河北省唐山市地質災害風險區劃研究［D］.北京:中國地質大學，2006:111-115.

［13］孫 娟，貢常青，郝文輝，等.河北唐山開灤趙各莊煤礦采空區地質災害特征及防治措施［J］.中國地質災害與防治學報，2011，22(3):49-56.