榆神礦區(qū)大砭窯煤礦地面塌陷與地裂縫發(fā)育規(guī)律*

彭 捷 李永紅 劉海南 向茂西 姚超偉 杜江麗 仵撥云

（陜西省地質環(huán)境監(jiān)測總站，陜西省西安市，710054）

榆神礦區(qū)大砭窯煤礦地面塌陷與地裂縫發(fā)育規(guī)律*

彭 捷 李永紅 劉海南 向茂西 姚超偉 杜江麗 仵撥云

（陜西省地質環(huán)境監(jiān)測總站，陜西省西安市，710054）

調(diào)查了榆神礦區(qū)大砭窯煤礦地面塌陷及地裂縫現(xiàn)狀，以煤礦開采的歷史、區(qū)域地質概況及煤層開采情況為背景論述并總結了采空區(qū)分布范圍、地面塌陷和地裂縫分布特征。研究了大砭窯煤礦以房柱式開采和機械綜采兩種不同開采方式引發(fā)地面塌陷和地裂縫的展布規(guī)律，并將礦區(qū)劃分為高、中兩個易發(fā)區(qū)。根據(jù)地質災害易發(fā)程度和區(qū)內(nèi)地質災害點險情等級，將礦區(qū)劃分為地質災害高危險區(qū)和低危險區(qū)。

地面塌陷 地裂縫 高強度采煤 榆神礦區(qū) 大砭窯煤礦

煤炭資源集中連片開采會導致地面塌陷、地裂縫、泉水干涸及河流斷流，且開采強度與地質災害發(fā)育程度具有明顯的關系。榆神礦區(qū)地處毛烏素沙漠與陜北黃土高原的交接地帶，干旱少雨、風沙大、植被覆蓋率低、水土流失嚴重，地質環(huán)境脆弱。隨著煤炭資源的大規(guī)模持續(xù)開采，礦區(qū)范圍內(nèi)形成了大面積的地下采空區(qū)，誘發(fā)產(chǎn)生了地面塌陷及地裂縫等地質災害，造成了地表建筑物破壞，土地資源、林地資源、地質地貌景觀破壞以及地下水、地表水資源污染破壞等嚴重問題。因此，選取典型礦區(qū)大砭窯煤礦，研究其地面塌陷及地裂縫的發(fā)育特征，為礦區(qū)居民安全搬遷避讓及礦山地質環(huán)境恢復治理提供參考。

1　煤炭資源開發(fā)現(xiàn)狀

神木縣位于陜西省北部，地處神府—東勝煤田腹地，面積7635 km2，礦產(chǎn)資源主要以煤炭資源為主，全縣含煤面積達4500 km2，占全縣總面積59%。根據(jù)相關資料和實地調(diào)查，神木縣目前共有煤礦企業(yè)117個，主要分布在大柳塔鎮(zhèn)、孫家岔鎮(zhèn)、店塔鎮(zhèn)等。長期的煤炭資源開發(fā)和特殊的氣候條件、地理條件、地表物質組成條件使本就脆弱的生態(tài)環(huán)境、地質環(huán)境變得更加惡劣。截至2014年10月，全縣采空區(qū)面積達414.5 km2，采空區(qū)導致的地質災害類型有塌陷、崩塌、滑坡、泥石流等，其中最主要的地質災害為地面塌陷及地裂縫。

大砭窯煤礦位于神木縣以東西溝鄉(xiāng)一帶，礦區(qū)面積為25.4088 km2，截至2013年6月，已開采5-2煤層形成的采空區(qū)面積達4.54 km2。

2　地面塌陷及地裂縫發(fā)育規(guī)律

2.1地質概況

大砭窯煤礦位于榆神礦區(qū)東部，地貌單元以黃土梁峁區(qū)為主，有少量沙土沉積，地表基本被第四系黃土所覆蓋。除較大溝谷兩側有基巖出露外，煤礦范圍內(nèi)地表均被第四系、新近系沉積物覆蓋。地層由上到下依次為全新統(tǒng)風積沙（Q4eol）及沖積層（Q4al）、第四系中更新統(tǒng)離石黃土（Q2eol）、新近系上新統(tǒng)保德組（N2b）、侏羅系中統(tǒng)延安組（J2y）、三疊系上統(tǒng)永坪組（T3y）。

大砭窯礦區(qū)含煤地層為侏羅系中統(tǒng)延安組，共含3層煤層，自上而下編號依次為4-3、4-3下、5-2煤層，其中5-2煤層為全區(qū)可采煤層，其余為不可采煤層。可采煤層平均厚度為2.46 m左右，呈現(xiàn)北厚南薄的趨勢。

2.2地面塌陷或地裂縫的發(fā)育特征

2.2.1采空區(qū)分布范圍

5-2煤層埋深為56～166 m，礦井原以房柱式開采，對于頂板穩(wěn)定性較差的煤層，開采3.5 m，預留6 m；對于頂板穩(wěn)定性較好的煤層，開采5 m，預留5 m，房柱式開采形成的采空區(qū)面積較小。近年來，礦井以機械化綜采為主，形成了大面積的采空區(qū)。根據(jù)收集資料與野外調(diào)查，大砭窯煤礦開采所形成的采空區(qū)主要位于井田的東北部，面積約為4.54 km2。

2.2.2地面塌陷或地裂縫的發(fā)育特征

礦區(qū)地面塌陷的表現(xiàn)形式以地面裂縫為主，無明顯的塌陷坑。大砭窯煤礦地面塌陷范圍較大，分3個區(qū)進行調(diào)查，各區(qū)的地裂縫發(fā)育特征分述如下:

（1）楊桃峁變形區(qū)。該區(qū)煤礦開采時間較早，開采方式為房柱式開采，最早變形塌陷的時間為2001年。該區(qū)域內(nèi)變電站旁發(fā)現(xiàn)有一條裂縫，一直延伸到廟圪垯的山頂龍王廟旁，整體呈弧形，走向為30°～100°，長度約2 km。

（2）火燒界變形區(qū)。該區(qū)煤礦開采時間為2001-2002年，開采方式為機械化綜采，最早變形塌陷時間為2003年。該區(qū)域內(nèi)大部分裂縫都已被掩埋，調(diào)查只見部分裂縫，走向為90°。

（3）四道溝—六道溝變形區(qū)。四道溝村附近地區(qū)煤礦開采時間為2004～2008年，開采方式為機械化綜采，最近發(fā)生塌陷的時間為2013年。塌陷區(qū)域內(nèi)發(fā)育多條裂縫，其中最大的裂縫走向90°～270°，長500～1000 m，寬0.2 m，深0.3～2 m不等。六道溝村附近地區(qū)煤礦開采時間為2009年，開采方式為機械化綜采，最近發(fā)生塌陷的時間為2013年。塌陷區(qū)域內(nèi)可見多條裂縫，其中變形最大的裂縫走向20°～50°，長300 m，寬0.2 m，深2 m。在溝壑邊可見由塌陷引發(fā)的次生滑坡、崩塌災害。

2.2.3不同開采方式下地面塌陷和地裂縫的展布規(guī)律

（1）房柱式開采引發(fā)地面塌陷或地裂縫的展布規(guī)律。大砭窯煤礦開采歷史較長，20世紀50年代已經(jīng)開始開采，開采方式為房柱式，主要集中在礦區(qū)的北部。煤礦開采形成了一定面積的采空區(qū)，但留有保護煤柱，早期未形成明顯的地面塌陷，近年來下覆煤柱逐漸垮塌，其支撐能力下降，地面變形有加劇態(tài)勢，表現(xiàn)為地面裂縫、塌陷坑等。本礦區(qū)楊桃峁村附近區(qū)域為早期房柱式開采形成的采空區(qū)，根據(jù)本次調(diào)查，該區(qū)域內(nèi)變電站旁于2001年發(fā)現(xiàn)一條裂縫，長度約2 km，最寬處約2 m，深度約5 m，部分區(qū)域可見到2 m×2 m的小型塌陷坑?？砂l(fā)現(xiàn)房柱式開采形成的地面塌陷具有滯后效應，為采空后長時間間隔的突發(fā)性塌陷，形成的裂縫一般較長，寬度與深度均較大。

（2）綜采區(qū)地面塌陷或地裂縫的展布規(guī)律。綜采工作面采空區(qū)面積大，塌陷面積也大。結合礦區(qū)1∶10000地形底圖、井上井下對照圖、礦山地質環(huán)境恢復治理方案及綜合勘查成果等資料，以北部兩個工作面的采空區(qū)為重點研究對象，全面追蹤地面裂縫的走向、寬度、深度及下錯高度等。

本次調(diào)查在兩個工作面共布設探槽20個，通過槽探工程揭露地表3 m內(nèi)裂縫的傾向等特征。

根據(jù)探槽揭露的情況可知，裂縫均垂直于地表，未見明顯的傾斜面；探槽挖好后，用鋼尺探測裂縫深度，受土埋及尺長影響，裂縫底部多數(shù)未揭露；裂縫多呈上窄下寬狀。

根據(jù)裂縫的走向及布設探槽的位置，本次共跟蹤裂縫30條，控制點主要布設在拐點及裂縫相交的節(jié)點位置處，共布設控制點176個，如圖1所示。

從圖1可以看出，順著工作面推進方向，裂縫多呈弧形展布，位于工作面間的裂縫走向多與工作面推進方向一致。

圖1　重點地段綜采工作面上地面裂縫分布示意圖

2.3裂隙發(fā)育高度預測

根據(jù) “三帶”理論，導水裂隙帶發(fā)育高度為采高的18～28倍，重點地段5-2煤層采厚為3.16 m，導水裂隙帶發(fā)育高度為56.88～88.48 m，在溝谷地區(qū)裂隙帶已溝通至第四系地表。

采空區(qū)地表最高點高程為1253.50 m，5-2煤層底板標高為1111.33 m，在地層較薄地區(qū)，呈現(xiàn)明顯非連續(xù)移動變形，即開采后地表形成塌陷坑、大的裂縫切割和臺階狀沉陷（隨工作面開采的動態(tài)裂縫和開采邊界以外形成一組永久裂縫）和開采引起滑坡坍塌等地質災害。

3　地質災害易發(fā)程度評價

地質災害易發(fā)程度分區(qū)的目的是正確認識地質災害發(fā)育分布現(xiàn)狀，科學地預測地質災害未來發(fā)展趨勢。

3.1評價方法

根據(jù)多種方法的比選，調(diào)查區(qū)地質災害易發(fā)區(qū)的劃分采用綜合指數(shù)評價方法。將地質災害影響因子按其不同分類對地質災害的影響程度進行量化賦值1、2、3、4，疊加求和，確定地質災害易發(fā)程度。計算公式如下:

式中:SI——綜合指數(shù)；

Fij——影響因素及分類，

i——影響因子的數(shù)量，本次評價共有7個影響因子，i=（1，2，3，……，7）；

j——影響因子的分類數(shù)量，本次評價共分4類，j=（1，2，3，4）。

由前所述，調(diào)查區(qū)地質災害類型主要有滑坡、崩塌、地面塌陷，其影響因素主要是地質環(huán)境條件、人類工程活動和降水，因此參與評價的、能夠量化的影響因素主要為地形地貌、地層巖性、道路建設、采礦活動、削坡建房、多年降水量和地質災害點密度這7個影響因素和作為評價因子，建立了調(diào)查區(qū)地質災害單因子評價圖層。

3.2評價結果

通過地理信息系統(tǒng)MAPGIS空間分析，將7個因子根據(jù)影響程度從低到高選擇1、2、3、4進行賦值求和，根據(jù)量化結果，各因子和最大值為25，最小值為7，并以0.25為等值線間隔生成等值線分區(qū)。擬選定各因子和為18～25之間單元格為高易發(fā)區(qū)，各因子和為12.5～18之間的單元格為中易發(fā)區(qū)，各因子和為8.75～12.5之間的單元格為低易發(fā)區(qū)，各因子和小于8.75的單元格為非易發(fā)區(qū)。區(qū)內(nèi)各因子之和均大于12.5的單元格，即為高易發(fā)區(qū)和中易發(fā)區(qū)。

根據(jù)本次調(diào)查結果，在綜合考慮該礦區(qū)地形地貌差異、采礦活動強弱程度及影響范圍等基礎上，最終形成調(diào)查區(qū)地質災害易發(fā)程度分區(qū)圖，如圖2所示，具體情況見表1。

表1　地質災害易發(fā)區(qū)評價表

圖2　重點地段（大砭窯礦區(qū)）地質災害易發(fā)（危險）程度分區(qū)圖

4　地質災害的危險性評價

4.1調(diào)查評價方法

通過地理信息系統(tǒng)MAPGIS空間分析功能，將災害點險情等級與易發(fā)區(qū)進行空間疊加評價。

疊加結果根據(jù)危險程度從低到高選擇1、2、3、4進行賦值，在區(qū)間1～4之間生成等值線圖，以0.25為等值線間隔。

根據(jù)評價結果，擬選定賦值大于3.25為高危險區(qū)，賦值位于2.5～3.25的單元格為中危險區(qū)，賦值等于2.5的單元格為低危險區(qū)，賦值小于2.5的單元格為極低危險區(qū)。再根據(jù)野外調(diào)查的實際情況以及 “就大不就小，就高不就低”、“區(qū)內(nèi)相異、區(qū)內(nèi)相同”的原則，最終形成調(diào)查區(qū)的地質災害詳細調(diào)查危險程度分區(qū)圖。

4.2評價結果

根據(jù)地質災害易發(fā)程度和區(qū)內(nèi)3處地質災害點險情等級，確定重點地段地質災害的危險性分區(qū)。神木縣重點地段地質災害易發(fā)區(qū)分為高易發(fā)區(qū)和中易發(fā)區(qū)，大砭窯地面塌陷險情等級為小型，根據(jù)地質災害詳細調(diào)查技術要求中地質災害危險性區(qū)劃評價標準，見表2，礦區(qū)地質災害危險性等級應為中危險區(qū)和低危險區(qū)，考慮到高易發(fā)區(qū)內(nèi)塌陷面積較大，地表裂縫發(fā)育嚴重，且區(qū)內(nèi)有公路及礦區(qū)道路通過，車流量較大，故將該區(qū)危險性等級提高一個級別，分為高危險區(qū)和低危險區(qū)，如圖2所示。

表2　地質災害危險性區(qū)劃評價標準

（1）高危險區(qū)。高危險區(qū)與高易發(fā)區(qū)重合，主要分布在該礦區(qū)的北部和東部，面積為18.57 km2，占礦區(qū)總面積的71.4%。大砭窯煤礦地面塌陷面積較大，主要位于礦區(qū)北部，梁峁上裂縫縱橫交錯，威脅居民的耕地及林地；榆西老公路及礦區(qū)公路裂縫發(fā)育，多平行排列，呈臺坎狀下錯，威脅過往車輛及行人，危險性較大。該區(qū)南部為501盤區(qū)和502、504盤區(qū)部分地區(qū)，且501盤區(qū)即將開采。501盤區(qū)中部、南部仍有六道溝村、上中咀峁村村民居住，一旦煤礦開采，引發(fā)地面塌陷的可能性大，威脅村民生命財產(chǎn)安全，危險性大。

（2）低危險區(qū)。低危險區(qū)與中易發(fā)區(qū)重合，主要分布在該礦區(qū)的西南部，面積為7.43 km2，占礦區(qū)總面積的28.6%。該區(qū)地形較為平坦，尚未開采，未發(fā)現(xiàn)地質災害點，該區(qū)今后開采將不可避免地出現(xiàn)各類礦山地質環(huán)境問題，如破壞地貌景觀、占用林地資源、地面塌陷等地質災害的發(fā)生等。因此在后續(xù)的煤礦開采過程中，應將生態(tài)保護與礦山開采緊密地結合起來，邊開發(fā)邊保護地質環(huán)境。

5　結語

通過上述調(diào)查和分析，對大砭窯煤礦地質環(huán)境有以下認識:

（1）大砭窯礦區(qū)重點研究區(qū)開采強度為中等，從梁峁至溝谷裂縫逐漸增多，近等間距排列，在地勢較低區(qū)域，裂隙帶可能延伸至地表，裂縫在斜坡地帶可見明顯階梯狀下錯陡坎且均垂直于地表，未見明顯的傾斜面。北部房柱式開采相對綜采形成的地裂縫一般長而深，裂縫間距較大，密度小，裂縫出現(xiàn)時間較滯后。

（2）綜合考慮地質災害易發(fā)程度和險情等級，將大砭窯礦區(qū)劃分為高危險區(qū)和低危險區(qū)，其中高危險區(qū)面積18.57 km2，低危險區(qū)面積7.43 km2。

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Development law of surface collapse and ground fractures in Dabianyao Coal Mine in Yulin-Shenmu mining area

Peng Jie，Li Yonghong，Liu Hainan，Xiang Maoxi，Yao Chaowei，Du Jiangli，Wu Boyun
（Shaanxi Institute of Geo-Environment Monitoring，Xi＇an，Shaanxi 710054，China）

The surface collapse and ground fractures in Dabianyao Coal Mine in Yulin-Shenmu mining area were investigated.Taking the mining history，regional geology and coal mining situation of Dabianyao Coal Mine as the research background，the distribution range of gobs and the distribution features of surface collapse and ground fractures were discussed and summarized. The distribution laws of surface collapse and ground fractures in Dabianyao Coal Mine were studied，and the surface collapse and ground fractures were caused by two different mining ways，room and pillar mining and fully mechanized mining，and the mining area was divided into the high easy-happening area and medium easy-happening area.According to the easy-happening degree and dangers grade of geological disasters，the mining area was divided into high danger zone and low danger zone.

surface collapse，ground fracture，high-intensity coal mining，Yulin-Shenmu mining area，Dabianyao Coal Mine

P642.2 TD325

A

彭捷（1988-），男，湖北黃石人，助理工程師，碩士，從事地質災害調(diào)查與防治研究。

（責任編輯 郭東芝）

國家重點基礎研究發(fā)展（973）計劃（2013CB227901）