河南吳桂橋煤礦地質災害形成機制分析

■田飛 任佩佩 李揚 李嘯馳

（河南省地質礦產勘查開發局第五地質勘查院 河南鄭州450000）

河南吳桂橋煤礦地質災害形成機制分析

■田飛 任佩佩 李揚 李嘯馳

（河南省地質礦產勘查開發局第五地質勘查院 河南鄭州450000）

吳桂橋煤礦是駐馬店市唯一一家在產煤礦，位于驛城區古城鄉境內，為大型全掩蓋式井田。經過長期開采，出現了地面塌陷等地質災害。煤礦東部地層走向近東西向，西部轉為北西向。傾向北東。含煤地層為石炭系、二疊系，與上覆新近系為角度不整合接觸，與下伏奧陶系中統為平行不整合接觸。區內構造以北西向斷裂為主，次級斷裂有近東西向隱伏斷裂。礦區地面沉降主要由礦山采空區、大氣降水、人類活動影響三部分構成。

煤礦塌陷形成機制吳桂橋

1　引言

2012年以來，河南吳桂橋煤礦所在地古城鄉小馬園、代莊等多個村莊發現房屋開裂，地表公路，水泥地坪等出現裂縫，部分房屋受裂縫影響成為危房，嚴重威脅著當地居民的生命財產安全。為保護人民財產，當地政府高度重視此事件，委托地質部門對煤礦地質環境進行調查，查明煤礦開采基本現狀及其開發對地質環境的影響，查明地面塌陷及劃定地面塌陷危險區域，并提出防治建議。

2　地質環境背景

塌陷區屬丘陵地貌，地勢較為平緩，為波狀起伏的丘陵崗地地帶，地勢呈西南高東北低。海拔高程+160～+250m，相對高差約90m，山坡坡度較緩，一般15～25°。

2.1地層巖性

煤礦東部地層走向近東西向，西部轉為北西向。傾向北東，傾角10～25°，一般15°左右。含煤地層為石炭系、二疊系，與上覆新近系為角度不整合接觸，與下伏奧陶系中統為平行不整合接觸。奧陶系中統為煤系基盤，厚約230m，巖性為深灰色致密厚層灰巖夾淺灰色白云質灰巖。

2.2構造

調查區構造以北西向斷裂為主，次級斷裂有近東西向隱伏斷裂。褶皺：總體為一向北東傾斜的單一構造形態，地層傾角30°～40°，一般30°左右。據地震成果煤系地層呈單斜狀態，無明顯褶皺，整體看構造簡單。斷裂：形成時期主要為燕山期和喜山期。以喜山期北北東和北東東向斷層為主，北西和近東西向次之。調查區受燕山期北西向駐馬店——正陽斷裂控制，是劃分調查區的邊界斷裂，構造以斷裂為主，褶皺不太發育。

2.3水文地質條件

工作區含水層分為淺層含水層及中深層含水層，淺層含水層主要是第四系孔隙水、砂礫石孔隙承壓水，中深層含水層為新近系孔隙-裂隙水、二2煤層頂板砂巖裂隙水、石炭系上統C2t灰巖巖溶裂隙承壓水、奧陶系中統O2m石灰巖巖溶裂隙水。

2.4工程地質條件

根據巖石成因、工程地質特征、巖石物理力學性質，將本區巖（土）體分為三個巖組，分別是松散巖類多層土體、碎屑巖較堅硬巖組、厚層狀堅硬巖組。

3　地質災害發生背景

地面塌陷的成因是多方面的，不同地區地面塌陷的規模和變形的特點也不同。由于工作區內吳桂橋煤礦的開采，區內形成地下采空區。依據資料綜合分析，該區沉降主要由礦山采空區、大氣降水、人類活動影響三部分構成。

4　形成機制原因分析

4.1地面塌陷的形成原因分析

煤礦采空區是工作區形成地面塌陷主要原因。地下煤層采出后，采空區上方的巖土層在重力作用下發生垮落、破裂、離層和彎曲。一般來說，在采空區覆巖移動變形穩定后，按巖層的破壞程度，從采空區向地表可依次劃分為3個不同的開采影響帶，即冒落帶、裂隙帶和彎曲帶，簡稱為“三帶”。若采空區至地表巖層均處于冒落帶范圍內，則地表出現塌陷坑；若裂隙帶發育至地表，則地表以出現地裂縫為主；彎曲帶上方地表往往形成下沉盆地。而工作區內采空區深厚比遠大于30，所以目前工作區內采空區影響帶只有冒落帶。又因為采空區開采埋深大，松散層厚度較大，因而導致地表變形緩慢，地面塌陷時間較長。所以在目前為止，并未在工作區內出現塌陷坑，只是在大余莊、小余莊附近出現地面塌陷，據地面變形觀測顯示，該區域內的地面塌陷仍在持續。另一方面在此基礎上加之近年氣象條件極不穩定，極端天氣增多。降水入滲水可以使洞頂覆巖的含水層增大，自重加大，提高了對洞頂的垂向壓力；其次，下滲水流會濕潤裂隙面，降低巖石塊體間的抗滑阻力，從而引起洞頂和洞壁的進一步變形失穩。另外，降雨強度大、歷時時間較長時，入滲的水流可以以灌入的方式快速進入圍巖的寬大裂隙，形成較大的動水壓力和沖刷作用，使原本由于礦山采空形成的不穩定的洞室瞬間垮塌，造成地面塌陷。基于上述原因的同時，人為的工程活動也可能起到了相應的誘發作用。礦山開采爆破作業可使洞頂覆巖以及洞壁的裂隙進一步擴大，引起巖層破裂、位移加劇，進而誘發地面塌陷發生。 由上述的采空區、氣象、人類工程活動等綜合條件因素在長期歷史作用演變下，周而復始的破壞積累，最終導致該處地面塌陷的發生。綜上所述，地面塌陷，基本認為是以礦山采空為主，大氣降水和人類工程活動次之而導致的地面塌陷災害發生。

4.2地裂縫的形成原因分析

吳桂橋煤田東西長7 km、南北寬3 km，根據規程計算出采空區影響地表變形邊界為170～410m。由于地下采空造成采空區頂板冒落直接引發地面塌陷可以伴生形成地裂縫，而大余莊村位于采空區影響范圍內，所以可以斷定，地裂縫為采礦塌陷伴生。從氣象局搜集了當地1997年～2012年氣象資料顯示，2011年和2012年工作區內蒸發量均大于同年的降雨量，區域內地表土體中含水量降低，土體發生收縮變形，導致地表土體形成裂縫。從發育時間上看，其中1～7、9號地裂縫發生在2013年的7月份，10～14號地裂縫發生在2012年7月份，均發生在降雨量遠低于蒸發量的干旱季節，氣溫較高，地下水位下降明顯，無降雨及地表徑流補充，土體含水率大幅度下降，土體收縮現象嚴重。依據取樣試驗結果，雖然地裂縫分布區內的膨脹土基本位于地下水位變動帶以下，但地表巖土體仍具有一定的膨脹性，其膨脹率為17～35%，當土體含水量發生較大變化時，仍會發生濕脹干縮情況。從發育特征上看，1、2、4、6、7、8、12號等7條地裂縫位于小馬園、代莊、大馬園等村莊附近的道路上，地形特點為道路旁邊均有沖溝或灌溉渠道，溝道深約1.5～3m，寬2～5m，7條裂縫發育方向與道路方向一致，與溝道平行分布，在道路兩側發育，且存在長度較短，不延續特征，推測為受溝道干濕變化，土體脹縮形成的地裂縫。3、5號裂縫位于小馬園村內，近東西走向，寬0.1～2.5cm，長3～9m，規模較小，推測為道路雜填土受氣候、車輛碾壓等因素形成的土體裂縫。9、10、11號裂縫位于農田內，發育時間均為6、7月，裂縫均呈鋸齒狀，寬度0.8～1.4cm，裂縫上寬下窄，深度小于20cm，推測為天氣干旱土體收縮形成的脹縮裂縫。

5　結論

區內地面塌陷，是以礦山采空為主，大氣降水和人類工程活動次之而導致的地面塌陷災害發生；地裂縫的形成是因地表土體中含水量降低，土體發生收縮變形，導致地表土體形成裂縫。建議煤礦繼續對礦區進行地面塌陷監測，可采用水準測量和平面測量兩種方法來監測地表的沉降變化情況，對地面變形進行監測預報，監測結果應及時上報相關部門，避免更大災害的發生。

[1]羅銘玖，黎世美，盧欣祥，等.河南省主要礦產的成礦作用及礦床成礦系列 [M].北京：出版社，2000.

[2]劉傳正，等.地質災害勘查指南 [M].北京：地質出版社，2002.

[3] 河南省駐馬店市吳桂橋煤礦地質環境應急調查報告[R] .河南省地質工程勘察院，2013.9

F407.1[文獻碼]B

1000-405X（2016）-2-343-1