鐵錘山地面塌陷發育現狀及變形規律的探析

韋 杏 杰

(中化地質礦山總局廣西地質勘查院，廣西 南寧 530004)

0 引言

近年來，中國區域地質災害勘查深化與普及，經過多年地質災害勘探及防治研究，學者對地面塌陷規律、特征、地面沉降、變形的成因與防治以及地質災害的分布等方面已做了一定深度的研究[1-3]。國內外筆者采用灰色理論方法[4]、人工神經網絡法[5]、支持向量機(SVM)和最小二乘支持向量機(LS～SVM)等[6-8]方法。但這些研究大多是以地表變形問題來展開，特別是以地表變形為主。對普遍存在的地面塌坑則沒有做太多系統的研究工作，尤其是對塌坑形成、演化機制及擴展規律缺乏系統、深入地分析和研究。

由于江山市大陳鄉鐵錘山大部分礦區境內，之前石煤無序開采，留下了大面積的破壞區，這些破壞區存在諸多安全隱患。據相關調查統計，自1970年以來，該區發生多處地面塌陷，局部石煤自燃引發山林火災，累計毀壞林地150多畝，石灰窯倒塌3座，直接經濟損失300多萬元。塌陷坑的數量和面積還在不斷地增加；地面裂縫在不斷增多、增大；加之周圍有部分石灰巖露采礦山在生產，新塌陷或老塌陷擴大仍然存在。因此，對這一問題開展系統深入的研究，具有必然的學術價值、工程意義和經濟效益。本文以鐵錘山地面變形為例，依據多年的監測數據，對鐵錘山地面塌陷發育現狀及變形規律進行初步的分析和探究。

1 工程概況

鐵錘山地面塌陷屬石煤采空區冒頂型塌陷。區內石煤開采歷史悠久，屬江山市石煤集中開采區，礦區從新中國成立前的零散民采到二十世紀七十年代集中開采至二十世紀八九十年代個體采煤盛行。

鐵錘山塌陷區位于江山市區345°方向直距8 km的大陳鄉烏龍村，中心地理坐標：東經118°34′52″，北緯28°48′04″。東側為48省道、西側及南側為鐵錘山山脊、北側以皂腳樹底水庫為界，總面積約為2.4 km2；近山頂有多處廢棄的露采石灰巖礦山，沿山腳及近山腰一帶遍布有幾十個采煤老窿。

2 地面塌陷的原因

2.1 地型地貌

該區屬丘陵剝蝕、巖溶區，海拔100 m～400 m，山體多呈饅頭形，地勢較平緩，總體地勢北西高，南東低，地形坡度10°～30°間，最高山頭401 m，最低處約114 m，最大相對高差約287 m。區域范圍內煤層主要沿社山底—烏龍村復式褶皺軸部兩側分布，大致呈北東方向。礦區侵蝕基準面標高為153.0 m，最高280.0 m；石煤層最高出露高程230 m，最低出露高程155 m。該區內特有的地質條件，土體較松散、地表破碎、淺部土體存在微孔隙通道，影響到地表陡坡的穩定性，陡坡易發生應力集中，甚至產生開裂，為地面塌陷的發生提供便利的地形條件。

2.2 氣象水文

江山市屬亞熱帶季風型氣候，年平均氣溫約17 ℃，年平均降水量1 684.1 mm，年平均蒸發量1 466.1 mm，北部大陳鄉一帶年降雨量位于1 600 mm等值線內。區內有一條無名溪流自北西向南東中間流過，支溝發育，屬季節性山溪河流，河寬2 m～3 m, 流量受氣候和季節性變化明顯，雨季水位易漲，枯水期水量小至干枯。北側緊鄰皂腳樹底水庫，最大庫容27萬m3，水位標高195 m～204 m，高于最低侵蝕基準面標高114 m。

地下水的長期交替升降變化，使土體的濕度、飽和度及水化學成分發生變化，從而促進土體的崩解脫落速度，有利于地下水對土體的潛蝕作用，從而加速塌陷的發生。

2.3 地層巖性

區內出露地層有奧陶系下—中統胡樂組(O1-2h)；奧陶系下統寧國組(O1n)、印渚埠組(O1y)；寒武系上統—奧陶系下統西陽山組(∈3-O1x)；寒武系上統華嚴寺組(∈3h)；寒武系中統楊柳崗組(∈2y)；寒武系下統大陳嶺組(∈1d)、荷塘組(∈1h)；震旦系上統—寒武系下統燈影組(Z2-∈1dn)；震旦系上統陡山沱組(Z2d)等十組地層。鐵錘山荷塘組含煤地層褶皺節理發育，連續性、完整性較差，促使沉降變形加快，增大變形范圍，還會加劇地表裂縫的發展，出現不連續的移動和變形，易形成不連續的塌陷坑。

2.4 煤層分布特征及變化

2.4.1空間分布及規模

依據荷塘組含煤地層分布，區內煤層分為沙塢、社山底及大青壟三個塊段。沙塢段賦存于社山底—烏龍村復式褶皺南東翼，煤層大致沿山腳斷續出露；社山底段煤層賦存于社山底—烏龍村復式褶皺東西兩翼；大青壟段賦存于社山底—烏龍村復式褶皺北西翼，煤層大致沿山腳斷續出露。鐵錘山礦區有40余個老窿，煤層厚度一般為1 m～4 m，最厚處可達7 m，平均厚度約2.5 m，煤層平均傾角約12°，為緩傾斜礦體，埋深0 m～80 m，受褶皺影響，沿傾向及走向波狀起伏變化。

2.4.2煤巖層變化及結構

石煤層由薄層狀石煤及黑色硅質頁巖組成10個～30個韻律層，硅質巖單層厚1 cm～2 cm，少數可達5 cm～8 cm，石煤層單層厚5 cm～20 cm，含煤地層荷塘組厚度變化在10 m～37 m。雖含煤地層荷塘組厚度變化不均，但石煤層的厚度變化不大，一般厚度在2 m～3 m。

石煤為塊狀與薄片狀構造，呈黑色和黑褐色，具泥狀及不平整斷口、性脆堅硬，地表風化后常呈淺灰白色而質量變輕。主要結構為泥質隱晶結構、泥質結構、粉砂泥質結構。

2.4.3開采現狀及影響

鐵錘山礦區石煤礦體呈層狀，煤層頂板圍巖為硅質巖及硅質頁巖，頂板巖石受構造及開采影響存在約0.5 m偽頂，頂底板巖層局部受斷層或褶皺影響產狀變化較大。該區采用空場采礦法中的全面采礦法開采，頂板管理為全部垮落法。但大多礦主在采礦時為追求經濟效益，礦柱預留不規范，形成的采空區過大，而礦層頂板管理又跟不上，致使形成了大范圍的塌陷隱患區。礦井停采后，井口封閉又沒有封死，曾引起石煤自燃，石煤自燃又加劇了采空區的塌陷。

3 地面塌陷與變形規律的探究

地面塌陷受控于地下空間分布、水文地質特征及構造的影響，而塌陷的強烈程度與采空區頂板的厚度及其巖石力學性質有關，地面塌陷是一個復雜的地質力學和地質體形變的過程[1,9]。鐵錘山地面塌陷是由于煤層被從賦存它的巖體中采出后，形成采空區，其圍巖的平衡狀態遭到破壞，原由煤層承受的上部荷載轉嫁于周圍巖體，圍巖在新應力作用下，進行應力重新分布和調整并產生變形，當變形播及地表地面時，就會產生地面塌陷[10]。

3.1 分布特征

鐵錘山地面塌陷及變形分布受控于地下采煤巷道和煤層采空區的分布密切相關，區域地面塌陷主要分布于社山底礦段開采區的東側山脊、大平崗東側山腰和南側山腳及沙塢村一帶。

3.2 發育規律

地表變形最初為小型凹地，隨著采空區的不斷擴大，凹地逐漸擴展為凹陷盆地，此盆地即為移動盆地。鐵錘山地表的移動和變形在空間和時間上都是不連續的，即在漸變中有突變。

3.2.1裂縫

鐵錘山石煤采空區地面裂縫多與塌陷坑相伴出現，沿地面塌陷坑的長軸方向延伸，平行于主采巷道，與地下采空區具有連通性，主要分布于社山底東西兩側的采空區邊部及邊緣地帶；地表建筑的開裂均表現為正曲率變形特征，即裂隙均為上寬下窄狀，與地下采空區不相通，主要分布于沙塢采空區東部的烏龍村所在地帶，地表裂縫的形狀為楔形，地面開口大，隨深度的增大而減小，地表裂縫平行于主采巷道或采空區邊界發育。

3.2.2移動盆地

鐵錘山石煤采空區最終的地表移動盆地的范圍應大于采空區的范圍，移動盆地的形狀與采空區是相對應的，最終移動盆地具有下列特征：

1)整個移動盆地位于采空區的正上方，盆地的形狀與采空區形狀基本一致；

2)盆地的中間部分，地表下沉均勻一致，當局部深厚比較小地段，也可能出現不連續的變形地帶；

3)盆地的內邊緣，呈凹陷彎曲，產生壓縮變形，不出現裂縫；靠近盆地邊界的外邊緣，呈凸突彎曲，產生拉伸變形，當變形超過一定抗拉承載力，地表產生裂縫。

3.2.3地表臺階

分布于移動盆地的邊部或局部開采深厚比較小地段。鐵錘山石煤采空區地表臺階主要分布于社山底東側及大青壟的大平崗東坡塌陷坑邊部，沿地表裂縫兩側地面出現錯動，形成臺階。落差一般在幾厘米到幾十厘米間，最大可達50 cm，落差的大小與裂縫的寬度成正比關系。

3.2.4塌陷坑

鐵錘山石煤采空區地表出現大大小小塌陷坑十余處，這主要與淺部開采的緩傾斜厚層煤有關，地表的移動和變形在空間和時間上是非連續的、漸變的，與地下采空區具有連通性，產生抽冒的結果。

3.3 塌陷區變形分析

鐵錘山礦區開采煤層頂板覆巖類型為中硬巖石，冒落帶高度主要取決于采出厚度或直接頂板巖石的的碎脹系數。結合《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》[11]，其變形預計根據經驗公式計算如下[12-14]：

Umax=Wmax×bc

(1)

εmax=1.52bcWmax/r

(2)

(3)

(4)

其中，Umax為水平方向最大位移；Wmax為最大下沉量；εmax為水平方向最大變形；b為水平移動系數，按覆巖性質取0.3，bc=b(1+0.008 6α)；r為主要影響半徑，r=Ho/tgβ=80/1.6=50，Ho為采空區最大埋深80 m；tgβ為主要影響角正切；Hm為冒落帶高度；Hi為導水裂隙帶高度；M為煤層采厚(含偽頂)。

類比確定有關參數及計算結果見表1。

表1 采區地表移動與變形計算結果表

根據地表移動變形計算結果(見表1)及地質礦產行業標準《地質災害危險性評估技術規范》[15]確定采礦影響程度強烈，根據地表移動變形預計及地面塌陷現狀，可對采空區地面塌陷進行穩定性及危險性評價。

4 結語

1)采空區變形特征隨著煤層埋藏深度的不同而有所變化。淺部采空區的移動盆地邊界明顯，移動區較窄，但變形劇烈，裂縫發育，并經常由裂縫發展為階梯狀錯落臺階，隨著煤層埋藏深度的加大，移動盆地相對于采空區范圍逐漸擴大，移動區寬度也相應加大，移動區坡度變緩，自移動盆地中心向盆地邊緣逐漸過渡。

2)鐵錘山石煤采空區地面塌陷現狀與變形的理論預計是基本吻合，區內采礦影響程度強烈，采空區影響范圍內發生塌陷的可能性大，基于地面變形和移動的理論計算，且可以處理采空區塌陷后對地面變形問題。

3)利用移動盆地變形理論，對石煤采空區地面塌陷的變形規律、影響因素進行了有效性評述；將鐵錘山地面塌陷影響區劃分為危險性大區0.07 km2，危險性中等區0.57 km2。

參考文獻:

[1] 陳龍龍,陳從新,夏柏如,等.程潮鐵礦東區地面塌陷機制及擴展機制初探[J].巖土力學,2017,38(8):2322-2334.

[2] Xia K, Chen C, Fu H, et al. Mining-induced ground deformation in tectonic stress metal mines: A case study[J]. Bulletin of Engineering Geology & the Environment,2016,75(3):1-27.

[3] 羅小杰.也論覆蓋型巖溶地面塌陷機理[J].工程地質學報,2015,23(5):886-895.

[4] 郭廣禮,張國良,張貽廣.灰色系統模型在沉陷預測中的應用[J].中國礦業大學學報,1997(4):62-65.

[5] 張文春,陳劍平,張 麗.基于人工神經網絡的三峽庫區豐都縣水庫塌岸預測[J].吉林大學學報(地球科學版),2010,40(2):378-382.

[6] 王海峰,李夕兵,董隴軍,等.基于支持向量機的采空區穩定性分級[J].中國安全生產科學技術,2014,10(10):154-159.

[7] Suykens J A K, Brabanter J D, Lukas L, et al. Weighted least squares support vector machines:robustness and sparse approximation[J].Neurocomputing,2002,48(1):85-105.

[8] 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):799-804.

[9] 付 華,陳從新.金屬礦山地下開采引起巖體變形規律淺析[J].巖石力學與工程學報,2015,34(9):1859-1868.

[10] 劉 輝,何春桂,鄧喀中,等.開采引起地表塌陷型裂縫的形成機理分析[J].采礦與安全工程學報,2013,30(3):380-384.

[11] 國家煤炭工業局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程[M].北京：煤炭工業出版社,2017:59-61.

[12] 陳曉斌,張家生.高速公路采空區地面變形計算方法[J].巖土工程學報,2007(2):191-197.

[13] Liu B.Ground Surface Movements Due to Underground Excavation in the People’s Republic of China-Excavation, Support and Monitoring-29[J].Excavation Support & Monitoring,1993(2):781-817.

[14] 劉寶琛,繆國華.煤礦地面移動的基本規律[M].北京:中國工業出版社,1965:144-156.

[15] DZT 0286—2015，地質災害危險性評估規范[S].