鹽湖礦區地面變形地質災害特征及演化分析*

蔣麗蘭，劉治宇，王杜鵑，蔣 魁，楊 超

（1.湖南省煤炭地質勘查院，湖南 長沙 410014；2.湖南省勘查設計研究院，湖南 長沙 410014）

近年來，采取切實技術措施，科學有效防治地質災害，確保人民生命財產安全、安居樂業、保障社會穩定，越來越受到礦區企業和當地政府的重視。然而，由于歷史原因及礦區的不規范開采形成的大量采空區，造成區域內不同程度的地面變形的地質災害時有發生，嚴重影響當地生產、生活和經濟發展。本文以湖南省衡陽市常寧市鹽湖鎮上沖村地面變形地質災害補充調查[1]為例，查明了研究區基本情況；通過物探及地面調查手段，研究分析了冒落帶、裂隙帶、彎曲帶與地面變形地質災害形成機理；查明了區內地質災害類型及時空對應關系，綜合分析了地面變形地質災害變形初始期、盛發期、平緩期及發展趨勢。

1 研究區概況

1.1 自然地理環境

研究區位于湖南省衡陽市常寧市東南部的鹽湖鎮境內，距常寧市城區約14 km，屬剝蝕丘陵地貌，地勢總體東部和西部高，中部低；南面高、北面低，最大相對高差為132 m。天子江為區內主要地表徑流，該河流量季節性變化顯著，雨季下游最大流量24.089 m3/s，一般流量1～5 m3/s。區內氣候為亞熱帶季風氣候，歷年降雨為902～1 812.2 mm，多年平均降雨量1 342.93 mm，日最大降雨量141.3 mm（1976年7月9日），1972年～1981年月最大降雨量233.1 mm，降雨集中在3～6月；水面蒸發量為1 017.5～1 491.7 mm/a。

1.2 地質

區內地層較為簡單，出露地層由新到老有第四系（Q）、三疊系下統大冶組（T1d）、二疊系上統大隆組（P3d）、二疊系上統龍潭組（P3l）。礦區位于鹽湖向斜南段，主體構造走向成南北向展布。

1.3 開采基本情況

鹽湖礦區開采歷史悠久，清朝中期煤礦即已開采。老窯基本沿地表煤層露頭開采，開采密度大，但規模很小，采深大多在幾十米以內，主要位于鹽湖向斜的東翼沿煤層露頭地帶。20世紀80年代，區內有證無證小煤礦多達50 余家，開采深度達±0 m 標高，小煤窯無計劃開采，造成了極大的資源浪費，對礦山地質環境影響較大。

區內煤層情況：有4 層煤分別為2、5、6、7 煤層，2 煤為大部分可采煤層，5 煤為局部可采煤層，6煤為主采煤層，7 煤不可采[2]；區內現狀只開采6 煤層，2、5 煤未開采。

區內6 煤層開采情況：三個水平-42 m水平、-150 m水平、-250 m水平開采布置采區，淺部-42 m水平以上資源于1983年已開采完；-42～-150 m水平也已基本采完；-250 m水平沒有正式形成工作面。現狀區內停止了采礦活動見表1。

表1 研究區6 煤層開采情況

2 地質災害特征

2.1 地質災害類型

根據野外調查成果，區內地面變形地質災害有：塌陷坑、地裂縫、地面不均勻沉降、農田漏失等，見圖1。尤其以地面塌陷坑最為直觀、破壞性最大[3]，見表2。

表2 區內地面塌陷坑特征

2.2 地質災害分布與礦山開采時空對應關系分析

2005年以前和2006～2011年礦業活動陸續引發了塌陷坑、地面不均勻沉降、地裂縫等地質災害，造成了周邊居民房屋不同程度開裂，地下水位下降等現象。地面變形地質災害與礦山開采具有正相關系[4]，見圖1、表3。

圖1 地面變形地質災害分布

表3 地質災害分布與礦山開采時空對應關系

3 地質災害形成機理及影響因素分析

3.1 形成機理

區內采空區主要依靠留設保安煤柱維持穩定，礦業活動后形成采空區，破壞了巖體天然應力平衡狀態，隨著開采區域的增大，采空區的頂板在應力作用下不斷發生變形、破壞、位移和冒落，自下而上出現冒落帶、裂隙帶、彎曲帶，結果在地表形成地質災害[5]。

（1）冒落帶

冒落帶為采空區頂板破碎坍落形成，其厚度一般為采礦厚度的3～4 倍[6]。礦山開采煤層平均厚度2.61 m，最大處有9.69 m，區內冒落帶平均厚度為7.83～10.44 m，最大厚度約38.76 m。

據S3 線物探解譯剖面見圖2。分析可知，電阻率等值線呈明顯低阻凹陷帶，異常編號分別為AS2-1、AS2-2，推測為煤層采空區及冒落帶，厚度約40 m，與計算值基本一致。

圖2 采空區頂板變形解譯

（2）裂隙帶

裂隙帶處于冒落帶之上，其產生了較大的彎曲和變形，厚度一般取采礦厚度的12～18 倍[7]，故調查區內裂隙帶平均厚度為31.32～46.98 m，最大厚度約174.42 m。

根據物探成果綜合分析，官沖村裂隙帶分布標高60～-100 m，面積約約0.06 km2，呈橢圓形；上沖村分布標高為60～-110 m，面積約1.1 km2，整體呈條帶狀(見圖3)。裂隙帶分布區域基本上和煤層采空區分布一致。

圖3 物探異常區與地質災害對應關系平面

（3）彎曲帶

彎曲帶為裂隙帶頂面至地面高度，是不破裂的彎曲帶。彎曲帶地層為大冶組（T1d）泥質灰巖，其受采空區影響，巖溶洞穴發育，根據物探成果，淺部巖溶發育帶主要分布標高+60～+110 m，多為條帶狀或橢圓狀，見圖3。野外地面調查地質災害主要分布在官沖村和上沖村和物探成果基本吻合。

3.2 影響因素分析

地面變形地質災害影響因素眾多，主要因素有：駣深采厚比、地質構造、頂板覆巖、抽排地下水等因素[8]。

（1）采深采厚比：礦山煤層開采深度為20～311 m，煤層開采厚度為1.8～6.5 m，當采深采厚比越大，對地面影響小，反之則大。

（2）地質構造：區內地質構造較發育，煤層開采后對地表影響較大。

（3）頂板覆巖：直接頂板粉砂巖，偽頂泥巖、炭質泥。開采過程中，巖層大都遭受了不同程度的破壞，產生各種節理裂隙、壁理，勢必造成礦坑冒頂、片幫，導致垮落帶的變化，并引發采空區上部覆巖發生彎曲變形，從而出現地面不均勻沉降。

（4）抽排地下水：區內隨著開采區的不斷發展擴大、加深，采礦區頂板冒落活動頻繁，隨著礦井疏干區的擴大，巖石的飽和狀態遭到嚴重破壞，地下水位急劇下降，泉水不再涌出，水井干涸；接下來地表開裂、沉降、塌陷，又因大氣降雨地表水、地下水的沖刷作用下，老采區又形成了新的空洞。上部土層與巖層裂縫加寬加深，為地表水、地下水徑流潰入提供了通道，逐漸形成空洞或崩落，失去了地層本身平衡狀態，在地應力作用下，地面建筑物產生不均勻沉降，造成開裂、塌陷，局部位移等嚴重地質災害。

4 地質災害演化分析

4.1 初始期、盛發期、平緩期以及目前穩定現狀

區內受煤礦開采影響，區內變形現象主要表現為地面塌陷、地面不均勻沉降、地裂縫。根據野外調查成果，該地區地面變形始發于2000年，通過訪問有明確發生時間的地面變形現象共45 處，對其發生時間進行統計見圖4。

根據圖4統計結果，分析2000年以來區內變形現象發生發展趨勢，區內采空區地面變形現象發生階段分為三個時期，即：初始期、盛發期、平緩期[9]。

圖4 地面變形地質災害發生時間統計

初始期：變形初始期為2000～2007年。在該時期內，由于煤礦開采，巷道頂板的垮落、變形及地下水位下降對地表巖土體應力平衡的影響初步顯現，地面變形現象開始發生，地面變形現象發生數量較少，甚至連續兩年沒有發生地面變形現象；地面變形現象多集中在鹽湖鎮、官沖村2 組、裕民居委會等地段。

盛發期：變形盛發期為2008～2013年。在該時期內，由于煤礦開采活動旺盛，巷道頂板的垮落、變形及地下水位下降完全破壞了地表巖土體原有的應力平衡狀態，地面變形現象愈演愈烈，地面變形現象發生數量總體呈現出增加的趨勢；隨著煤礦開采對地表巖土體的影響范圍的進一步擴大，上沖村開始發生地面變形現象。

平緩期：變形平緩期為2014年至今。在該時期內，由于煤礦開采活動停止，巷道頂板逐漸穩定，地下水位下降趨勢減緩，表層巖土體逐漸達到新的應力平衡狀態，地面變形現象發生數量少，且呈現出逐漸減少的趨勢。

目前處于平緩期，地面變形現象發生數量少，隨著煤礦開采的停止，巷道頂板逐漸穩定，地下水位回升，表層巖土體逐漸達到新的應力平衡狀態，故推測工作區采空地面變形目前處于逐漸趨于穩定狀態。

4.2 發展趨勢

通過該項目野外調查和室內綜合研究分析，對區內地面變形地質災害發展趨勢[7]有如下認識：

隨著區內煤礦開采完全停止，巷道頂板逐漸穩定，地下水位回升，表層巖土體逐漸達到新的應力平衡狀態，2014年以后僅發生了兩處地面變形現象：2014年鹽湖中學廁所輕度損壞；2016年3月，鹽湖鎮上沖村5 組發生一處地面塌陷，塌陷坑規模為小型；可以看出，2013年以后，地面變形數量少，變形量小，隨著時間的推移，表層巖土體進一步趨于平衡狀態，該區內變形現象發生頻率及規模將進一步減少，區內地面變形將逐漸趨于穩定狀態。

5 結論

1）地面變形地質災害類型主要以塌陷坑、地裂縫、地面不均勻沉降為主。

2）通過對區內地面變形現象統計，分析變形初始期為2000～2007年、盛發期2008～2013年、平緩期2014年至今。

3）現狀區內停止了礦業活動，采空區地面變形地質災害逐漸趨于穩定狀態，但因為是老礦區，歷史遺留問題較復雜，地面變形區缺乏監測資料，難以取得量化的數據，仍需加強地面變形監測工作及地質災害隱患防范。