徐州市賈汪礦區采空區穩定性研究

李 鋒劉 彬劉超楠

（1.江蘇省第二地質工程勘察院；2.徐州市自然資源與規劃局）

徐州市賈汪區曾是江蘇省重要的煤炭基地，煤炭開采歷史愈130 a。由于地下煤炭的開采造成地表形成大范圍的沉陷區。沉陷不但使可利用的土地面積減少、質量退化，而且加劇了地、礦之間的矛盾，甚至引發一系列的社會問題，同時也給礦區和資源型城市在資源枯竭后的經濟社會可持續發展帶來很大的隱患［1-5］。

2011年11月，經國務院批準，賈汪區被批準為第三批資源枯竭型城市，也是江蘇省第一個國家級資源枯竭型城市。這為賈汪區實現轉型和可持續發展帶來巨大機遇。經過多年的發展，賈汪區城市規模越來越大，入駐的建設項目越來越多。在此期間，大量學者對盤活煤礦采空區廢棄土地問題展開了研究［6-12］，取得了大量的研究成果及建設經驗，例如，郭廣禮等［13-15］從煤層頂板覆巖破壞特征的角度出發，對采空區的穩定性進行分析；丁陳建等［16］基于神經網絡法對復雜地質條件下的老采空區進行評價；汪吉林等［17-18］利用概率學和數值模擬方法對特殊地質條件下的采空區穩定性進行綜合性的評價；王正帥等［19-20］利用模糊數學和可拓學建立新的穩定性評價模型。

本次研究工作以賈汪區復雜開采歷史為背景，結合補充收集資料及野外調查，總結地區建設經驗。在對采空區類型劃分的基礎上，以終采時間為主要因素，結合地表變形特點和采空區的深度對采空區的穩定性進行綜合評價和分區，并對賈汪區城市總體規劃提出建議，并提出采空區治理防治的一般措施，為賈汪區城市建設規劃提供地質依據。

1 研究區概況

1.1 研究區范圍

賈汪區地處徐州市東北部，北鄰山東省，東與邳州市燕子埠鎮、宿羊山鎮、八義集鎮相鄰，西側和南東側分別與銅山區利國鎮、柳泉鎮、徐莊鎮及大許鎮相連。地理坐標：東經117°17′～117°42′，北緯34°17′～34°32′，面積約為620 km2。賈汪區距徐州市區約為30 km，水陸交通便利，G206及G25從境內穿過，京杭大運河橫貫東西，鐵路有徐（州）賈（汪）鐵路與京滬、隴海鐵路干線相接，京滬高速鐵路經過其西部江莊鎮和青山泉鎮。

本次工作重點評價區為賈汪城市總體規劃區，賈汪城市總體規劃區包括賈汪鎮的全部、江莊鎮的部分和206、310國道賈汪區域內沿線兩側各1 000 m范圍及汴塘水源地，總面積為155 km2。規劃建成區南起310國道，北至北環路，西起西環路，東至東環路，規劃總面積為26.25 km2。規劃在以城市主干道G206為軸線的組團式片區結構的基礎上，通過提升老城區商業職能和延伸與新片區的結合，從而形成“一城兩片、一心一軸七區”的總體布局結構。

賈汪城市總體規劃區在評價區內涉及的煤礦主要包括屯頭河以北韓橋礦礦區、大李莊礦區、青山泉三號井東部以及泰興鹿莊礦。西部大致位于白集至姚溝崖一線，南部以屯頭河為界。

1.2 地形地貌

賈汪礦區為一狹長的簸箕形山間盆地，東南、東北、西北三面均為寒武、奧陶系灰巖所構成的群山。山頂標高在+150～+240 m，大洞山為群山之首，標高為+361 m，唯獨西南1面為平原延至徐州市區。其地勢大致由東北略向西南以1°～2°傾斜。其地貌盆地中心部分為第四紀黏土砂礓沖積層所覆蓋，一般標高為30～35 m，盆地邊緣靠山部分略高，環山分水嶺部分寒武、奧陶系灰巖出露甚廣，最古老的巖層為寒武系灰巖，由于風化剝蝕造成高低不平的饅頭形狀，又由于地層多褶皺，部分巖層成直立狀態，屬于構造剝蝕堆積盆地。

1.3 煤層賦存特征

賈汪礦區煤層主要分布于賈汪復式向斜中，煤層按形成時代劃分可分為中二疊統下石盒子組煤層、下二疊統山西組煤層及上石炭統太原組煤層。煤系地層的總厚度約為438 m，含煤22層，總厚度約為13 m。其中可采煤層6層，煤層厚度約為7.7 m。各組煤層及頂底板具體情況如下。

中二疊統下石盒子組（P2X）層厚約為140 m，共沉積6層煤，其中1、3層煤為賈汪礦區主要可采煤層。

下二疊統山西組（P1S）層厚約為138 m，為海相向陸相過渡的碎屑沉積，巖性為砂巖，砂質泥巖，泥巖和煤層組成，含煤2～6層，其中可采煤層為7、9煤。

上石炭統太原組（C2t）俗稱屯頭系，層厚約為160 m，含煤11層，編號為11～22煤，分布穩定，其中可采煤層為17、20、21煤。

2 采空區劃分與分布

2.1 按采空區頂板垮落情況和開采方式劃分

按采空區頂板垮落情況和開采方式劃分為A、B、C 3類采空區。

A類（頂板垮落充分的采空區）主要特點：①頂板巖石強度較低；②開采方式為壁式采煤法，全陷式管理頂板；③地層傾角為水平或傾斜；④地表塌陷較為充分。研究區內A類采空區主要位于權臺礦、旗山礦、董莊礦、青山泉一號井和白集礦開采的下石盒子組煤層，且地層傾角小于45°。

B類（頂板垮落不充分的采空區）主要特點：①頂板巖石強度較高，不易冒落；②開采方式采用柱式采煤法，或壁式采煤工作面跨度小；③地層傾角大；④地表塌陷不充分。研究區內主要為韓橋礦復采后的下石河子采空區及小煤礦開采的區域，對于山西組煤層采空區及太原組煤層采空區因頂板巖石強度相對較大，開采時頂板難以形成充分垮落，評價時劃定為頂板垮落不充分的采空區。由于煤層傾角大于45°時很難出現充分采動，評價時將權臺礦、旗山礦和董莊礦等傾角大于45°的煤層采空區也劃定為B類采空區。

C類（單一巷道及巷采的采空區）采空區分布范圍有限，本次工作僅在研究重點區（賈汪城市規劃區）進行大致的劃分，主要為韓橋礦區的煤（巖）巷集中分布區及未復采的解放前巷采形成的采空區。

以上3類采空區的分布見圖1。

2.2 按終采時間劃分

終采時間是煤礦終止開采延續到現今的時間，是反映采空區活動狀態的重要因素。在對賈汪區所有礦區終采資料收集的基礎上（截至2018年12月），將研究區的采空區根據開采結束的時間劃分為老采空區、新采空區和準采空區。進入殘余期的采空區為老采空區，尚處在地表移動期（開始期+活躍期+衰退期）的采空區為新采空區。

根據以上劃分原則，研究區內的新采空區和準采空區均分布在旗山礦開采的范圍，新采空區開采的年代為2012—2015年。其中旗山礦2016初已停采閉坑，故本次研究不考慮準采空區。新采空區主要分布在小莊、大蔡莊及東大吳一帶。其他煤礦大都關閉較早，且開采深度相對較淺，經判定為處于殘余變形期的老采空區。

3 采空區場地穩定性評價

在對賈汪礦區分布情況劃分的基礎上，本研究以終采時間為主控因素（截止到2018年12月），地面殘余變形特征（采深和采厚比H/M、采深H、煤層傾角及野外調查建筑物使用情況）為輔助指標，綜合對賈汪礦區場地穩定性進行整體劃分。

3.1 穩定性分級的劃分

首先以時間作為主要因素進行劃分，即終采時間小于0.8 a劃定為不穩定，0.8～1.2 a為基本穩定，大于1.2 a為穩定。劃分的結果見圖2。

其次考慮地面殘余變形特征對穩定性的影響，殘余變形特征是定性指標，根據殘余變形的特點和發生在移動盆地的相對位置，評價時采用采深H、采深和采厚比H/M、煤層傾角及野外調查建筑物使用情況綜合確定，具體按如下方法進行劃分。

3.1.1 A類采空區

總體上雖然頂板為充分垮落狀態，但在淺部普遍存在小煤礦開采，小煤礦的工作面跨度小，頂板的垮落有可能出現不充分狀態，因此也用采深采厚比H/M小于30劃定為不穩定區，介于30～60為基本穩定區，但當深度大于200 m時劃定為穩定區，采深采厚比大于60劃定為穩定區。

3.1.2 B類采空區

因頂板垮落不充分，在埋藏淺的地段，雖然暫時處于相對穩定狀態，但在地質環境條件發生變化時，采空區頂板的垮落可能會引起地表出現一些非連續變形，對地面建筑的危害大，因此劃分為不穩定區，具體各類采空區劃分方案如下。

（1）B1類采空區。當采深采厚比H/M小于30時，先劃定為不穩定區，若該地段野外調查存在大量安全使用多年的建筑時，再按基本穩定劃定，在采深采厚比介于30～60時，按基本穩定區劃定，大于60時按穩定區劃定。

（2）B2類采空區。開采方式多樣，頂板垮落狀況差異大，情況復雜，因此按采深采厚比H/M小于40劃定不穩定地段，當地表有大量安全使用多年的建筑時，再按基本穩定劃定，H/M介于40～80劃定為基本穩定地段，大于80時劃定為穩定地段。

（3）B3類采空區。當地層傾角大于55°時，頂板再次垮落后容易出現地表塌陷坑、臺階狀裂縫等非連續變形，因此劃定為不穩定區，當地面有大量安全使用多年的建筑時，再進一步劃定為基本穩定區，在地層傾角介于45°～55°按基本穩定劃分，但采空區深度超過200 m時，劃定為穩定區。

3.1.3 C類采空區

因地表有大量安全使用多年的建筑物，根據賈汪地區的建筑經驗直接劃定為穩定區。

3.2 穩定性分級區域的確定

最終穩定性分級圖的確定要考慮在地表的影響范圍。對于采空區覆巖移動的影響寬度，因老采空區覆巖與新采空區覆巖移動變形規律不同，對于老采空區，其覆巖移動主要是由殘余空洞、裂隙的再垮落和壓密過程引起的，其在地表的影響范圍遠較開采過程小，根據相關規范的規定，評價時按終采時間劃定的不穩定區和基本穩定區。

按上述劃分的方法，最終形成的穩定性分級如圖3所示。從圖3中可知，不穩定區主要分布在以下幾個區域。

（1）旗山礦新采動的區域大致位于馮集—大蔡莊—湖里一帶，采深較大，均大于500 m，深厚比大于100，隨著時間的推移，最終將成為穩定區。

（2）韓橋礦區在B2采空區西部，大致位于北爬瓏沿煤層露頭向南至原韓橋小學一線大面積區域，地表多為大面積常年積水區，深厚比小于40，且建筑物稀少。

（3）青山泉一號井開采區域大致位于青山泉鎮至前八丁之間塌陷形成的常年積水區，地表變形劇烈，深厚比小，建筑物稀少，調查時發現仍有新建建筑物發生開裂現象。

（4）權臺礦西南及新湖礦急傾斜煤層區域地表變形較大，有發生抽冒的可能性，目前地表建筑物稀少，調查時發現有新建建筑物開裂變形現象。

（5）其余開采深厚比小于30且建筑物稀少的區域。

4 結論

（1）通過對采空區頂板垮落情況、開采方式、終采時間進行初步分析，對采空區進行劃分及分類；再以終采時間為主控因素，結合地表變形特點的采空區深度、采深采厚比，將采空區進一步分為穩定區、基本穩定區、不穩定區。

（2）不穩定區主要分布在旗山礦新開采地段、韓橋礦區、青山泉一號井長期積水區、權臺礦西南及新湖礦急傾斜煤層區，其余地段為基本穩定區和穩定區。

（3）采空區土地利用應根據采空區的穩定性、建筑物的重要性、變形要求和荷載特點等因素，采取“因地制宜”的原則選擇穩定或者基本穩定的地段，避免選擇不穩定的地段。