某煤礦開裂山體穩定性評價及防治措施建議

王剛　王劉文　李海　豐建

［關鍵詞］煤礦；地質災害；穩定性評價；防治措施

貴州省是西南產煤大省、南方重要的煤炭資源基地[1]，但同時貴州煤礦分布區以山地地貌為主，地形起伏大、地質環境脆弱[2]。煤礦開采引發地質災害的問題較突出，在坡度相對平緩地段易引發采空塌陷、地裂縫，在地勢較陡地段易引發山體開裂、陡崖崩塌[3-4]。引發的地質災害給人民生命財產安全帶來隱患，同時威脅著煤礦的安全生產。目前山體滑坡穩定性方面的研究較多[5-6]，但對于煤礦開采引發的開裂山體的穩定性的相關文獻研究不夠充分[7]。由于科學合理地分析地質災害的穩定性是制定其防治措施的基礎，本文從地質環境條件、采空區分布情況、山體變形特征、結構面組合以及地質災害發育特征等方面對某煤礦開裂山體穩定性進行評價，在此基礎上提出防治建議，保障人民生命財產安全，以促進煤礦的安全、可持續開采。

1. 研究區概況

1.1 煤礦概況

該煤礦為一生產礦井，始建于2003年，原生產能力為6×10⁴t/a，為擴大生產規模、提高經濟效益，于2006年申請技改擴能，并于當年獲得批準，擬設計生產規模30×10⁴t/a。該煤礦共劃分為二個水平，+1125m以上為一水平，其余為二水平，四個采區開拓。煤礦開拓方式為斜井開拓，采煤開采方式為走向長壁式、全部垮落法管理頂板。研究區含可采煤層8層，其中全區可采煤層為4、9、16、17號4層，大部可采煤層為11、14號煤2層，局部可采煤層18、19號煤2層。

1.2 地質環境條件

研究區以低中山侵蝕溶蝕地貌為主，地形起伏較大，地勢東北較高西南較低。自然地形標高+1292～+1647 m，相對最大高差約345 m，一般低于250 m。地層從老到新出露有二疊系中統茅口組（P2m）、二疊系上統龍潭組（P3l）煤系地層、二疊系上統長興組（P3c）灰巖、三疊系下統夜郎組（T1y）砂泥巖、三疊系下統茅草鋪組（T1m）灰巖以及第四系殘坡積。地層總體走向NE，傾向NW。地層傾角10°～33°，平均22°。研究區總體為一單斜構造，周邊無區域性大斷層通過，區內次級斷層也不發育，地震基本烈度6。

礦區內地下水類型主要為巖溶水和基巖裂隙水，少量孔隙水。大氣降水通過巖、土中的風化裂隙、構造裂隙、孔隙等滲入地下，地形起伏較大，地下水排泄較通暢。基巖中裂隙發育，常呈開放狀態，地下水總體由南西向北東徑流。

1.3 山體裂縫發育特征

山體開裂區域位于工業場地北側約260m處的半坡旱地中。其走向210°～270°，一般走向為245°。其中主要的地裂縫DL1實測長度約100 m，裂縫一般寬度為10～90 cm，目前最大寬度達168 cm。DL1發育地層為三疊系上統龍潭組（P3 l），地表為0～2 m厚的耕植土，土層下部為殘坡積土層和崩塌堆積體形成的礫石夾土，礫石含量超過70%，土層厚度約2～10 m。經現場調查，部分裂縫段已被耕土掩埋，現場可見最大深度約1.5～2 m。

裂縫主要位于11401采空區正上方，該采空區于2009年回采完畢。裂縫一般走向為245°，與11401工作面走向基本一致，符合采煤沉陷規律，初步分析認為該采空區塌陷引起地表破壞從而形成地表裂縫區域；煤礦停采至今約6年，裂縫區域未發生較大變形，趨于穩定。

2. 開裂山體穩定性分析

2.1 地質災害形成機制

2.1.1 煤層開采引發地表變形破壞機制

研究區內塌陷坑、地裂縫等現狀地質災害形成順序與采掘時間先后順序基本一致。根據采空區分布特征，重復采動區域形成采空區影響范圍內裂縫發育，裂縫數量明顯增多。由此可判定煤層重復開采部分采空區塌陷對上覆巖層影響明顯，地表地質災害數量和發育程度與采空區分布、重復采動影響呈正相關。因此，煤礦采空區塌陷是引發礦區內現狀地質災害的主要原因。

2.1.2 地形地貌

主要裂縫發育于緩坡帶旱地中，地形相對平整。其中裂縫以小角度相交于緩地邊緣，南側巖土體坡度較大，約為35°～40°，局部呈陡坎狀，坡度可達60°～75°。經DL1切割后，地表土體相對獨立且有向南側臨空面滑塌的趨勢，從而使得DL1表現有繼續擴大的現象。根據2020年礦方監測資料，亦能看出DL1處于不斷向南側擴張變形的過程中。據此推測，在DL1南側臨近地段存在局部不穩定斜坡（BW1），向南側臨空面發生滑移，致使后緣DL1不斷變寬，其實質為淺層堆積-殘積土層向低處蠕滑，導致裂縫DL1的拉裂變化。

2.1.3降雨

大量降水賦存于地表風化土層和崩落堆積層，無法及時消散，極大降低了地表松散層的力學強度，加大了巖土層臨空面的下滑力，導致不穩定斜坡發生淺表滑動變形，致使DL3形成拉裂式破壞，從而加劇了DL1的變形程度。

2.1.4地層巖性

DL1發育地層為三疊系上統龍潭組（P₃l），地層巖性主要為泥質粉砂巖和粉砂質泥巖。因處于地表，煤系地層受風氧化作用，地表呈現全風化-強風化狀態，風化帶厚度約1～10 m。緩坡地帶堆積有來自于長興組（P₃c）、夜郎組（T₁y）的灰巖、砂泥巖的崩塌體堆積層，厚度約0～2 m。DL1發育地層屬較堅硬巖組，因采空區塌陷較易造成地表彈塑性破壞從而引發地裂縫。

2.2 穩定性分析

2.2.1整體穩定性影響因素

（1）坡向-結構面組合

調查區地貌形態為構造侵蝕低中山地貌類型，地裂縫發育區域位于山體中下部緩坡帶，坡度一般20°～50°。DL1發育區域坡向為170°～180°，坡度約30°～35°，發育地層位于三疊系上統龍潭組，地層產狀為336°∠24°，主要發育兩組節理面：J1 產狀272°∠75°，J2產狀108°∠75°，根據采用赤平投影分析（圖1），坡向和層面傾向反，屬于逆向坡，整體穩定性好。

（2）根據采動邊坡失穩條件分析采空區地表穩定性

根據滑坡形成的特性，必先具備為滑坡提供了滑移變形和潛在剪出口的臨空面、存在可形成滑帶的軟弱層以及存在促成滑動的地下水或其他外因[8-9]。否則采動影響下的塌陷再嚴重也不會產生大面積滑坡。

根據本次調查結果，地表斜坡為逆向坡，巖層平均傾角約22°，覆巖中以三疊系夜郎組沙堡灣段砂泥巖、玉龍山段灰巖為主，調查區附近無較大斷裂構造通過，巖層分布連續，不可能形成使斜坡體滑移的連續軟弱面；區內地下水主要以基巖裂隙水賦存于覆巖中，為非承壓水，水位變化對巖體整體穩定性影響小。即現狀開采條件下，山體開裂區域附近地表主要以開裂下沉為主，地裂縫深部延伸傾向與坡向相反，不會形成貫穿性滑動面，不會引發大面積滑坡。

2.2.2區域局部穩定性評價

山體開裂區域整體處于穩定狀態，且礦方繼續開采深部煤層不會對開裂區域造成影響，隨著終采時間變長開裂區域愈發穩定。不穩定斜坡段具有局部滑塌條件，因強降雨、地層巖土體松散軟弱、較大坡度的臨空面等因素可能發生局部滑動、變形，山體開裂區域因地表附近堆積層將向下滑塌而發生擴張，區域局部處于不穩定—欠穩定狀態。根據收集資料確定的計算參數和計算模型采用理證巖土軟件對各災害體進行穩定性系數計算，計算結果和現場情況吻合，詳見表1。

2.3 綜合分析

山體開裂區域整體處于穩定狀態，不會形成貫穿性滑動面，無整體滑動可能性，不會形成大面積滑坡，但具有局部滑塌條件?；麦w沿坡面滑塌，最終影響范圍由DL1發育位置至硬化道路南側緩坡地帶，開裂區域不會對工業場地和周邊戶村民房屋造成危害。

3. 地質災害防治措施建議

根據前述山體開裂區域地質災害特征、發展趨勢以及防治目的，結合其發育特征、分布規律、巖土結構、現狀穩定程度、受威脅對象、影響邊界等綜合確定防治方案為“局部削方+地裂縫回填+監測預警”。

局部削方：對不穩定斜坡上部采取削坡減載措施，完全消除局部滑坡的可能性，保持山體開裂區域淺表部穩定不發生滑坡，從而保證周邊環境安全，避免造成道路、旱地和建構筑物的損毀。

地裂縫回填：山體開裂區域內發育有數條地裂縫，寬度和深度較小地段可采用粘土填塞夯實，并采用防水膜覆蓋，避免雨水滲入降低回填效果。

監測預警：監測內容包括位移、裂縫、降雨量等，對地裂縫設置裂縫儀，不穩定斜坡區域設置位移監測點，充分利用現有監測設施和資料基礎上，建立系統化、立體化監測系統。

4. 結論與認識

（1）該山體開裂地質災害主要為煤礦開采引發，其穩定性受采空區特征、地層巖性、結構面組合、地形地貌等控制。

（2）由于部分開裂山體周邊存在村寨，進行煤礦開采引發山體開裂穩定性評價時應客觀、科學，既不能盲目樂觀，也不能一味求安全、偏保守，以便幫助有關部門正確對待地質災害隱患、客觀決策。