淮南某開發區采空塌陷地質災害危險性評估與防治

陳陽 查顯東 秦福剛

（安徽省煤田地質局水文勘探隊 安徽宿州 234000）

0 引言

采空塌陷是典型的由地下資源開采引起的地質災害問題，其產生的根源是地下資源開采改變原巖應力狀態后反映在地表的采動損害［1］。采空塌陷區一般下沉速度大、范圍廣，因此對有采空塌陷區范圍內的建設工程進行地質災害危險性評估，可以為最大限度地降低開發區規劃建設的工程風險和維護費用，提供地質科學依據。本文主要以淮南某開發區為例，淺談了釆空塌陷地質災害危險性評估方法及防治措施，主要介紹了采空塌陷特點地質災害危險性評估的思路方法，對后續工程建設提供參考。

1 工程概況

安徽淮南采空塌陷占地質災害總數約40%，采空塌陷分布在礦山開采比較集中的鳳臺縣西北部。鳳臺縣位于淮河中游，淮北平原南緣，地處北緯32°至33°，東經116°至117°之間，交通便捷，可由淮河經洪澤湖通達長江，淮阜鐵路東西向橫穿開發區綜合園，距京九線阜陽站僅百余公里。開發區主要為工業用地及公共管理服務設施用地，依托鳳臺當地資源，實施產業整合和升級，重點發展精細化工產業、機械裝備產業和新型建材產業。地面構筑物大部分已建成，多為天然地基、樁基的框架結構、鋼筋砼結構。

2 地質環境條件

2.1 氣象水文

評估區屬暖溫帶半濕潤季風氣候與北亞熱帶濕潤季風氣候過渡帶，區內雨量較為豐富，降水量年際變化較大，多年平均降水量914.8 mm，年平均蒸發量（水面）1 653.6 mm，最大2 112.3 mm（1966 年），最小1 232.1 mm（2003 年），蒸發量大于降水量，相對濕度為72%～77%。主要河流淮河河床寬三四十米，歷年平均流量686 m3/s，水位標高一般在15 m，歷史最高洪水位為25.63 m，兩岸筑有大堤，堤頂高27 m 左右。大氣降雨通過地表徑流匯入周邊道路兩側的排水溝，排出區外。

2.2 地形地貌

評估區范圍內地勢開闊，地形平坦，綜合園區地面高程17.99～22.51 m，微地貌類型為沖積平原，第四系全新統懷遠組粉質黏土。

2.3 地層巖性

評估區屬華北地層大區晉冀魯豫地層區，徐淮地層分區淮南地層小區。評估區被厚層新生界掩蓋，地層由老到新主要為：新太古界-中元古界，寒武系，奧陶系中下統，石炭系太原組，二疊系山西組、下石盒子組、上石盒子組、孫家溝組，第四系。經查閱資料及野外調查評估區內無巖漿巖分布。周邊礦區煤系地層為石炭～二疊系地層，該套地層在評估區周邊被新生界地層所覆蓋。石炭系上統太原組地層厚度約130 m，所含煤質差、薄且極不穩定，無開采價值。

2.4 地質構造與區域地殼穩定性

阜鳳逆沖斷層走向為275°～310°，傾向SW，傾角為∠80°～45°，淺部傾角較大，深部傾角小，在傾向上呈犁形，斷層落差＞250 m。山王集斷層發育于鳳臺縣劉集鄉—山王鎮一帶的走向近東西、中斷向南偏轉、傾向南的逆斷層，傾角50°～55°，屬壓性斷層，沿斷層走向地層變化較大。斷層上下盤發育霍邱群、八公山群和寒武系地層，至新集以東被阜李斷層所截，向東至山王鎮新莊孜礦逐漸消失。

全新世平原區長期處于下降狀態且幅度減緩，形成河流地貌，且堆積，河兩岸堆積第四紀沉積物。經查閱資料及野外調查評估區未發現有明顯新構造運動跡象，穩定性較好。評估區內地震動峰值加速度為0.10 g，相應的地震基本烈度為Ⅶ度，故評估區地殼穩定性為基本穩定。

2.5 巖土體工程地質特征

評估區下部有一較堅硬-軟弱層狀碎屑巖。巖性主要為石炭系、二疊系、粉砂巖、炭質泥巖、泥巖組成，具中厚層至薄層結構，抗壓強度0～63 MPa。該區煤層的泥頁巖頂板抗壓強度低，據附近礦區資料，煤層頂板泥巖抗壓強度11.3～25.6 MPa，巖石力學強度較低，變形模量小，易坍塌、冒落，導致發生采空塌陷地質災害。

評估區土體廣泛分布多層黏性土、砂性土等，由全新統灰黃色黏性土和砂土、砂層組成，局部有淤泥質土，結構松散-稍密，承載力80～120 kPa，局部軟土具中-高壓縮性，承載力特征值較低。

2.6 水文地質條件

評估區主要為松散巖類孔隙水，多埋藏在淺層孔隙水中，該含水層之上有厚6～7 m 的粉質黏土，致使淺層含水層地下水水力性質為潛水－微承壓水，滲透系數0.3～5.0 m/d，水化學類型以HCO3-Ca·Mg 型為主，水溫一般在16.5～19.0 ℃，礦化度一般<1 g/L。評估區為飲用水源地保護區或準保護區，自農飲水安全提升工程實施以來，區域內少有開采淺層孔隙水且較為分散，農業灌溉主要利用河流坑塘等地表水，未存在集中開采地下水情況；城區、生活和部分鄉村生活用水主要集中或相對集中利用以淮河為水源的地表水廠水。

3 地質災害危險性現狀評估

現狀評估是在查明評估區地質環境特征、地質災害類型、規模、誘發因素與成因機理及其危害對象的基礎上，對其穩定性、危險性和評估區內建設工程危害的范圍與程度進行評估。通過收集資料和野外調查人員訪問，評估區內多為2 層或1 層廠房，無高層建筑，建筑物與河邊有一定的距離且有堤壩，與評估區南部山前斜坡仍有一段距離，因此評估區不具備產生崩滑流等地質災害的地形地貌條件。

3.1 巖溶塌陷危險性現狀評估

開發區南部為碳酸鹽巖淺隱伏區，區內上覆松散層厚10～30 m，下伏地層為奧陶系中系統灰巖，質純層厚。由于《某煤礦閉坑地質報告》礦區平均巖溶率為2.51%、線巖溶率及目前現狀，評估區線巖溶率取值5.8%。根據工勘報告，該區綜合穩定水位在0.9～2.2 m，水位變化幅度在1.5 m 左右。根據《地質災害危險性評估規范》（DZ/T 0286—2015）附錄D 表D.7，確定評估區現狀巖溶塌陷發育程度等級為中等。

3.2 采空塌陷危險性現狀評估

位于綜合園內的采空沉陷影響面積約0.04 km2，占場地建設面積（2.83 km2）比例約1.4%＜3%。根據現場調查，評估區及附近地表未見塌陷痕跡和裂縫條帶。根據《地質災害危險性評估規范》（DZ/T 0286—2015）附錄D表D.8（表1）［2］，確定評估區區現狀采空塌陷發育程度等級為弱。

表1 采空塌陷發育程度分級表

評估區處于采空塌陷影響范圍邊緣，對評估區造成的經濟損失中等，綜合判定現狀采空塌陷地質災害危險性中等。

4 地質災害危險性預測評估

某開發區綜合園界址點涉及1 宗礦產地，該煤礦2015 年已閉坑。由于開采井下煤炭資源，導致煤層頂底巖體之間形成了采空空間，尤其改變了頂部巖體內原應力平衡狀態，上覆巖層在重力作用下充填已采空空間，使上覆巖層依次發生冒落、斷裂、離層、裂隙、彎曲等不同的變形與破壞，該狀態逐漸波及地表，致使地表形成塌陷及裂縫，造成采空區塌陷地質災害。

根據《某煤礦閉坑地質報告》［3］顯示，某煤礦參加煤炭資源儲量計算的煤層共14 層，以C13煤層為最厚（平均為6 m 左右），主要煤層情況一覽表見表2。該礦礦權西北部分根據儲量核實報告顯示，由于地質構造極其復雜，為孤立狹長構造地段，對于此部分均不進行儲量估算。主區綜合園東北角部分位于沉陷區范圍附近，位置相對關系見圖1。

圖1 綜合園與煤礦位置關系圖

表2 某煤礦主要煤層情況一覽表

根據 《某煤礦閉坑地質報告》，閉坑后礦井水通過-612 mB4 煤底板巷排水管路進入新莊孜礦五水平水倉，正常排水，供礦井閉坑后排水使用，未與評估區形成水力聯系。

4.1 地表集中移動延續時間分析

根據《煤礦采空區巖土工程勘察規范》（GB 51044—2014）［4］，采空區場地穩定性可采用開采條件判別法，當無類似經驗時，宜以采空區終采時間為主要因素。

根據某煤礦煤層平均開采深度H0取372 m，T=2.5 H0=2.5×372=930 d，目前礦井已關閉。2017 年3 月編制閉坑地質報告，截至2021 年10 月，t=365×4+30×7=1 670 d＞1.2×930 d=1116 d，且t=1 670 d＞730 d，穩定等級為穩定。

4.2 地表殘余變形沉降分析

根據地區采礦經驗，出現地面塌陷雖已經穩定的采空區，也會由于自然力或外力人為擾動而發生塌陷或已穩定的塌陷出現“殘余變形沉降”現象。產生“殘余變形沉降”現象的根源是在破壞的覆巖中，雖然各種巖體結構依然存在，但伴隨這些結構形成的殘留空洞、裂縫、離層和破碎巖塊等欠壓密狀態，在一定外力作用下，均可出現“殘余變形沉降”現象。依據2017 版《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》［5］中的開采傾斜煤層地表下沉盆地的變形值計算見式（1）。

式中：r 為主要影響半徑；H1為松散層厚度；H2為基巖層厚度；α 為松散層移動角；β 為下山移動角；γ 為上山移動角。

根據《安徽某開發區壓覆礦產資源儲量調查評估報告》中提供的礦區實測的地表移動參數，地表松散層移動角α 取41°，基巖移動角下山β 取44°，根據評估區勘測數據，煤礦松散層平均厚度H1＝30 m，下山處H2=681 m，計算下山處影響半徑r=30/tan41°+681/tan44°=739.7 m。

依據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》，采空塌陷深度選用公式（2）計算。

式中：q 為下沉系數；Wcm為最大下沉值；M 為煤層的平均厚度；α 為礦層傾角。

參照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》 附表3-1 中巖性與預測關系相關關系表，中硬覆巖下沉系數經驗值按閉坑地質報告取0.75，礦層傾角α 取20°，煤層平均厚度6.0 m。

表3 按終采時間確定采空區場地穩定性等級

經計算預測煤礦塌陷區最終最大下沉深度約為4.23 m。

最大傾斜變形值：

icm=Wcm/r=4.23×1000/739.7=5.72 mm/m∈（3，6）mm/m

最大曲率變形值：

kcm=1.52 Wcm/r2=1.52×4.23×1000/739.72=0.012＜0.2 mm/m

最大水平變形值：

εcm=1.52 bWcm/r=1.52×0.18×4.23×1000/739.7=1.56 mm/m＜2 mm/m

式中：b 為水平移動系數，按《煤礦采空區巖土工程勘察規范》（GB 51044—2014）附錄J 取b=0.18。

根據 《地質災害危險性評估規范》（DZ/T 0286—2015）附錄D 表8（表1），按就高不就低原則，采空塌陷發育程度中等。

綜上所述，根據上述采空塌陷地質災害危險性預測評估及 《地質災害危險性評估規范》（DZ/T 0286—2015），預測評估區遭受采空塌陷地質災害的可能性中等，發育程度中等，危害程度中等，危險性中等。

5 地質災害危險性綜合評價

根據評估區地形平坦、沖擊平原地貌；無斷層、褶皺穿過等復雜的地質構造；區域地殼穩定性較為穩定；有稍堅硬碎屑巖及碳酸鹽巖和稍密黏土體；1～2 層含水層；破壞地質環境的人類工程活動強度較低；釆空塌陷位于評估區范圍占比極小，釆空塌陷導致地面塌陷狀態趨于穩層，其變化規律基本摸清，對評估區承災體影響中等、危險性中等。以“區內相似、區際相異”的原則，采用定性分析和半定量法，進行地質災害危險性綜合分區評估；根據預測評價結果，依照危險性分級標準，對評估區進行地質災害危險性綜合評價。

綜上所述，開發區主區綜合園東北部可能遭受采空塌陷地質災害，其危害程度中等，發育程度中等，危險性中等。其用地適宜性評價分級按照《地質災害危險性評估規范》（DZ/T 0286—2015）表24 為基本適宜。

6 采空塌陷防治措施

為避免和減輕開發區內建設工程活動對地質環境的不良影響，從而導致地質災害給人民生命財產安全造成的損失，根據地質災害危險性綜合評價結果，結合評估區地質環境背景，提出以下防治措施和建議。

（1）對采空塌陷影響范圍內的工程建設房屋高度進行限制，以矮層建筑為適宜，防止地表建筑物及重載廠房外在加壓，致使老采空區因受力過大而“活化”。

（2）如有大型設施或重要建設項目，宜對擬建場地進行詳細的勘察，查明場地巖土體工程特征，為項目設計、施工提供必要的參考依據，并采用抗殘余變形、活化變形的加強保護措施。

（3）對采煤沉陷區進行工程建設時，在技術和施工條件符合要求時，建筑物長軸應與地表下沉等值線相切為宜；大口徑重要地下管網設施宜在管口接頭處使用柔性接頭或設置補償器等措施。

（4）若經濟條件和環境條件允許，可在建設中和建設后進行場地的變形監測。

7 結論

（1）通過對采空區按終采時間判定穩層等級，以一般地表移動變形估算變形參數，快速便捷對采空塌陷區域進行綜合評估，這種粗略估算雖沒有對特定區域特定點位地表變形參數計算，但本次估算對區域綜合評判可謂1 種簡易評估方法。

（2）綜合園局部位于采煤塌陷區影響范圍內，采煤沉陷已經趨于穩定，經特征值預測其發育程度屬中等，危害程度中等，危險性中等，其適宜性基本適宜。