張森林，楊書民，張大志，李守奇

（河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)隊(duì)，河南焦作 454002）

0 引言

焦作市地面塌陷和地裂縫主要是人為采礦活動(dòng)和開挖地下工程造成的，其中以煤礦采空區(qū)造成的地面塌陷和地裂縫尤為顯著。據(jù)統(tǒng)計(jì)，焦作市煤礦采空塌陷區(qū)面積共計(jì)149km2，形成主要地面塌陷坑14個(gè)，破壞耕地約0.52×104hm2。由于采礦塌陷和地裂縫的存在，使公路部分路段遭受破壞，迫使進(jìn)行多次修復(fù)，個(gè)別廠礦、村莊被迫搬遷，造成直接經(jīng)濟(jì)損失3000多萬元，嚴(yán)重威脅著當(dāng)?shù)厝嗣裆?cái)產(chǎn)安全和社會(huì)穩(wěn)定。本文以焦作市某城中村改造建設(shè)場(chǎng)地地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估為例，對(duì)焦作市典型煤礦塌陷區(qū)地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行分析，并對(duì)其防治對(duì)策進(jìn)行探討［1］。

1 評(píng)估區(qū)概況

評(píng)估區(qū)地處太行山脈與豫北平原的交接地帶，地勢(shì)由北向南傾斜，海拔高度+163.91～+172.13m，相對(duì)高差8.22m。地貌單元為山前沖洪積傾斜平原。評(píng)估區(qū)面積約0.09km2。

評(píng)估區(qū)的巖性有奧陶系灰?guī)r，石炭系灰色砂巖、粉砂巖、灰白色鋁土泥巖，二疊系的灰、灰黑、黑色的砂巖、粉砂巖、泥巖和煤層以及第四系的黃土、粉質(zhì)粘土和粘土。礦區(qū)主要含煤巖系為二疊系下統(tǒng)山西組。評(píng)估區(qū)分布有松散巖類孔隙水、碎屑巖類裂隙水和碳酸鹽巖裂隙巖溶水三種地下水類型。

2 評(píng)估區(qū)遭受的主要地質(zhì)災(zāi)害類型

據(jù)調(diào)查，評(píng)估區(qū)主要遭受的地質(zhì)災(zāi)害類型為地面塌陷、地裂縫和地面不均勻沉陷等。由于長期的地下采礦開采，形成大面積的采空區(qū)，其上覆的巖層冒落、變形，以致失穩(wěn)沉陷，導(dǎo)致地表產(chǎn)生變形破壞，引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。

3 采空塌陷區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性分析

3.1 采深采厚比計(jì)算

根據(jù)《焦作礦務(wù)局焦東礦礦井報(bào)廢地質(zhì)總結(jié)報(bào)告》，該礦采用壁式采煤法，采區(qū)只采一層二1煤，此煤層在評(píng)估區(qū)內(nèi)平均厚度約5m，平均埋深約120m，經(jīng)計(jì)算采深采厚比約為24。國內(nèi)外采礦經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，當(dāng)煤層采深采厚比小于30時(shí)，煤采出一定面積后，會(huì)引起巖層移動(dòng)并波及到地表，其地表沉陷和變形在空間上和時(shí)間上都有明顯的不連續(xù)特征，地表變形劇烈，煤礦采空區(qū)上方會(huì)形成較大的裂縫或塌陷坑。當(dāng)采深采厚比介于30～100，地層中沒有較大的地質(zhì)破壞情況下，煤采出一定面積后，會(huì)引起巖層移動(dòng)并波及到地表，其地表沉陷和變形在空間上和時(shí)間上都有較明顯的連續(xù)性和一定的分布規(guī)律，常表現(xiàn)為地表移動(dòng)盆地；當(dāng)采深與采厚比大于100時(shí)，煤層開采對(duì)地表影響輕微。

另結(jié)合煤炭部制定的《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》（以下簡(jiǎn)稱《規(guī)程》）開采時(shí)引起的地表移動(dòng)規(guī)律，其移動(dòng)速度是由零逐漸增大，達(dá)到一定值后，又逐漸縮小趨于零。二1煤開采引起的地表移動(dòng)延續(xù)時(shí)間（T）用《規(guī)程》提供的下式進(jìn)行估算［2］，公式如下：

T=2.5H（d）（H為工作面平均采深（m））

將以上數(shù)據(jù)代入公式，區(qū)內(nèi)煤層開采以后，引起的地表移動(dòng)時(shí)間約為300d。據(jù)調(diào)查礦區(qū)已于1989年閉坑，自2000年以來未發(fā)現(xiàn)地面塌陷、地裂縫和地面沉降等地質(zhì)災(zāi)害有加劇的趨勢(shì)。因此綜合以上因素，現(xiàn)狀條件下，礦區(qū)內(nèi)地表的移動(dòng)變形趨于穩(wěn)定。但若在采空區(qū)上新建居民住宅樓，由于新建住宅樓的荷載向地下有一定影響深度，當(dāng)這個(gè)深度與地下采空區(qū)的垮落帶、斷裂帶相交疊時(shí)，就會(huì)破壞垮落斷裂帶業(yè)已平衡的狀態(tài)，而使覆巖與地表重新發(fā)生較大的移動(dòng)變形。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，“煤層開采后，當(dāng)最小采深（H采）大于垮落斷裂帶高度（H裂）與建筑荷載影響深度（H影）兩者之和時(shí)，采空區(qū)垮落斷裂帶不再因新加建筑物荷載擾動(dòng)而重新移動(dòng)，垮落斷裂帶的高度可用下式計(jì)算：

經(jīng)計(jì)算，擬建6層住宅樓，荷載影響深度（H影）為22m?？迓鋽嗔褞ё畲蟾叨菻裂=14m。而該區(qū)域煤層最小采深為100m。因此，新加的荷載不會(huì)使采空區(qū)再次發(fā)生較大的地表移動(dòng)變形。

3.2 地表移動(dòng)變形值及最大值的預(yù)測(cè)

我國目前實(shí)際應(yīng)用的地表移動(dòng)計(jì)算的理論和方法主要有典型曲線法、負(fù)指數(shù)函數(shù)法和概率積分法。其中概率積分法更全面考慮了影響地表移動(dòng)變形的各主要因素，因此，采用概率積分法計(jì)算礦井地表移動(dòng)變形是相對(duì)較準(zhǔn)確的。

根據(jù)該礦區(qū)地質(zhì)、煤層賦存條件、采煤方法等開采技術(shù)條件，結(jié)合《規(guī)程》中所列預(yù)測(cè)方法，本次評(píng)估采用概率積分法對(duì)地表移動(dòng)變形值進(jìn)行預(yù)測(cè)。地表移動(dòng)變形最大值用下列公式計(jì)算：

＜1＞最大下沉值：Wmax=m·η·cosα

＜4＞最大水平移動(dòng)值：Umax=b·Wmax

式中：η——下沉系數(shù)，采用0.7；

m——煤層采空區(qū)厚（m）；

r——主要影響半徑，其值為采深與主要影響正切值tgβ之比，取tgβ=2.14；

a——煤層傾角，為 8.2°；

b——水平移動(dòng)系數(shù)，取0.25。

將二1煤層數(shù)據(jù)帶入上述公式，得到結(jié)果見表1：

表1 地表移動(dòng)預(yù)測(cè)變形值Table 1 Estimation of ground surface displacement

上述計(jì)算結(jié)果表明，采空區(qū)及其影響范圍內(nèi)，由于二1煤煤層的采空最大下沉值、地表傾斜值、曲率值、水平變形值均很大。評(píng)估區(qū)位于二一采區(qū)的采空區(qū)之上，地面塌陷現(xiàn)象嚴(yán)重，最深可達(dá)5.0m，與調(diào)查結(jié)果是一致的。

由上述分析可知，評(píng)估區(qū)現(xiàn)狀條件下，地表的移動(dòng)變形值較大。如果在開采塌陷區(qū)上方興建新的建（構(gòu)）筑物，采空區(qū)的頂板巖層在自身重力、上覆巖層的壓力（包括新建構(gòu)筑物的荷載）作用下，使地表產(chǎn)生新的彎曲和變形，有可能加劇地面塌陷、地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，對(duì)附近居民、交通和公共設(shè)施產(chǎn)生一定的威脅［3］，且新建住宅樓共預(yù)計(jì)入住324戶，1036人，根據(jù)《河南省國土資源廳關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估工作的通知》（豫國土資發(fā)［2004］123號(hào)），建設(shè)項(xiàng)目重要性明細(xì)分類表，該項(xiàng)目屬于重要建設(shè)項(xiàng)目，須采取一定的防治措施。

4 地質(zhì)災(zāi)害防治措施

4.1 地面塌陷防治措施

（1）要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，煤礦區(qū)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害主要是由開采引起的，是生產(chǎn)過程中變形、破壞和環(huán)境惡化的積累和延續(xù)，利用現(xiàn)有的理論對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)可能引起災(zāi)害的破壞，提前采取相應(yīng)措施。這樣就可根據(jù)經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益綜合考慮，提前規(guī)劃，防患于未然。在總結(jié)歷年來各個(gè)大中型煤礦生產(chǎn)過程中發(fā)生災(zāi)害的基礎(chǔ)上。究其原因，尋其根源，為以后研究相關(guān)災(zāi)害提供依據(jù)，處理好社會(huì)穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、技術(shù)能力、環(huán)境保護(hù)、生態(tài)恢復(fù)等因素之間的協(xié)調(diào)關(guān)系［4］。

（2）礦區(qū)塌陷是礦山地下采空造成的。而采出的矸石、尾礦等無法利用部分卻作為廢棄物堆積在礦區(qū)周圍，既占用土地又污染環(huán)境。因此對(duì)礦山采空區(qū)塌陷的治理可采用充填復(fù)墾法。這種方法是利用礦區(qū)附近的煤矸石、粉煤灰、露天礦剝離物等可供利用的充填材料充填采空塌陷區(qū)。這樣既解決了礦山固體廢棄物的處理問題，又能防治固體廢棄物對(duì)環(huán)境的污染，所以經(jīng)濟(jì)效益最佳。

（3）在地下采空區(qū)新建建（構(gòu)）筑物時(shí)，應(yīng)采用地球物理勘探、鉆探等手段對(duì)其建設(shè)場(chǎng)地進(jìn)行詳細(xì)的巖土工程地質(zhì)勘查和地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，查明地下采空區(qū)的分布情況，以便對(duì)房屋的基礎(chǔ)和建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并采取有效的建筑措施和結(jié)構(gòu)措施，以減少地表變形對(duì)建筑物的影響，治理的方法如灌注漿等［5］。

4.2 地裂縫防治措施

對(duì)已經(jīng)閉坑的礦區(qū)，對(duì)已有的地裂縫進(jìn)行治理是非常關(guān)鍵的。治理前首先應(yīng)調(diào)查其集合特征、成因，對(duì)于沉降盆地邊緣的地裂縫，可采用灌注漿的方法治理；對(duì)于采空塌陷地裂縫，治理方法較多，如采用尾礦石回填、灌注漿等。

5 結(jié)論

（1）由采深采厚比的計(jì)算可知，該評(píng)估區(qū)的采深采厚比為24，另根據(jù)《規(guī)程》中地表移動(dòng)規(guī)律，評(píng)估區(qū)地表的移動(dòng)變形趨于穩(wěn)定。

（2）由概率積分法對(duì)地表移動(dòng)變形值及最大值的預(yù)測(cè)可知，評(píng)估區(qū)的最大下沉值、地表傾斜值、曲率值、水平變形值均很大，且該項(xiàng)目為重要建設(shè)項(xiàng)目，須采取一定的防治措施。

（3）目前很多地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估報(bào)告缺乏一定的分析論證，往往是遇到采空區(qū)不加分析論證就建議避讓，造成土地資源的浪費(fèi)。因此，給出的計(jì)算方法可為以后判定采空區(qū)的穩(wěn)定性提供一定的參考。

［1］謝立民，王長青.地面塌陷及地裂縫的成因及防治——葫蘆島市南票區(qū)及連山區(qū)礦產(chǎn)開采引起的地質(zhì)災(zāi)害［J］.化工礦產(chǎn)地質(zhì)，2007，29（2）：101-106.

［2］金連生，牟金鎖.《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2000，20-45.

［3］李洪文，汪立.典型煤礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害與防治［J］.測(cè)繪工程，2006，15（6）：54-56.

［4］李瑞敏，劉玉梓，等.中國主要環(huán)境地質(zhì)問題［M］.北京：地質(zhì)出版社，2007：512-529.

［5］潘懋，李鐵鋒.災(zāi)害地質(zhì)學(xué)［M］.北京：北京大學(xué)出版社，2002，164-170.