黃鳳寸 蘭建梅 周光輝 李劍

摘 要? 礦業(yè)開發(fā)為湖南省社會進(jìn)步和國民經(jīng)濟的發(fā)展做出了很大的貢獻(xiàn)，但同時，在很大程度上礦山開采也對礦區(qū)環(huán)境造成了一定的破壞，特別是采空區(qū)地面變形地質(zhì)災(zāi)害對生態(tài)環(huán)境的影響廣而深遠(yuǎn)，因此有必要開展全省采空區(qū)地面變形的趨勢研究，為未來礦業(yè)的開發(fā)及環(huán)境保護(hù)提供理論指導(dǎo)。本文以湖南省礦山采空地面變形現(xiàn)狀為基礎(chǔ)，結(jié)合地質(zhì)環(huán)境條件，綜合分析全省礦山采空地面變形發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞? 采空地面變形;現(xiàn)狀;發(fā)展趨勢

中圖分類號：TD327? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstact： Mining has made a great contribution to the social progress and national economic development in Hunan Province， but at the same time， mining has also caused some damage to the environment of mining areas to a large extent. Especially the geological disasters of goaf ground deformation have a wide and far-reaching impact on the ecological environment， so it is necessary to study the trend of goaf ground deformation in the whole province， and provide theoretical guidance for future mining development and environmental protection. Based on the present situation of goaf ground deformation of mines in Hunan Province and combined with the geological environment， this paper comprehensively analyzes the development trend of goaf ground deformation of mines in Hunan Province.

Keywords： ground deformation in goaf; present situation; developing trend

0? 引言

湖南省礦產(chǎn)資源豐富，開發(fā)利用程度高，素有 “江南煤?！焙汀坝猩饘僦l(xiāng)”的美譽，礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用為國民經(jīng)濟的發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)，然而，由于歷史遺留問題、開采技術(shù)、保護(hù)措施的限制或不到位，引發(fā)了大面積采空區(qū)地面變形地質(zhì)災(zāi)害，對人民的生命財產(chǎn)、人居環(huán)境造成了巨大損失。分析礦山采空地面變形發(fā)展趨勢，研究防治對策，具有重大意義。

1? 礦山采空地面變形現(xiàn)狀

湖南省因采礦活動而引起的采空區(qū)地面變形（包括采空區(qū)地面沉陷、地面塌陷、地裂縫）分布較廣，據(jù)調(diào)查，全省因礦業(yè)活動引發(fā)采空區(qū)地面變形708處，變形總面積約9571公頃。

1、形態(tài)特征

地面沉陷：全省共發(fā)生此類地質(zhì)災(zāi)害354處，占地面變形災(zāi)害總數(shù)的一半。不均勻沉陷多呈圓形、橢圓形、長條形，少數(shù)為不規(guī)則多邊形，累計沉陷面積約8256公頃;地面塌陷：全省采礦引起的采空地面塌陷共有192處，占災(zāi)害總數(shù)的27%左右，塌陷坑約1400個，陷坑群以群集式為主，累計塌陷面積約857公頃;地裂縫：全省采礦引起的地裂縫共有162條，占災(zāi)害總數(shù)的23%，變形面積合計458公頃（圖1）。裂縫形態(tài)以弧線和直線為主，以拉張裂縫為主。

2、分布特征

從地域分析，婁底市范圍最大，分布面積約5300公頃，占全省采空區(qū)地面變形分布面積的55%。次為長沙市，分布面積1444公頃;從礦產(chǎn)類別分析，能源礦產(chǎn)變形范圍最大，分布面積8575公頃，其中煤礦山變形面積8575公頃，占全省采空地面變形面積的89.6%（圖2）;從時間上看：20世紀(jì)90年代末至2010年前這二十年間是我省采空區(qū)地面塌陷災(zāi)害高發(fā)期，共發(fā)生地面變形469處。

2? 采空區(qū)地面變形發(fā)展趨勢分析

1、繼續(xù)開采條件下發(fā)生采空區(qū)地面變形災(zāi)害的可能性預(yù)測

（1）繼續(xù)開采條件下地質(zhì)環(huán)境變化趨勢分析

①地質(zhì)、構(gòu)造條件不變：地質(zhì)、構(gòu)造條件是地質(zhì)歷史時期形成，不受人為因素的影響。礦層的傾角頂板的巖石力學(xué)性質(zhì)、第四系的覆蓋厚度、地形地貌等，無論繼續(xù)開采條件還是閉礦條件下對這些地質(zhì)環(huán)境條件均不會發(fā)生多大改變。

②礦層埋深變大：隨著淺部資源的開采殆盡，未來的礦山會向深部開采。前已述及地表的各項變形值是與采深成反比的，即在其它條件相同的情況下，采深越大，對地表的破壞也越小。在充分采動的條件下，則影響范圍更大，但破壞的烈度會變小。

③開采方法與頂板管理工藝基本不變：目前全省煤礦基本采用走向壁式采煤法、全部陷落法管理頂板，鑒于湖南省煤礦的賦存條件，在未來的繼續(xù)開采中仍將采用相同的采煤方法及頂板管理方法;金屬礦非金屬礦一般采用充填法、房柱法采礦、留礦法采礦，在未來的繼續(xù)開采中也將采用以上方法采礦;目前全省石膏礦全部采用房柱式開采，未來繼續(xù)開采也將沿用此方法。

④采空區(qū)面積逐漸變大：目前全省采用充填法開采的礦山占很小的比例，大部分礦山開采完后均留下了大量的采空區(qū)。隨著礦山的繼續(xù)開采，礦石與廢石的不斷出窿，下地采空區(qū)的范圍也將越來越大。

因此全省范圍內(nèi)在未來繼續(xù)開采的情況下，除了采深和采空區(qū)面積有變大的趨勢外，影響采空區(qū)地面變形的其它因素基本沒有大的變化。

（2）引發(fā)、加劇采空區(qū)地面變形的可能性預(yù)測總的來說，未來全省采空區(qū)地面變形的發(fā)展趨勢為，主要變形區(qū)為婁底市及郴州市，全省地面變形的破壞程度及變形速度將有所減緩，但變形范圍在一定時期內(nèi)仍呈上升趨勢。目前全省采空區(qū)地面變形主要分布在婁底市、邵陽市（尤以邵東為主）、長沙市及郴州市。繼續(xù)開采過程中，各種地質(zhì)環(huán)境因素變化不大，但礦山開采深度會有所增加，則采空區(qū)地面變形的程度減弱、發(fā)展趨勢將有所減緩;采空區(qū)面積逐漸變大，會導(dǎo)致地面變形的范圍有所變大，但長沙及邵陽兩市的煤礦已經(jīng)全部關(guān)閉，因此變形將會大幅降低。

2、資源枯竭閉坑后采空區(qū)地面變形地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生預(yù)測

（1）煤礦山

我省煤炭賦存條件普遍較差，礦山開采又采用全部陷落法管理頂板。當(dāng)開采空間面積過大，頂板圍巖所受的拉應(yīng)力超過巖體的抗拉強度極限時，就會發(fā)生破壞、冒落，當(dāng)陷落的巖土體填滿采空區(qū)后冒落停止。在冒落過程中地表會因巖層移動后下沉開裂。當(dāng)工作面回采完畢后的8～12個月為地表的劇烈變形期，2～3年為緩慢變形期，也即當(dāng)?shù)V山資源枯竭閉坑后8～12個月時，采空區(qū)地面變形會出現(xiàn)一個明顯增長加劇的趨勢，2～3年后采空區(qū)地面變形變緩至停止。據(jù)《湖南省地質(zhì)災(zāi)害》，湖南的煤礦山由于條件復(fù)雜、變化大，故變形延續(xù)時間變化也大，當(dāng)采深在270m以上時，移動活動總時間一般為173天～840天，也即湖南省煤礦山在停止開采后半年到2年半的時間內(nèi)地面變形基本穩(wěn)定。

（2）金屬礦山與非金屬礦山

全省金屬非金屬礦山大多采用房柱法、崩落法、留礦法采礦，而發(fā)生采空區(qū)地面變形災(zāi)害的礦山多為房柱法、崩落法開采礦山。如果嚴(yán)格按規(guī)范開采，則地表不容易發(fā)生變形，但上世紀(jì)80年代以來，礦業(yè)開采秩序混亂，非法、無規(guī)劃的亂采濫挖，導(dǎo)致礦柱留設(shè)隨意、開采淺、采空比大等問題增大了采空區(qū)的安全隱患程度，一部分老礦山由國有改為私有時，新企業(yè)對留設(shè)的礦柱進(jìn)行回采的情況非常普遍。導(dǎo)致部分礦山在生產(chǎn)時期采空區(qū)變形不明顯，但在閉坑以后，地下水位逐漸恢復(fù)，在地下水對礦柱的溶蝕等作用下反而出現(xiàn)大量的變形災(zāi)害，如邵東石膏礦區(qū)。目前我省已對大部分石膏礦進(jìn)行了關(guān)閉，但由于原來開采的不規(guī)范等因素，這些已經(jīng)閉坑的礦山仍然有發(fā)生地面變形的可能，且以突發(fā)性為主，在季節(jié)上與全省雨季相吻合。目前全省對生產(chǎn)的石膏礦正在進(jìn)行整頓，規(guī)范其開采方式，因此未來石膏礦閉坑后發(fā)生大范圍地面變形災(zāi)害的可能性會逐漸降低;目前絕大部分的金屬礦山對采空區(qū)未進(jìn)行處理，因此閉坑后，當(dāng)采空區(qū)頂板的巖石抗拉強度達(dá)到極限時，會發(fā)生整體冒落，導(dǎo)致地面發(fā)生形變。因此金屬礦山閉坑后，仍有發(fā)生采空區(qū)地面變形的可能性，但較生產(chǎn)時期會有所減少。

3、發(fā)災(zāi)時間規(guī)律分析

地下水對地面變形的影響非常重要，有關(guān)實驗表明，巖石單軸抗壓強度隨著含水率的增加逐漸降低，降低到一定程度后處于穩(wěn)定的狀態(tài)。同時含水率隨著浸水時間增加逐漸增加達(dá)到飽和后處于穩(wěn)定的狀態(tài)。巖石的彈性模量與含水率的關(guān)系基本上與單軸抗壓強度與含水率的關(guān)系是一致的，因此地下水活動會加快變形速度，擴大變形范圍，增大地表變形值。故有地下水參與作用的礦山，頂板巖層變形破壞往往較強烈。湖南省絕大部分礦山都有地下水的參與，尤其是煤礦山及石膏礦山。而采空區(qū)地下水充水來源主要為大氣降水與地表水，地下水位受大氣降水影響較大，一般來說雨季水位高，旱季水位低，地下水位波動變化大。

據(jù)對已查明發(fā)災(zāi)時間的411處采空區(qū)地面變形災(zāi)害進(jìn)行統(tǒng)計分析，湖南省地面變形災(zāi)害發(fā)生時間在月份上呈一個近拋物線（開口向下）走勢，主要集中發(fā)生在3～8月，共計發(fā)生325處，占已查明發(fā)災(zāi)時間地面變形總數(shù)的79.08%。5月份發(fā)災(zāi)數(shù)量最多，為72處，占總數(shù)的17.52%。這和湖南省的雨季基本吻合。因此預(yù)測未來湖南省采空地面變形災(zāi)害的高發(fā)期為每年的3～8月（圖3）。

從對已發(fā)生的采空區(qū)地面變形的時間分布統(tǒng)計來看，從對已發(fā)生的采空區(qū)地面塌陷的時間分布統(tǒng)計來看（圖4），我省采空區(qū)地面塌陷災(zāi)害從20世紀(jì)50年代至2010年間呈現(xiàn)一個上升趨勢，特別是20世紀(jì)90年代末至2010年前這二十年間是我省采空區(qū)地面塌陷災(zāi)害的高發(fā)期，塌陷災(zāi)害呈迅速增長的勢態(tài)。到了2010年后，采空區(qū)地面塌陷災(zāi)害的數(shù)量急劇減少，上世紀(jì)80年代的亂采亂挖現(xiàn)象造成對地表的破壞能量已經(jīng)基本釋放，預(yù)測未來全省采空區(qū)地面塌陷災(zāi)害的發(fā)生將呈現(xiàn)一個減弱的趨勢。

參考文獻(xiàn)/References

[1]李貴仁，戴長華.湖南省礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)研究[M]·地質(zhì)出版社. 2015.3.

[2]楊順泉，李佐海等·湖南地質(zhì)災(zāi)害[M]湖南科學(xué)技術(shù)出版社. 1999.

[3]周光輝，戴長華等.湖南省礦山地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢研究[R].湖南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站.2010.5.

[4]謝文輝，劉雙平等.邵東縣城石膏礦采空區(qū)地面變形調(diào)查與評價報告[R]·湖南省地球物理地球化學(xué)勘查院、湖南省水工環(huán)地質(zhì)工程勘察院. 2016.12.

[5]馬文瀚，段中滿等.湖南省寧鄉(xiāng)縣煤炭壩地區(qū)地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查報告[R].湖南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站.2010年8月.

[6] 尹歐，楊帆等.湖南省衡陽市常寧市鹽湖鎮(zhèn)上沖村地面變形地質(zhì)災(zāi)害補充調(diào)查報告[R].湖南省地質(zhì)調(diào)查院.2017.10.