羅小平, 謝色新, 張建國(guó), 寧康超

(中國(guó)煤炭地質(zhì)總局廣東煤炭地質(zhì)局勘查院， 廣東 廣州 510440)

1 前言

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，城市地質(zhì)扮演越來越重要的角色。煤礦在開采過程中會(huì)在地下形成采空區(qū)，這些采空區(qū)會(huì)引起一系列的地質(zhì)災(zāi)害：地面坍塌、巖層移動(dòng)、地裂縫等。一旦發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害，往往影響范圍廣、損失大，易出現(xiàn)人員傷亡。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)發(fā)生大規(guī)模采空區(qū)災(zāi)害達(dá)180處以上，累計(jì)塌陷面積超過70萬(wàn)km2，造成的損失超過500億元。而對(duì)礦山城市，采空區(qū)災(zāi)害尤為嚴(yán)重，嚴(yán)重影響城市工程建設(shè)與發(fā)展，因而對(duì)采空區(qū)的研究重心也從礦山逐漸轉(zhuǎn)移到城市。

本文通過對(duì)廣州市嘉禾礦區(qū)以往煤田資料的綜合整理分析研究和調(diào)查走訪，以及礦區(qū)工程地質(zhì)勘察成果，查明嘉禾礦區(qū)采空區(qū)的分布范圍、深度和空間關(guān)系，明確不同深度采空區(qū)的橫向和縱向的影響范圍，進(jìn)而對(duì)煤礦采空區(qū)災(zāi)害做出分析，為城市建設(shè)勘察工作提供指導(dǎo)和參考經(jīng)驗(yàn)；進(jìn)一步豐富城市地質(zhì)災(zāi)害理論，為城市采空區(qū)的治理提供理論依據(jù)。

2 采空區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件

2.1 區(qū)域地質(zhì)背景

廣州市在大地構(gòu)造上位于華南褶皺系(一級(jí)構(gòu)造單元)，粵北、粵東北- 粵中拗陷帶(二級(jí)構(gòu)造單元)，粵中拗陷(三級(jí)構(gòu)造單元)，廣從斷裂、瘦狗嶺斷裂及廣三斷裂是本區(qū)構(gòu)造的基本骨架，自加里東構(gòu)造階段便開始活動(dòng)，經(jīng)歷了海西-齊全印支構(gòu)造階段、燕山構(gòu)造階段和喜馬拉雅山構(gòu)造階段，主要表現(xiàn)為強(qiáng)烈的繼承性斷裂活動(dòng)，并引起差異斷塊升降。主要以廣從斷裂和瘦狗嶺斷裂為界線分成四個(gè)構(gòu)造區(qū)：增城凸起，廣花凹陷，東莞盆地，三水?dāng)嘞菖璧豙1-2]。區(qū)域地震活動(dòng)微弱，地震烈度為6度，無(wú)活動(dòng)性斷裂，區(qū)域穩(wěn)定性較好。

采空區(qū)地層區(qū)劃屬東南地層區(qū)中的粵中地層分區(qū)，主要地層為石炭系中上統(tǒng)(C2+3)、上古生界二疊系上統(tǒng)(P)、三疊系下統(tǒng)(T1)、中生界白堊系上統(tǒng)(K2)、古近系古新統(tǒng)(E1)、第四系(Q4)。

區(qū)域僅個(gè)別地方見極少量安山巖侵入，呈脈狀貫入體，巖性為灰白色～淡綠色致密杏仁狀安山巖。

2.2 氣象水文

廣州市地處南亞熱帶，屬于南亞熱帶季風(fēng)氣候，受季風(fēng)環(huán)流所控制。冬季處于極地大陸高壓的東南緣，常吹偏北風(fēng)，恰在冷暖氣團(tuán)交綏地帶，氣象要素變化大。夏季受副熱帶高壓及南海低壓槽影響，常吹偏南風(fēng)，暖濕氣流的盛行，氣候高溫多雨，因而擺脫了干燥及信風(fēng)帶的影響，而表現(xiàn)出季風(fēng)氣候的特色。受低緯海洋濕潤(rùn)氣流的調(diào)節(jié)，夏季不像中國(guó)內(nèi)陸長(zhǎng)江流域一些盆地那樣酷熱。

整體來講，廣州地區(qū)日照充足，熱量豐富，長(zhǎng)夏無(wú)冬，雨量流沛，干濕季明顯。樹木常綠，花果常香，魚蝦常鮮。但熱帶氣旋、暴雨、洪澇、干旱、寒潮和低溫陰雨也常出現(xiàn)。

采空區(qū)周邊只有石井河、棠溪涌等小型河流，無(wú)大型河流，西距石井河直線距離約2.8 km、東距蕭崗涌直線距離約1.2 km。

2.3 地形地貌

新市墟站、新市墟- 白云文化廣場(chǎng)區(qū)間場(chǎng)地位于沖洪積平原地貌邊緣，車站以東逐漸進(jìn)入臺(tái)地地貌，車站大里程端場(chǎng)地為沖洪積平原地貌邊緣。地面標(biāo)高一般約9.2～10.9 m，新市墟站以東地面逐漸抬升至11～23 m。車站場(chǎng)地內(nèi)由于經(jīng)過城市化改造，地面較平整。

2.4 地層與巖石

地層主要為二疊系中統(tǒng)龍?zhí)督M、第四系。

龍?zhí)督M(P2l)地層上部為紫紅雜色含鐵質(zhì)粉砂巖與淺色細(xì)粒石英砂巖、砂質(zhì)泥巖互層；中部為灰白- 深灰色砂巖、粉砂巖互層，底見石英細(xì)砂巖；下部主要含煤層、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、高嶺土質(zhì)泥巖和煤交互成層，厚度較穩(wěn)定；其中第二段(P2l2)為主要含煤系地層。K1底～K3底屬海陸交替相沉積，厚約130 m，主要由灰～灰白色砂巖，灰～深灰色粉砂巖、泥巖和煤層組成，含煤19層。煤層平均間距為3～14.0 m。

采空區(qū)及周邊不見巖漿巖。

2.5 地質(zhì)構(gòu)造

采空區(qū)位于廣花凹陷東南緣的新市- 嘉禾向斜東翼，向斜為一被斷裂所復(fù)雜化的單斜構(gòu)造，受新華夏構(gòu)造體系所控制，地層走向北東5°～30°，傾向北西，傾角一般為40°～70°，局部直立倒轉(zhuǎn)，構(gòu)造以斷裂為主，區(qū)內(nèi)斷層主要有13條，其性質(zhì)為走向、橫向及斜向正斷層或逆斷層，斷層對(duì)煤層破壞很大，構(gòu)造復(fù)雜程度屬?gòu)?fù)雜[3-4]。

2.6 工程地質(zhì)條件

巖土層劃分為八大層，從上往下分別為：①人工填土；②沖積- 洪積砂層；③沖積- 洪積土層，包括河湖相淤泥質(zhì)土、可塑狀粉質(zhì)黏土；④殘積土層；⑤巖石全風(fēng)化帶；⑥巖石強(qiáng)風(fēng)化帶；⑦巖石中等風(fēng)化帶；⑧巖石微風(fēng)化帶。

礦井工程地質(zhì)條件較為良好，煤層頂?shù)装鍘r石一般比較穩(wěn)定。其頂?shù)装鍨閺?qiáng)風(fēng)化～中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、細(xì)砂巖。在主要煤層頂?shù)装? m以內(nèi)，巖石不完整，較破碎，屬軟巖～較硬巖，較不穩(wěn)定，常有冒頂片幫現(xiàn)象。

2.7 水文地質(zhì)條件

采空區(qū)及周邊地下水主要有兩種類型，分別為松散層孔隙水、基巖裂隙水。地下水水位埋深變化較大，一般穩(wěn)定水位埋深為1.5～4.20 m，標(biāo)高為4.97～8.94 m。第四系孔隙水主要接受大氣降水補(bǔ)給及含水層側(cè)向補(bǔ)給?；鶐r裂隙水主要由第四系孔隙水越流補(bǔ)給[5]。

2.8 井田開采情況

井田未做正規(guī)礦山設(shè)計(jì)，淺部有民窯開采。地表淺部小煤窯、老窿密布且開采歷史悠久，老窯及采空區(qū)無(wú)法查清。但據(jù)煤田鉆孔所見老窯推定在-30 m以上為采空區(qū)。

老窿主要為民間間歇性開采，距今時(shí)間長(zhǎng)，開采情況沒有書面記載，加上被后來工程活動(dòng)及植被生長(zhǎng)所掩蓋，地表調(diào)查難于發(fā)現(xiàn)。老窿常發(fā)生突然涌水，同時(shí)發(fā)生瓦斯爆炸，造成慘重傷亡事故。

地質(zhì)環(huán)境條件綜合分析：區(qū)域地質(zhì)背景條件復(fù)雜程度屬中到簡(jiǎn)單，地形地貌條件簡(jiǎn)單，地質(zhì)構(gòu)造條件簡(jiǎn)單，地層巖性和巖土體工程地質(zhì)性質(zhì)中到簡(jiǎn)單，考慮煤層因素為中到復(fù)雜，水文地質(zhì)條件中等，人類活動(dòng)對(duì)地質(zhì)環(huán)境的影響強(qiáng)烈。綜合評(píng)估認(rèn)為地質(zhì)環(huán)境條件復(fù)雜程度為復(fù)雜。綜合分析地質(zhì)環(huán)境條件各因素得出，采空區(qū)內(nèi)主要致災(zāi)地質(zhì)環(huán)境因素有人類工程活動(dòng)、地下采礦工程地質(zhì)條件，地質(zhì)構(gòu)造和水文地質(zhì)條件屬?gòu)膶僖蛩?，后期人類工程為激發(fā)因素。

3 城市采空區(qū)分布特征

3.1 采空區(qū)分布特征

1) 采空區(qū)縱向分布特征

地鐵線周圍通過物探智能微動(dòng)勘探推測(cè)采空區(qū)深度主要分布在10～70 m，具體如圖1所示。根據(jù)十四號(hào)線彭邊站專項(xiàng)勘察、詳勘鉆孔統(tǒng)計(jì)如圖2、圖3所示，鉆孔揭露采空區(qū)主要分布在10～50 m和70～80 m深度范圍內(nèi)，高程標(biāo)高為10～-30 m，局部標(biāo)高為-50～-60 m，與物探推測(cè)采空區(qū)深度情況幾乎一致。

圖1 廣州地鐵十四號(hào)線彭邊站物探揭露采空區(qū)深度分布

圖2 彭邊站周圍采空區(qū)埋深及高程分布圖

圖3 彭邊站采空區(qū)標(biāo)高分布圖

2) 采空區(qū)平面分布特征

采空區(qū)平面展布與煤層走向一致，采空區(qū)深度越大，平面分布范圍越大，采空區(qū)無(wú)固定形態(tài)，與煤層平面形態(tài)有一定的相似性，部分呈條帶狀[6]。

3.2 采空區(qū)充填特征

通過對(duì)采空區(qū)鉆探取芯，可以看出采空區(qū)充填特征：一是充填物以細(xì)粒的黏土、碎石、煤渣和木屑為主，松散堆積，具一定的壓實(shí)，巖芯采取率在50%以上，部分還能取出壓實(shí)較好的完整巖芯，鉆探過程中鉆進(jìn)速度快，輕微漏漿，頂板多為強(qiáng)風(fēng)化的粉砂巖或泥質(zhì)粉砂巖為主，裂隙發(fā)育多被壓實(shí)[7-8]。

二是充填物多以大顆粒的砂巖或粉砂巖碎石、木塊以及煤屑為主，松散堆積，壓實(shí)較差，尚未固結(jié)，巖芯采取率多在50%以下，鉆進(jìn)過程中有輕微掉鉆或鉆進(jìn)速度明顯加快，漏水量較大。

三是基本無(wú)充填或者半充填，巖芯采取率極低或者無(wú)巖芯，鉆進(jìn)過程中明顯掉鉆，孔口吸風(fēng)，泥漿全漏，頂板為穩(wěn)定性相對(duì)較好的砂巖，裂隙發(fā)育，鉆探過程中有明顯掉鉆漏水現(xiàn)象。

四是充填物為頂板自然垮落物，采出的巖芯只有少量朽木和巖石碎塊，鉆進(jìn)過程中無(wú)明顯掉鉆，但沖水后鉆具自然下落，泥漿全漏，可見明顯的裂隙帶、彎曲帶。

4 城市采空區(qū)變形規(guī)律

地表移動(dòng)，是指采空區(qū)面積擴(kuò)大到一定范圍后，巖層移動(dòng)發(fā)展到地表，使地表產(chǎn)生移動(dòng)和變形，在地表沉陷的研究中稱這一過程和現(xiàn)象為地表移動(dòng)。開采引起的地表移動(dòng)過程，受多種地質(zhì)采礦因素的影響，因此，隨開采深度、開采厚度、采煤方法及煤層產(chǎn)狀等因素的不同，地表移動(dòng)和破壞的形式也不完全相同。在采深和采厚比值較大時(shí)，地表的移動(dòng)和變形在空間和時(shí)間上是連續(xù)的、漸變的，具有明顯的規(guī)律性。當(dāng)采深和采厚的比值較小(一般小于30)或具有較大的地質(zhì)構(gòu)造時(shí)，地表的移動(dòng)和變形在空間和時(shí)間上將是不連續(xù)的，移動(dòng)和變形的分布沒有嚴(yán)格的規(guī)律性，地表可能出現(xiàn)較大的裂縫或塌陷坑。

傾斜煤層開采、地表未達(dá)到充分采動(dòng)時(shí)，覆巖移動(dòng)如圖4所示。

(1)在傾斜方向上，移動(dòng)盆地的中心偏向采空區(qū)的下山方向，和采空區(qū)中心不重合。

(2)移動(dòng)盆地與采空區(qū)的相對(duì)位置，在走向方向上對(duì)稱于傾斜中心線，而在傾斜方向上不對(duì)稱，煤層傾角越大，這種不對(duì)稱性越加明顯。

(3)移動(dòng)盆地的上山方面較陡，移動(dòng)范圍較??；下山方面較緩，移動(dòng)范圍較大。

圖4 傾斜煤層采空區(qū)上覆巖層內(nèi)移動(dòng)分帶示意圖

5 城市采空區(qū)災(zāi)害分析

5.1 地面沉降災(zāi)害

根據(jù)采空區(qū)分布特征及變形規(guī)律對(duì)城市采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行分析，深部采空區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定性等級(jí)為穩(wěn)定，淺部采空區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定性等級(jí)為處于欠穩(wěn)定—不穩(wěn)定之間，容易造成地面沉降。

隨著廣州市的發(fā)展，采空區(qū)原為水塘、稻田和菜地已大部分為建筑物所覆蓋，近地面的小煤窯和開采期間的地面沉降痕跡已被后期人類活動(dòng)所掩蓋。經(jīng)調(diào)查，采空區(qū)周邊共發(fā)生地裂縫和房子變形等災(zāi)害22處，從側(cè)面反映采空區(qū)存在地面沉降的風(fēng)險(xiǎn)較大。

5.2 采空區(qū)對(duì)城市建設(shè)的影響

煤層的存在對(duì)地鐵施工運(yùn)營(yíng)構(gòu)成了安全隱患，地鐵施工盾構(gòu)作業(yè)時(shí)遇到煤層，容易造成垮塌，遇到高瓦斯煤層時(shí)，有可能會(huì)引起瓦斯爆炸等事故。

民間開挖的老窿普遍存在，標(biāo)高在0～50 m，這些老窿距今時(shí)間長(zhǎng)，開采情況沒有書面記載，加上被后來工程活動(dòng)及植被生長(zhǎng)所掩蓋，地表調(diào)查難于發(fā)現(xiàn)，對(duì)老窿的分布、形態(tài)、采掘情況不了解。這些老窿在地鐵建設(shè)的標(biāo)高范圍內(nèi)，將對(duì)地鐵建設(shè)帶來較大的隱患。

綜合分析，在城建施工過程中，施工的動(dòng)態(tài)荷載及地下水位的變化可能激活采空區(qū)破裂巖層導(dǎo)致地面發(fā)生塌陷，巷道支護(hù)較好的采空區(qū)下沉可能在采后很多年才發(fā)生，甚至50年以上。另外保護(hù)煤柱也可能發(fā)生風(fēng)化現(xiàn)象，引起采空區(qū)塌陷。因此認(rèn)為采空區(qū)對(duì)城市建設(shè)的影響較大。

5.3 采空區(qū)場(chǎng)地工程建設(shè)適宜性

采空區(qū)場(chǎng)地屬于儲(chǔ)水、匯水構(gòu)造區(qū)，構(gòu)造應(yīng)力條件復(fù)雜，周邊斷裂縱橫，地下溶蝕現(xiàn)象發(fā)育，地下水水量豐富，場(chǎng)內(nèi)發(fā)育斷裂。采空區(qū)垮落不充分，現(xiàn)狀地面較穩(wěn)定，但在工程施工擾動(dòng)下存在不連續(xù)變形的可能，工程建設(shè)對(duì)采空區(qū)的穩(wěn)定性影響較大，采空區(qū)存在瓦斯含量較高的不利作業(yè)環(huán)境，且呈飽水狀態(tài)容易引發(fā)基坑地下水突涌問題。綜合判斷工程場(chǎng)地地質(zhì)條件復(fù)雜。工程場(chǎng)地未見已發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，工程建設(shè)過程中可能發(fā)生崩塌或滑坡、地面沉降和地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害。因此場(chǎng)地工程建設(shè)適宜性差，但場(chǎng)地不良地質(zhì)作用可通過工程措施予以防治。由于廣州地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，工程建設(shè)頻繁，在不良地質(zhì)和地質(zhì)災(zāi)害治理方面積累了大量的工作經(jīng)驗(yàn)，擬建場(chǎng)地通過采取相應(yīng)的防治措施，可以進(jìn)行工程建設(shè)，處理后的場(chǎng)地基本適宜地鐵工程建設(shè)。

6 結(jié)論

(1) 綜合評(píng)估認(rèn)為廣州市嘉禾礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件復(fù)雜程度為復(fù)雜，其中人類工程活動(dòng)、地下采礦工程地質(zhì)條件為采空區(qū)內(nèi)主要致災(zāi)地質(zhì)環(huán)境因素，地質(zhì)構(gòu)造和水文地質(zhì)條件為從屬因素，后期人類工程為激發(fā)因素。

(2) 移動(dòng)盆地的中心偏向采空區(qū)的下山方向，和采空區(qū)中心不重合；移動(dòng)盆地與采空區(qū)的相對(duì)位置，在走向方向上對(duì)稱于傾斜中心線，而在傾斜方向上不對(duì)稱，煤層傾角越大，這種不對(duì)稱性越明顯；移動(dòng)盆地的上山方面較陡，移動(dòng)范圍較??；下山方面較緩，移動(dòng)范圍較大。深層采空區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定性等級(jí)為穩(wěn)定，淺層采空區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定性等級(jí)為欠穩(wěn)定—不穩(wěn)定，容易造成地面沉降。

(3) 采空區(qū)存在地面沉降、地裂縫等災(zāi)害，在城建施工過程中，施工的動(dòng)態(tài)荷載及地下水位的變化可能激活采空破裂巖層導(dǎo)致地面發(fā)生塌陷，對(duì)城市建設(shè)的影響較大。場(chǎng)地工程建設(shè)適宜性屬適宜性差，但可通過工程措施予以防治。