于成龍，鄭百功，楊 雷，韓 修，王 青

(中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心吉林總隊，吉林長春 130033)

0 引言

三合城村地下煤炭資源豐富，相繼有多家礦山在該地區(qū)進行開采。近年來，在三合城村居民區(qū)附近陸續(xù)出現(xiàn)多處地裂縫與塌陷坑，地裂縫最長226m，最寬0.5m;塌陷坑最大面積184.5m2，最深2m。這些地裂縫與塌陷坑不但導致地下水下降，居民用水困難，而且造成居民住宅開裂、傾斜，并引發(fā)多起人員落入地裂縫的事件，嚴重威脅了當?shù)厝嗣竦纳敭a(chǎn)安全。

1 工作區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件

以地裂縫、塌陷坑為研究對象，并考慮地下采空區(qū)情況確定工作區(qū)范圍，工作區(qū)面積1.8km2。

1.1 地形地貌

工作區(qū)位于吉林省東部低山區(qū)內(nèi)的玄武巖臺地上，地勢為四周略低，中部略高。玄武巖臺地比較平坦，海拔一般在750～800m，面積廣闊。

1.2 地層巖性

工作區(qū)地層由老至新如下:

(1)侏羅系上統(tǒng)林子頭組:主要由酸性火山巖及其碎屑巖組成，厚度202～1213m。

(2)侏羅系上統(tǒng)石人組:主要為礫巖、砂巖夾火山碎屑，含可采煤層，厚度約290m。

(3)新近系船底山組:主要由玄武巖組成，深灰至褐色，塊狀及氣孔狀構(gòu)造。在玄武巖下有一層厚度2～4m的砂巖、礫巖。厚度52～84m。

1.3 煤層地質(zhì)特征

本區(qū)含煤巖系為中生界侏羅系上統(tǒng)石人組，其中Ⅲ上、Ⅲ下和Ⅱ煤層為可采煤層。

(1)Ⅲ上煤層:為主要可采煤層，煤層厚度為0.2～9.8m，平均厚度3.61m，已基本全部采空。

(2)Ⅲ下煤層:煤層厚度為0.2～3.31m，平均厚度為1.29m，尚未進行開采。

(3)Ⅱ?qū)用?煤層厚度0.2～5.56m，平均厚度1.49m，尚未進行開采。

以上各煤層傾角一般為20°～29°，煤層產(chǎn)狀與含煤層一致，傾向為356°。

2 地面塌陷發(fā)育現(xiàn)狀及特征

2.1 地面塌陷發(fā)育現(xiàn)狀

工作區(qū)內(nèi)有地裂縫7條、塌陷坑5處，其規(guī)模與形態(tài)詳見圖1～3，其基本情況詳見表1～2。

圖1 林間地裂縫Fig.1 The ground fissure in woodland

圖2 田間地面塌陷坑Fig.2 The collapse pit in cultivated land

圖3 地裂縫與地面塌陷坑分布平面圖Fig.3 Distribution map of the ground fissures and collapse pits

表1 地裂縫基本情況Table 1 The basic informations of ground fissures

表2 地面塌陷坑基本情況Table 2 The basic informations of collapse pits

2.2 地面塌陷發(fā)育特征

根據(jù)各地裂縫與塌陷坑的分布形態(tài)，地面塌陷的地表變形有如下基本特征:

(1)地裂縫可分為兩種類型。一種為主地裂縫，走向為近EW向;一種為次地裂縫，走向差異較大，但都沿主地裂縫呈環(huán)形分布。

(2)主地裂縫具成帶性。主地裂縫及塌陷坑的分布在空間上構(gòu)成一條裂縫帶，該裂縫帶起于K1，沿K2、L3、K3、K4、K5 至 L7 結(jié)束。

(3)裂縫帶發(fā)育有明顯的線性展布特征。裂縫帶沿近EW方向延伸，與煤層走向基本一致，不受地貌、地物控制，徑直延伸。

(4)裂縫帶內(nèi)單條地裂縫平直延伸，但時有彎曲、分叉和斜列現(xiàn)象;剖面上寬下窄，逐漸尖滅，自上而下呈舒緩波狀并有分支現(xiàn)象。

(5)各地裂縫具有同步位錯特征，所有地裂縫皆張開，主地裂縫南側(cè)地面相對北側(cè)地面下沉。

3 地面塌陷成因分析與評價

3.1 地面塌陷成因分析

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)環(huán)境條件，通過物探、鉆探資料，并結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查，玄武巖下不存在軟弱地層，玄武巖陡坎前緣無滑動變形跡象。因此可以排除由于上覆玄武巖山體向北部滑移產(chǎn)生地裂縫、塌陷坑的可能性。

工作區(qū)煤礦自開采以來，Ⅲ上層煤已形成大面積采空區(qū)，采空區(qū)沿煤層走向長約1600m，寬約1420m，面積約2.27km2。煤層平均采厚3.61m，平均傾角24°，頂板管理采用全部塌落法。

根據(jù)計算，煤層的采深與采厚比為9.15～120，多數(shù)小于80，加上地表為玄武巖，柱狀節(jié)理發(fā)育，因此，判定地裂縫與塌陷坑是由于采空區(qū)塌陷引起的［1-3］。

3.2 地面塌陷評價

工作區(qū)煤層傾向356°，傾角20°～29°，總體上為自南向北逐漸向深部開采，可近似認為是半無限開采，用概率積分法計算半無限開采的地表移動和變形值［4-5］。

(1)基本參數(shù)的確定

①下沉系數(shù)q

式中:mi——覆巖i分層的法線厚度(m);

Qi——覆巖i分層的巖性評價系數(shù);

P——覆巖綜合評價系數(shù)。

由煤層上覆巖性及厚度計算得，P=0.7、q=0.8。

②主要影響角正切tgβ

式中:α ——煤層傾角(°)，一般為24°;

H——為煤層采深(m);

D——巖性影響系數(shù)。

P=0.7，查表 D=2.00

tgβ=(2.00-0.0032×H)(1-0.0038×24)

③開采影響傳播角θ

α =24°≤45°時，θ=90°-0.68α

則 θ=73.68°。

④水平移動系數(shù)b

⑤拐點偏距S(m)

上覆巖層屬堅硬-較硬巖層，取S=0.05H。

⑥盆地走向主剖面的主要影響半徑r

⑦采深采厚比界限值

根據(jù)采空區(qū)范圍與覆巖情況，取采深采厚比80為界限值。

(2)地表移動與變形

由計算結(jié)果可知:

①地表下沉值為3.47～2634.85mm;

②傾斜值為0.08～139.43mm/m;

③曲率值為-11.2×10-3～11.2×10-3/m;

④水平移動值為10.36～954.86mm;

⑤水平變形值為-76.72～76.72mm/m。

(3)評價結(jié)果

通過概率積分法計算得出了地表移動與變形值，但由于玄武巖質(zhì)地堅硬，工作區(qū)地表并未形成完整移動盆地，而是以不連續(xù)的地裂縫為主要變形形式，計算結(jié)果與實際情況并不完全一致。

雖然如此，水平變形值的計算結(jié)果卻有著重要的意義，水平變形的計算結(jié)果可以很好地解釋東西向裂縫帶出現(xiàn)的位置，從地表水平變形等值線圖(圖4)可以明顯看出東西向地裂縫帶完全位于水平變形最大區(qū)域，這是因為玄武巖質(zhì)地堅硬，但柱狀節(jié)理發(fā)育，水平變形值越大，則玄武巖越容易破壞，在張力作用下形成地裂縫。

同時，以采深采厚比80為界，按照安全采深沿巖石移動角確定的巖石移動面與地面的交匯線也正是水平變形最大區(qū)域，同裂縫帶幾乎完全重合(圖3～圖4)。

圖4 地表水平變形等值線圖Fig.4 Horizontal deformation isograms

4 結(jié)論

(1)由于玄武巖堅硬、柱狀節(jié)理發(fā)育，玄武巖臺地采空塌陷的地表變形以不連續(xù)的地裂縫為主，一般無明顯、完整的地表移動盆地形成。

(2)玄武巖臺地采空塌陷在地表也有塌陷坑的表現(xiàn)形式，但塌陷坑在空間上也具有方向性，在延伸方向上的長度較大，而垂直延伸方向的寬度較小，該類塌陷坑實為地裂縫寬度發(fā)展較大后的特殊表現(xiàn)形式。

(3)玄武巖臺地采空塌陷引發(fā)的地裂縫可分為兩種類型。一種為主地裂縫，一種為次地裂縫。主地裂縫往往時斷時續(xù)，但在空間上具有方向性，一般都沿著巖石移動面與地面交匯線分布;次地裂縫通常在主地裂縫形成后的兩年內(nèi)出現(xiàn)，且往往圍繞主地裂縫呈環(huán)形分布。

(4)概率積分法的計算結(jié)果與玄武巖臺地采空塌陷實際情況相差較大，但水平變形最大區(qū)域與裂縫帶的分布位置卻有著良好的對應關系，所以水平變形的計算是預測玄武巖臺采空塌陷地表變形的關鍵所在。

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