黃來(lái)源，李遠(yuǎn)強(qiáng)，李軍輝，陳 偉，吳 彬，趙 越

（北京市地質(zhì)研究所，北京 100120）

0 引言

北京西部山區(qū)地面塌陷的形成主要與長(zhǎng)期以來(lái)的地下采煤活動(dòng)密切相關(guān)，采空塌陷的形成主要是由于古代、近代和現(xiàn)代的地下采煤活動(dòng)形成的地下采空區(qū)塌落，造成地面的沉降或者陷落，進(jìn)一步造成地面建筑破壞，公路、鐵路、管線等線狀工程扭曲損毀，農(nóng)田、林地?fù)p毀，甚至造成人員傷亡[1]。

近年來(lái)，北京市逐步關(guān)停了西山地區(qū)所有小窯及大部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦，地面塌陷的災(zāi)害的發(fā)生有所緩解，但歷史采煤遺留的地下采空仍然威脅著北京市西山地區(qū)的人民生命財(cái)產(chǎn)安全和產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，采空塌陷災(zāi)害的防治工作仍然任重而道遠(yuǎn)。

房山區(qū)蒲洼鄉(xiāng)108國(guó)道寶水段曾發(fā)生過(guò)地面塌陷，采煤是該區(qū)主要的工程活動(dòng)，煤炭開(kāi)采歷史較長(zhǎng)，主要開(kāi)采時(shí)期為20世紀(jì)80～90年代。由于地方小煤窯開(kāi)采的煤層較淺，開(kāi)采工藝、技術(shù)比較落后，80年代末該地區(qū)陸續(xù)出現(xiàn)了水源枯竭和地面塌陷、地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害，給當(dāng)?shù)厝嗣裆顜?lái)了嚴(yán)重的影響，而且直接威脅到了108國(guó)道的安全。為了避免對(duì)環(huán)境造成進(jìn)一步破壞，主管部門從1990年開(kāi)始陸續(xù)關(guān)停了當(dāng)?shù)氐男∶旱V。

1 地面塌陷災(zāi)害特征

該區(qū)發(fā)育的地面塌陷災(zāi)害地表主要表現(xiàn)為路面塌陷、地裂縫和建筑物變形破壞[4]；地下主要表現(xiàn)為局部塌陷、隱伏裂縫、地層下沉等。

1.1 路面塌陷

2007年5月，108國(guó)道K121km＋330m處曾出現(xiàn)塌坑一個(gè)，直徑約25cm，深約50cm。后對(duì)塌坑處開(kāi)挖，開(kāi)挖深度4m，在其下部未發(fā)現(xiàn)大的空洞。為了保證該路段盡快恢復(fù)通車，對(duì)該處進(jìn)行了回填砂石料處理（圖1）。

在108國(guó)道K122km+070m～K122km+200m處，路基北側(cè)擋土墻明顯錯(cuò)斷，沉降35cm，為保證該路段通車，路面已重新鋪油，較原來(lái)路面增厚15cm。（圖2、圖3）

1.2 地裂縫

108國(guó)道K121km+0～K122km+500m段路兩側(cè)地裂縫發(fā)育，順公路方向地裂縫達(dá)9條，長(zhǎng)度30~240m，寬度2~180cm，走向32°~124°。（表1、圖4~圖6）

圖2 路面整體沉陷

圖3 面層增厚

表1 地裂縫統(tǒng)計(jì)表

1.3 建筑物變形破壞

108國(guó)道寶水段附近堆金臺(tái)村居民住房及108國(guó)道北側(cè)擋土墻發(fā)現(xiàn)多處墻體斷裂。(圖7)

圖4 108國(guó)道北側(cè)山坡上地裂縫

圖5 108國(guó)道北側(cè)山坡上地裂縫

圖6 裂縫引起危石下移

1.4 地面塌陷地下探測(cè)特征

地面塌陷地下特征的調(diào)查主要通過(guò)探地雷達(dá)（GPR）[5]探測(cè)方式進(jìn)行，探測(cè)工作沿108國(guó)道K121km～125km段布置長(zhǎng)測(cè)線1條，全線探測(cè)，測(cè)線長(zhǎng)度為4km；根據(jù)初步探測(cè)結(jié)果，結(jié)合地面調(diào)查情況，在異常區(qū)域布置了加密測(cè)線，總長(zhǎng)度為1.25km。通過(guò)對(duì)108國(guó)道K121km～125km段地下30m范圍內(nèi)的探地雷達(dá)探測(cè)，在地下埋深30m內(nèi)，未發(fā)現(xiàn)地下采空區(qū)及大的空洞異常，僅發(fā)現(xiàn)局部塌陷1處、貫穿基巖由下至上的隱伏裂隙17處，地面下沉2處（表2）。

通過(guò)對(duì)野外采集的探地雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，結(jié)合野外地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，對(duì)雷達(dá)圖像中進(jìn)行解譯。雷達(dá)圖像反映工作區(qū)發(fā)育局部塌陷、隱伏裂隙、地層下沉3種隱伏災(zāi)害形式[6]。

（1）局部塌陷

108國(guó)道K121km+330m雷達(dá)成果圖中覆蓋層反射波均勻穩(wěn)定（圖8a），該路段地下5m處雷達(dá)波同相軸發(fā)生錯(cuò)斷，同時(shí)產(chǎn)生不均勻反射，判斷為覆蓋層下的局部塌陷。

（2）隱伏裂隙

圖7 108國(guó)道K121km+230m北側(cè)墻體開(kāi)裂

108國(guó)道K121km+270m雷達(dá)成果圖中覆蓋層與基巖層分界明顯（圖8b），覆蓋層表現(xiàn)為強(qiáng)反射波層，完整基巖表現(xiàn)為弱反射。圖像中有兩處雷達(dá)波同相軸錯(cuò)斷，且穿透基巖，判斷為隱伏裂隙的反射波形。

（3）地層下沉

108國(guó)道K121km+050～300m雷達(dá)成果圖中K121km+210m～K121km+265m段雷達(dá)波反射界面呈下弧形（圖8c），判斷為局部地層下沉，下沉區(qū)3處反射波同相軸錯(cuò)斷，反應(yīng)出該區(qū)段地下裂隙發(fā)育。該段上部反射波均勻穩(wěn)定，說(shuō)明下沉尚未影響到上覆地層。

2 地面塌陷災(zāi)害成因分析

2.1 采空塌陷影響因素

（1）開(kāi)采方式方法

該區(qū)內(nèi)煤礦開(kāi)采設(shè)備及技術(shù)均比較簡(jiǎn)單，開(kāi)采方式為井下開(kāi)采，放炮落煤，壁式工作面。巷道采用木支護(hù)，斜井單車提升方式向外運(yùn)煤，頂板管理為自然垮落法。私建小窯開(kāi)采隨意性更大，難于規(guī)范管理，越界開(kāi)采、不執(zhí)行開(kāi)采安全規(guī)程的私挖亂采時(shí)有發(fā)生，更加大了采空塌陷隱患的不確定性。

（2）覆巖破壞程度

表2 雷達(dá)探測(cè)異常表

該區(qū)采煤活動(dòng)歷史悠久，長(zhǎng)期的采煤活動(dòng)，極大的改變了該區(qū)地應(yīng)力結(jié)構(gòu)，打破了原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，使得山體遭到破壞，山體結(jié)構(gòu)處于松散狀態(tài)。由于區(qū)內(nèi)小窯采空距離地表深度較小，導(dǎo)致頂板巖層松動(dòng)、下沉，甚至塌落，進(jìn)而使地表巖體沿御荷裂隙面或其他軟弱面開(kāi)裂錯(cuò)動(dòng)，形成地裂縫或塌陷坑。

2.2 自然地質(zhì)因素

（1）地層及礦體

根據(jù)鉆孔資料及以往小窯開(kāi)采資料顯示，該區(qū)內(nèi)共賦存煤層5層。受后期構(gòu)造作用及火成巖侵入影響，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，呈雞窩狀分布，厚度不穩(wěn)定，通常為0.7～3.0m，個(gè)別富集地段煤層厚度達(dá)18m，部分地段煤層尖滅或被火成巖侵入而取代其層位。煤層傾向340°～352°，傾角20°～27°。區(qū)內(nèi)松散覆蓋層厚度分布不均，厚度從0～25m不等，主要為殘坡積物堆積。鉆孔處松散覆蓋層厚度7.5m，乃為修筑公路人工堆積形成，主要為人工填土和碎石土，碎屑粒徑60～80mm，以碎石為主，含塊石和少量粘土。區(qū)內(nèi)煤層的埋藏條件決定了采空區(qū)南部距地表較淺，而往北迅速加深的特點(diǎn)，從而也決定了塌陷坑等破壞情況多出現(xiàn)在108國(guó)道南側(cè)石炭系地層中。

（2）地質(zhì)構(gòu)造

該區(qū)構(gòu)造條件比較簡(jiǎn)單，整體呈單斜構(gòu)造，地層走向北東，傾向北西，傾角20°～30°。已查明的采空區(qū)分布范圍內(nèi)斷裂構(gòu)造不發(fā)育，但其地層內(nèi)部發(fā)育一系列小型褶皺，加之火成巖侵入影響，使煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，厚度極不穩(wěn)定。

（3）上覆巖層物理性質(zhì)

工作區(qū)內(nèi)含煤地層巖性主要為泥巖、炭質(zhì)頁(yè)巖、粉砂巖、細(xì)砂巖和砂巖。泥巖和炭質(zhì)頁(yè)巖密度小、含水率高、空隙率高、抗壓強(qiáng)度小；粉砂巖、細(xì)砂巖和砂巖密度較大、含水率低、空隙率低、抗壓強(qiáng)度大[8]。淺部巖層破碎，風(fēng)化程度從全風(fēng)化至弱風(fēng)化不等，深部巖石則完整、新鮮。附近地區(qū)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表3、表4[9]。

（4）降雨

降雨是本區(qū)地面塌陷的主要促發(fā)因素，區(qū)內(nèi)絕大部分塌陷坑、地裂縫，以及108國(guó)道1992、2002年兩次塌陷均發(fā)生在汛期降雨過(guò)程中。降雨對(duì)隱伏裂隙長(zhǎng)時(shí)間的沖刷和溶蝕會(huì)使108國(guó)道下松散層的空隙逐步擴(kuò)大，造成地下空洞。地下空洞在瀝青路面的支撐下不易被發(fā)現(xiàn)，一旦發(fā)生塌陷，將會(huì)對(duì)公路造成突發(fā)性的破壞；而且地面塌陷分布范圍內(nèi)出露巖層主要為炭質(zhì)泥巖、粉砂巖、頁(yè)巖等，這類巖石含有粘土礦物，遇水后易軟化，抗壓抗剪強(qiáng)度降低。在下部己被采空，上覆巖層已接近極限平衡狀態(tài)的情況下，降水不僅增加了上部巖層的荷載，而且降低了巖石的抗壓抗剪強(qiáng)度，從而引發(fā)地面塌陷災(zāi)害。

2.3 其它因素

108國(guó)道作為重要的國(guó)家級(jí)交通干線，平時(shí)過(guò)往車輛眾多，大部分是大型貨運(yùn)載重車輛，其頻繁行經(jīng)本路段時(shí)，碾壓公路產(chǎn)生地表震動(dòng)影響也加速了108國(guó)道寶水段的下沉、龜裂及側(cè)向滑移。

3 結(jié)論

（1）108國(guó)道寶水段地面塌陷災(zāi)害主要表現(xiàn)為地上、地下兩方面的發(fā)育特點(diǎn)，地上表現(xiàn)為路面塌陷、地裂縫和建筑物變形破壞；地下表現(xiàn)為局部塌陷、隱伏裂隙、地層下沉等。

（2）108國(guó)道寶水段地面塌陷災(zāi)害產(chǎn)生的主要原因是由于本地區(qū)歷史上大規(guī)模、高強(qiáng)度的煤礦開(kāi)采形成的采空，進(jìn)而導(dǎo)致地面塌陷災(zāi)害，另外自然條件中的地層、構(gòu)造因素、降雨因素等也是本地區(qū)地面塌陷災(zāi)害發(fā)育的原因之一。

（3）由于勘查目的要求及探測(cè)方法限制，探地雷達(dá)探測(cè)深度在地下30m內(nèi)，區(qū)內(nèi)主要開(kāi)采煤層在地表70m以下，地表災(zāi)害主要由地下深部采空塌陷引發(fā)，因此勘查工作對(duì)深部地下煤層開(kāi)采情況及采空塌陷區(qū)情況掌握程度不夠。

表3 巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)匯總表（1）

表4 巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)匯總表（2）

（4）地表降水對(duì)危險(xiǎn)區(qū)段有持續(xù)性影響，地表降水對(duì)隱伏裂隙長(zhǎng)時(shí)間的沖刷和溶蝕會(huì)使108國(guó)道下松散層的空隙逐步擴(kuò)大，造成地下空洞。地下空洞在瀝青路面的支撐下不易被發(fā)現(xiàn)，一旦發(fā)生塌陷，將會(huì)對(duì)公路造成突發(fā)性的破壞，且是非常嚴(yán)重的；同時(shí)采空塌陷對(duì)地表的影響是持續(xù)性的，時(shí)間延續(xù)很長(zhǎng)，建議對(duì)該區(qū)域地面塌陷進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)掌握該區(qū)域地裂縫、地面沉降、隱伏裂隙、地下局部塌陷等災(zāi)害變化情況。

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