許雪潔(安徽省地勘局第一水文工程地質(zhì)勘查院，蚌埠 233000)

淮北煤田地面塌陷成因機(jī)制、預(yù)測及治理措施
——以五溝煤礦為例

許雪潔
(安徽省地勘局第一水文工程地質(zhì)勘查院，蚌埠 233000)

以五溝煤礦地面塌陷為案例，將現(xiàn)場調(diào)查法與資料歸納法相結(jié)合，對煤礦區(qū)現(xiàn)狀地面塌陷分布特征進(jìn)行了分析。在重點(diǎn)開展地面塌陷的形態(tài)特征研究基礎(chǔ)上，查明地面塌陷主要類型和分布規(guī)律，全面掌握淮北市煤礦區(qū)地面塌陷的影響因素及地面塌陷特點(diǎn)，運(yùn)用概率積分法預(yù)測分析了煤炭礦區(qū)地面塌陷的發(fā)展趨勢，為重點(diǎn)治理煤礦區(qū)地面塌陷提供依據(jù)。

地面塌陷；成因機(jī)制；概率積分法;治理措施

1 引言

淮北市是我國重要的能源工業(yè)城市，有煤炭礦山43個(gè)，其中大中型礦山20個(gè)(含6個(gè)在建礦山)，實(shí)際生產(chǎn)能力3 157×104t/a，開采深度達(dá)到1 000 m。大規(guī)模的資源開采造成地下大面積采空，地下巖體原有應(yīng)力狀態(tài)改變，原巖破壞失穩(wěn)造成地表變形、下沉，導(dǎo)致了各種地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象頻頻發(fā)生，在所發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害中，以采空區(qū)地面塌陷最為嚴(yán)重和普遍，其危害也最大。礦區(qū)地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害的惡化對礦區(qū)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，影響了城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定。截至目前，淮北市共40個(gè)礦山發(fā)生地面塌陷，塌陷面積達(dá)166.81 km2(計(jì)1.668×104hm2)，其中部分塌陷區(qū)已積水成湖，銜接成片，面積約40 km2。

五溝煤礦是近年來地面塌陷比較嚴(yán)重的礦區(qū)，其塌陷規(guī)模大，塌陷特征具有很強(qiáng)的代表性。通過對五溝煤礦礦區(qū)地面塌陷類型、分布形態(tài)和成因機(jī)制等分析，運(yùn)用概率積分法對礦區(qū)采空塌陷進(jìn)行預(yù)測，得出五溝礦區(qū)不同時(shí)間段地表塌陷及變形程度，并繪制出礦區(qū)地表塌陷及變形等值線圖，為五溝煤礦采煤塌陷區(qū)綜合治理規(guī)劃提供基礎(chǔ)資料和依據(jù)。

2 礦山概況及地質(zhì)環(huán)境背景

2.1 礦山概況

2.1.1 礦山地理位置

五溝煤礦位于淮北市濉溪縣五溝鎮(zhèn)境內(nèi)，東距宿州市約35 km，東北距淮北市約50 km，西南距蒙城縣約30 km，地理坐標(biāo)為東經(jīng)116°36′07″～116°39′58″，北緯33°30′05″～33°33′36″。

五溝煤礦交通十分便捷，礦山內(nèi)鄉(xiāng)村道路交錯(cuò)。203省道(淮北-六安)由北向南從五溝煤礦穿過，工業(yè)廣場位于203省道東側(cè)，X016縣道(宿州-渦陽)由東向西經(jīng)五溝煤礦內(nèi)五溝鎮(zhèn)穿過；礦井東距京滬鐵路蘆嶺車站約46 km，西至青阜鐵路青疃車站約43 km，東北側(cè)自西向東有淮北礦務(wù)局自營的青蘆鐵路通過，該線上的李槽坊站距井田約7 km。

2.1.2 生產(chǎn)能力及開采規(guī)模

五溝煤礦建于2005年6月，煤礦生產(chǎn)能力為150×104t/a，開采規(guī)模為大型礦山。截止2010年8月，礦井保有資源儲(chǔ)量為11 906.1×104t，可采儲(chǔ)量為7 005×104t，礦井剩余生產(chǎn)服務(wù)年限36 a。

2.1.3 采區(qū)布置與開采方式

全礦井共劃分為西一、西二、南一、南二、南三5大采區(qū)塊段?？砷_采煤層為31、51、52、71、72、81、82、10等8個(gè)煤層，總厚度為15.27 m；主采煤層為71、72、81、82、10等5個(gè)煤層。其中南一、南三2大采區(qū)以采10煤層為主，西一、西二、南二3大采區(qū)以采71、72、81、82、10等5個(gè)煤層為主。

本礦為地下開采，開拓方式為立井、主要石門和大巷開拓方式，中央并列式通風(fēng)。采煤方法采用傾斜長壁與走向長壁相結(jié)合的綜合機(jī)械化開采，頂板管理采用全部冒落法。采用一個(gè)水平上、下開采，水平標(biāo)高為-440 m。2010年開始采用充填法回采。

2.2 地質(zhì)環(huán)境背景

區(qū)域總的地勢為西北高，東南低，地形坡降1/5 000～1/8 000。礦區(qū)內(nèi)地形平坦，地面標(biāo)高26.37～27.67 m。地貌單元屬淮北平原，微地貌類型為河間洼地、河間平地。

五溝煤礦位于童亭背斜西翼中段，總體上為一受斷層切割，且以向斜為主的復(fù)式褶皺構(gòu)造組合。向斜的軸部呈反S形，形態(tài)上呈南端狹小、北端寬闊的近三角形展布。由于斷層切割，礦區(qū)中部抬起，形成兩個(gè)斷陷。

礦區(qū)地層由奧陶系、石炭系、二疊系、第三系及第四系組成。含煤地層主要為二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組和上石盒子組，含10個(gè)煤層(組)，其中可采煤層8個(gè)。礦區(qū)二疊系含煤地層總厚約970 m，煤層總厚15.27 m，可采煤層總厚10.69 m。

3 五溝煤礦地面塌陷成因機(jī)制

3.1 類型與分布形態(tài)

采煤塌陷是指由于井下開采煤炭資源，引發(fā)煤炭上覆巖層和地表下沉，導(dǎo)致大量土地資源沉陷的現(xiàn)象。根據(jù)沉陷的形態(tài)特征大致可分為3種主要類型：沉陷盆地、裂縫和臺(tái)階、塌陷坑。從分布面積上看，以沉陷盆地占絕對優(yōu)勢，裂縫和臺(tái)階是沉陷盆地的附屬類型，沉陷坑的范圍較小[1]。

煤層采空后，周圍的圍巖原來的應(yīng)力狀態(tài)受到破壞，采空區(qū)頂板巖層在重力和上覆巖層的壓力下，產(chǎn)生向下彎曲、變形和移動(dòng)，當(dāng)頂板巖層內(nèi)部形成的拉、張應(yīng)力超過該巖層的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，頂板首先發(fā)生斷裂破碎，相繼冒落。接著上覆巖層向下彎曲、移動(dòng)，進(jìn)而發(fā)生斷裂和離層。隨著采煤工作面的推進(jìn)，受到采動(dòng)影響的范圍也不斷擴(kuò)大形成沉陷盆地(圖1)。由于煤層埋藏條件不同，開采煤層反映到地表的塌陷形態(tài)也不盡相同，一般為近橢圓形或長條形，小到幾十平方米，大到幾十公里[2]。

圖1 地表移動(dòng)形成過程示意圖

五溝煤礦塌陷區(qū)主要分布在首采區(qū)即南一區(qū)，本區(qū)煤層傾角為10°～20°，角度較緩，塌陷類型為沉陷盆地，在沉陷區(qū)邊緣地帶衍生裂縫。分布形態(tài)為北東向，呈近橢圓形的塌陷區(qū)。本區(qū)潛水位較高，當(dāng)塌陷深度大于潛水水位埋深時(shí)，第四系孔隙水向坑內(nèi)匯集，形成大片塌陷積水區(qū)，見圖2、圖3。

圖2 塌陷洼地

3.2 塌陷特征

用五溝煤礦開采方式將煤采出后，上覆巖層的破壞并非整體均勻移動(dòng)，其下部巖層的豎向移動(dòng)速度比上部巖層的大，并且移動(dòng)早于上部，裂隙發(fā)育。根據(jù)上覆巖層的不同破壞程度，將其劃分為3個(gè)帶：冒落帶、裂隙帶和彎曲帶。

圖3 地裂縫

三個(gè)帶中冒落帶高度的計(jì)算公式為：

(1)

式中,H為冒落帶的最大高度；M為煤層厚度；C、d為與上覆巖性有關(guān)的常數(shù)。C=1.6，d=3.6。

由表1可知，開采深部10煤層時(shí)，對頂板破壞最大最易形成塌陷。開采72、81、82煤層時(shí)對其頂板破壞也較大。

表1 五溝煤礦冒落帶高度計(jì)算表

3.3 五溝煤礦地面塌陷成因機(jī)制

根據(jù)五溝煤礦地面塌陷類型與分布形態(tài)，可以按照影響函數(shù)法進(jìn)行分析，為了進(jìn)一步描述五溝煤礦開采地表塌陷的基本規(guī)律。下面給出一個(gè)矩形采煤區(qū)形成的塌陷盆地主斷面(見圖4)。圖中的Wmax為放大的充分開采塌陷最大下沉值，W(x)為下沉曲線函數(shù)，坐標(biāo)原點(diǎn)選在下沉曲線的拐點(diǎn)位置，拐點(diǎn)以外下沉曲線為凸形，拐點(diǎn)以內(nèi)下沉曲線為凹形。一般拐點(diǎn)位于開采邊界以內(nèi)0.1H處，其下沉值約為0.5Wmax，下沉盆地邊界在煤層開采邊界0.5H以外，其下沉值為0。Wmax為極限下沉值，采空區(qū)再擴(kuò)大時(shí)，其值不會(huì)再增加，只增加下沉盆地平底部分的寬度，下沉曲線的形態(tài)左右基本對稱[3]。

圖4 塌陷盆地主斷面

3.4 五溝煤礦地面塌陷影響因素

(1) 煤層條件

淮北煤田一般地表沉降比為煤層采厚的0.8倍；巖層傾角在10～20，煤層傾角較緩。五溝煤礦采用一個(gè)水平上、下開采，在開采緩傾煤層條件下，埋藏深、煤層厚，導(dǎo)致五溝煤礦下沉系數(shù)偏大，依據(jù)《淮北礦區(qū)地表移動(dòng)規(guī)律研究報(bào)告》，五溝煤礦下沉系數(shù)為1.10，下沉系數(shù)大，沉陷深度則大。由于埋藏深度較深，在地表形成的塌陷規(guī)模變形擴(kuò)展到地表所需時(shí)間也相對較長，所以五溝煤礦塌陷一般會(huì)中間深，從底部到邊緣以緩坡形式存在。

(2) 可采煤層頂、底板巖性特征

五溝煤礦主采煤層72、81、82、10四層。72、81頂板巖性以泥巖為主，其次為粉砂巖。底板以泥巖為主，其次為粉砂巖；82煤頂板巖性以粉砂巖居多，其次為泥巖。底板巖性以泥巖為主；10煤層頂板巖性以粉砂巖為主，其次為中砂巖、細(xì)砂巖和泥巖。底板巖性以粉砂巖為主，其次為泥巖和砂質(zhì)泥巖及砂巖。

五溝煤礦為半堅(jiān)硬類層狀礦床。主采煤層頂、底板不同巖石的強(qiáng)度不一，砂巖一般膠結(jié)良好，堅(jiān)硬致密，抗壓強(qiáng)度高，屬硬巖類，巖體質(zhì)量中等；粉砂巖屬中硬巖類，巖體質(zhì)量差；泥巖相對抗壓強(qiáng)度低，多屬軟巖類，巖體質(zhì)量差。當(dāng)采空區(qū)被采空后，上覆巖層在重力作用下，產(chǎn)生向下壓力，導(dǎo)致地表下沉。

(3) 開采條件

五溝煤礦開采方式為走向長壁全部冒落法，但是在開采同時(shí)，對采空區(qū)進(jìn)行充填，大大地減少采空區(qū)體積，也降低了地表水平移動(dòng)系數(shù)，可有效地減緩地表塌陷的發(fā)生時(shí)間、規(guī)模及致災(zāi)程度。

4 五溝煤礦地面塌陷預(yù)測

地下開采引起的地表破壞范圍和破壞程度可用地表沉陷產(chǎn)生的移動(dòng)和變形值的大小來圈定和評價(jià)。平坦地區(qū)地表移動(dòng)變形值的計(jì)算，按開采條件選用《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》中推薦的概率積分法對地表移動(dòng)與變形進(jìn)行計(jì)算。

4.1 計(jì)算移動(dòng)盆地走向主斷面上的移動(dòng)與變形最大值

Wmax=η·m·cosα

Umax=bWmax

式中，Wmax為最大地表下沉值，m；Tmax為最大地表傾斜值，mm/m；Kmax為最大地表曲率值，10-3/m；Umax為最大水平移動(dòng)值，mm；εmax為最大水平變形值，mm/m；M為煤層法線采厚，m；η為下沉系數(shù)；α 為煤層傾角，deg；b為水平移動(dòng)系數(shù)；r為主要影響半徑，m。

4.2 地表移動(dòng)盆地內(nèi)任意點(diǎn)的變形預(yù)測

以過采空區(qū)傾斜主斷面內(nèi)下山計(jì)算邊界且以與走向平行的方向?yàn)橛?jì)算的橫坐標(biāo)，以過采空區(qū)走向主斷面左計(jì)算邊界且與傾斜方向平行的方向?yàn)橛?jì)算的縱坐標(biāo)，任意剖面(與煤層走向成φ角)上任意點(diǎn)(x，y)的移動(dòng)和變形計(jì)算公式如下：

(1) 地表下沉

(2) 地表傾斜

(3) 地表曲率

(4) 地表水平移動(dòng)

(5) 地表水平變形

式中，D為開采煤層區(qū)域；(x，y)為計(jì)算點(diǎn)相對坐標(biāo)。

其他符號(hào)意義同前。

4.3 參數(shù)的選擇

本區(qū)選用地表沉陷系數(shù)為1.1作為初次采動(dòng)和重復(fù)采動(dòng)的地表沉陷系數(shù)。根據(jù)淮北礦區(qū)經(jīng)驗(yàn)數(shù)值及本礦區(qū)實(shí)測值，主要影響正切值選用1.7。五溝煤礦地表形態(tài)變化預(yù)測參數(shù)，詳見表2。

表2 地表形態(tài)變化預(yù)測參數(shù)

4.4 地表形態(tài)變化預(yù)測結(jié)果

根據(jù)概率積分法，礦區(qū)走向各煤層主斷面地表最大下沉值、地表最大傾斜值、地表最大水平移動(dòng)值和地表水平變形值預(yù)測結(jié)果見表3。

預(yù)測結(jié)果：近期(2010～2015年)五溝煤礦地面塌陷區(qū)分為兩個(gè)區(qū)，總面積為969.00 hm2(含已塌陷區(qū))，最大塌陷深度為7.0 m，其中塌陷深度0.01～1.5 m之間的區(qū)域，面積為343.53 hm2；塌陷深度大于1.5 m區(qū)域，面積為625.47 hm2(表4、圖5)。遠(yuǎn)期(全井田開采完閉)地面塌陷區(qū)連成一片，總面積為1 457.40 hm2，最大塌陷深度為16.5 m，其中塌陷深度0.01～1.5 m之間的區(qū)域，面積為364.68 hm2；塌陷深度大于1.5 m區(qū)域，為積水區(qū)域，面積為1 092.72 hm2(表4、圖6)。

5 治理措施

5.1 0.01～1.5 m塌陷區(qū)治理措施

沼澤、荒灘淺坡地的塌陷深度在0.01～1.5 m之間，塌陷程度較小，多分布于塌陷盆地的邊緣地帶，呈現(xiàn)從塌陷邊緣向盆地中心逐漸下沉的形態(tài)。

1.礦界；2.礦井；3.工業(yè)廣場；4.居民地；5.鐵路專用線；6.水系；7.道路(主要道路鄉(xiāng)村道路)；8.現(xiàn)狀采空塌陷影響范圍；9.預(yù)測近期采空塌陷影響范圍；10.預(yù)測近期采空塌陷影響范圍等值線(m)；11.采區(qū)界線；12.保護(hù)煤柱

圖5 近期(2010～2015年)地面塌陷等值線圖

1.礦界；2.礦井；3.工業(yè)廣場；4.居民地；5.鐵路專用線；6.水系；7.道路(主要道路鄉(xiāng)村道路)；8.現(xiàn)狀采空塌陷影響范圍；9.預(yù)測近期采空塌陷影響范圍；10.預(yù)測近期采空塌陷影響范圍等值線(m)；11.采區(qū)界線；12.保護(hù)煤柱圖6 遠(yuǎn)期(全井田開采完閉)地面塌陷等值線圖

表3 五溝煤礦走向主斷面最終地表下沉及變形最大值表

表4 五溝煤礦地表不同時(shí)段地面采空塌陷表

此類區(qū)域多為無積水或季節(jié)性積水，常伴有鹽漬與水澇災(zāi)害，從而影響農(nóng)作物種植期與生長期，降低農(nóng)作物產(chǎn)量，通常在夏季因積水而成絕產(chǎn)田，秋冬春季由于地下水位下降，能種植部分農(nóng)作物，故稱之為“一季田”。塌陷區(qū)內(nèi)排水系統(tǒng)、灌溉系統(tǒng)、道路等農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施均遭受一定程度破壞。

由于塌陷深度不大，對土地利用方式的限制較小，適宜于耕、果、林及漁等多種用途，但由于采煤塌陷造成大量的耕地消失，塌陷區(qū)綜合治理應(yīng)最大限度地增加耕地?cái)?shù)量，在國家當(dāng)前耕地保護(hù)的嚴(yán)峻形勢下，對于沼澤、荒灘淺坡地優(yōu)先考慮采用挖深墊淺的挖塘造地模式。在具體確定復(fù)墾模式時(shí)，還應(yīng)考慮政策需要，注重與土地利用總體規(guī)劃和城市規(guī)劃之間的銜接，了解土地利用總體規(guī)劃與城市規(guī)劃對該地塊的規(guī)定用途，如為建設(shè)用地，應(yīng)采用煤矸石填充的模式治理為建設(shè)用地，滿足城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的用地需求。同時(shí)，對于原有土地為林業(yè)用地的，可采用煤粉灰充填覆土造林模式，如任圩林場自1986年開始，在粉煤灰上覆蓋一層黃土，然后造林獲得成功，這種模式也值得借鑒。

5.2 1.5～3.0 m塌陷區(qū)治理措施

塌陷淺水區(qū)的塌陷深度在1.5～3.0 m之間，由于淮北平原區(qū)地下潛水位較高，多在2 m左右，塌陷淺水區(qū)多為常年積水區(qū)域，常年積水深度約在0.5～2 m之間，無法種植農(nóng)作物，失去耕地功能。治理方式只能在現(xiàn)狀條件下，通過一定的工程、技術(shù)措施治理為可利用的水面。

此類區(qū)域適宜于水生植物及魚類生長。通常采用圍網(wǎng)養(yǎng)魚的模式，把水面分割成若干片，分片進(jìn)行投料與管理以提高產(chǎn)量。圍網(wǎng)內(nèi)可以養(yǎng)殖魚類為主，適當(dāng)放養(yǎng)少量水禽和水生植物，圍網(wǎng)外以放養(yǎng)水禽和水生植物為主，適當(dāng)放養(yǎng)少量魚類。

5.3 大于3.0 m塌陷區(qū)治理措施

塌陷深水區(qū)的塌陷深度在3.0 m以上，常年積水深度多在2.0 m以上，此類區(qū)域土地破壞程度最為嚴(yán)重，原有土地生態(tài)系統(tǒng)被徹底打破，形成新的水生生態(tài)系統(tǒng)。

此類區(qū)域土地利用以水域?yàn)橹?，具體治理方式可根據(jù)相關(guān)規(guī)劃及區(qū)位條件，治理為平原湖泊或濕地生態(tài)公園。同時(shí)，該區(qū)域也適宜于魚類、水禽及水生植物生長，一般采用網(wǎng)箱養(yǎng)殖，網(wǎng)箱外可放養(yǎng)水禽、水生植物和魚類。

在確定作為平原湖泊或濕地生態(tài)公園時(shí)，主要根據(jù)區(qū)位條件。對城鎮(zhèn)郊區(qū)或居民較多的工礦區(qū)，可將塌陷深水區(qū)改造成濕地生態(tài)公園，供居民休閑觀光；對居民較少，工農(nóng)業(yè)用水或生活用水較為缺乏的地區(qū)，可治理為平原水庫，同時(shí)采取一定的措施保護(hù)水體不受污染。

6 結(jié)論

淮北煤田煤炭資源開發(fā)在為社會(huì)貢獻(xiàn)大量煤炭資源的同時(shí)，也引發(fā)了地面塌陷等環(huán)境地質(zhì)問題，破壞了礦山生態(tài)地質(zhì)環(huán)境。本文以五溝煤礦地面塌陷為案例，對五溝礦區(qū)現(xiàn)狀地面塌陷成因機(jī)制進(jìn)行了分析，運(yùn)用概率積分法預(yù)測分析了五溝礦區(qū)地面塌陷的發(fā)展趨勢，并提出礦區(qū)地面塌陷治理措施，為淮北煤田地面塌陷治理提供了基礎(chǔ)理論依據(jù)。

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作者簡介：許雪潔(1981- )，女，安徽泗縣人，工程碩士，工程師，主要從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)等方面工作。 E-mail:xuxuejie812@126.com

FORMATION ME CHANISM，PREDICTION AND GOVERNANCE MEASURES OF GROUND SUBSIDENCE IN HUAIBEI COAL MINING AREA——TAKING WUGOU COAL MINE IN HUAIBEI CITY AS AN EXAMPLE

XU Xue-jie
(No.1 Hydrogeology and Engineering Geology Institute of Anhui Bureau of Geology and Mineral Exploratio,Bengbu 233000,China)

We focuses on the cases from WuGou, combining local survey data as well as meta-analysis with previous literature, trying to identify the major types of ground collapses and their distribution based on the geographical characteristics of ground subsidence. By fully grasping the influencing factors for ground subsidence and their characteristics in the Huaibei coal mining area,and using probability integration method to predict coal mine ground subsidence trends, our result provides key guidance for predicting and dealing with ground collapse of the coal mining areas.

ground subsidence; formation mechanisms; probability integral method;governance measures

1006-4362(2016)04-0031-07

2016-07-18改回日期： 2016-09-25

TD167;P642.26

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