姚國(guó)川,張成時(shí),程 杰
(貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局二總隊(duì),貴州 六盤(pán)水 553000)
小關(guān)河邊礦區(qū)位于貴州省六盤(pán)水市,2019年4月,位于礦區(qū)內(nèi)的小關(guān)村一組民房屋突現(xiàn)開(kāi)裂,并在村寨北西側(cè)山體斜坡地帶發(fā)生多處崩塌,當(dāng)?shù)卮迕裾J(rèn)為與附近某煤礦采礦活動(dòng)有關(guān),118戶(hù)村民聯(lián)名向當(dāng)?shù)卣暾?qǐng)對(duì)民房開(kāi)裂成因進(jìn)行分析,我單位受當(dāng)?shù)卣块T(mén)委托,承接該項(xiàng)任務(wù)。
礦區(qū)屬云貴高原低山侵蝕-剝蝕地貌類(lèi)型,地形起伏變化較大,總體地勢(shì)為北東高南西低,最高點(diǎn)位于調(diào)查區(qū)北側(cè)山頂,高程為+2135m,最低點(diǎn)位于礦區(qū)西側(cè)河溝處,高程為+1800m,相對(duì)高差為335m。地形坡度在10°~50°之間。
第四系(Q):主要為殘坡積粘土、碎石土,局部為卵石土、淤泥質(zhì)土,表層土體為耕植土,結(jié)構(gòu)松散,厚度0m~6.0m。二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P3l):由薄至中厚層粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、泥巖含煤層組成。按煤巖性組合、含煤特征及標(biāo)志層可分為上、中、下三段。厚233m~263m。
調(diào)查區(qū)二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P3l)含煤層27~44層。北部平均含煤總厚度36.24m,南部平均含煤總厚度48.11m,含煤系數(shù)分別為14.9%和21%,南部含煤系數(shù)稍高。全區(qū)含可采煤層15層,平均總厚21.86m,其中全區(qū)可采6層:1、 3、7、9、17、18號(hào),均屬較穩(wěn)定煤層;大部可采5層:10、12、13、18-1、22號(hào),10、18-1、18號(hào)屬較穩(wěn)定煤層,12、13、22號(hào)屬不穩(wěn)定煤層;局部可采4層:5、6、24、29號(hào),均屬不穩(wěn)定煤層。在垂向上,龍?zhí)督M上段和中段含煤性總體上較好,下段較差。根據(jù)收集的《煤礦資源儲(chǔ)量核實(shí)報(bào)告》,各煤層特征見(jiàn)表1。
調(diào)查區(qū)位于亦資孔向斜南東翼,區(qū)內(nèi)斷層不發(fā)育,總體構(gòu)造形態(tài)為單斜構(gòu)造,地層走向北東~南西,傾向北西,傾角16°~22°。根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306-2015),區(qū)內(nèi)基本地震動(dòng)峰值加速度為0.05g,基本地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.45s,調(diào)查區(qū)地震烈度為6度區(qū),區(qū)域地殼穩(wěn)定性相對(duì)較好。
表1 可采煤層特征一覽表
(1)地下水類(lèi)型、含水巖組及富水性。根據(jù)調(diào)查區(qū)出露的地層巖性,含水介質(zhì)特征及地下水動(dòng)力條件,劃分區(qū)內(nèi)地下水類(lèi)型為基巖裂隙水和松散巖類(lèi)孔隙水兩大類(lèi)型:一是基巖裂隙水,主要賦存于龍?zhí)督M(P3l)粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、泥巖的構(gòu)造裂隙及風(fēng)化裂隙中,富水性貧乏~中等;二是松散巖類(lèi)孔隙水,賦存于第四系松散層中。
(2)地下水補(bǔ)給、逕流、排泄條件。地下水的補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水的滲入補(bǔ)給,補(bǔ)給量受降水及季節(jié)的控制。當(dāng)大氣降水到達(dá)地表后一部分沿地表向低洼處徑流,一部分通過(guò)基巖風(fēng)化裂隙及構(gòu)造裂隙滲入地下,賦存運(yùn)移于基巖節(jié)理、裂隙中,于地勢(shì)低洼或臨近河谷處以井泉的形式排泄。地下水總體自北東向南西流入竹清河,當(dāng)?shù)刈畹颓治g面標(biāo)高為1775.0m。
根據(jù)巖土體性質(zhì)、結(jié)構(gòu)特征及力學(xué)強(qiáng)度可將區(qū)內(nèi)巖層劃分為軟質(zhì)巖類(lèi)工程地質(zhì)巖組和松散巖類(lèi)工程地質(zhì)巖組兩種類(lèi)型。軟質(zhì)巖類(lèi)工程地質(zhì)巖組:由區(qū)內(nèi)二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P3l)粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、泥巖及煤層等組成,其巖體較為破碎,抗風(fēng)化能力弱,力學(xué)強(qiáng)度總體較低;松散巖類(lèi)工程地質(zhì)巖組:為區(qū)內(nèi)第四系(Q)松散堆積殘坡積、礫石等組成,其結(jié)構(gòu)松散,孔隙度大,透水性強(qiáng),力學(xué)強(qiáng)度低。
調(diào)查區(qū)主要的人類(lèi)工程活動(dòng)為煤礦開(kāi)采,其次為民房和道路建設(shè)。在煤礦北東側(cè)為小關(guān)一組村民聚居區(qū),村民房屋總體呈片狀分布。
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)查,礦區(qū)范圍內(nèi)主要發(fā)生崩塌5處(BT1~6)、地面變形裂縫3條及部分民房開(kāi)裂,基本特征如下:
(1)崩塌。礦區(qū)崩塌集中發(fā)生在2019年3~4月,據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,BT1、BT2位于礦山主平硐北側(cè)山體坡面,崩落方向190°,BT3、BT4、BT5位于村寨北西側(cè)上方斜坡面,崩落方向150°~170°,BT6位于采空區(qū)北西側(cè)上方陡崖處,崩落方向180°。6處崩塌體巖性均為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M粉砂巖、泥巖。其中BT1崩塌:崩落處原巖高17.0m,分布標(biāo)高為+1915m~+1932m,寬平均4.0m,厚度平均2.0m,崩塌體積約136.0m3,崩落巖塊大部分堆積在山體斜坡上,個(gè)別到達(dá)煤礦工業(yè)廣場(chǎng),曾毀壞一輛汽車(chē)。BT2崩塌:崩落處原巖高35.0m,分布標(biāo)高為1935m~+1970m,寬平均3.0m,厚度平均2.0m,崩塌體積約210.0m3,崩落巖塊堆積在山體斜坡上。BT3崩塌:崩落處原巖高12.0m,分布標(biāo)高為+1930m~+1942m,寬平均8.0m,厚度平均3.0m,崩塌體積約288.0m3,崩落巖塊小塊體堆積在崩落崖腳斜坡上,大塊體崩落至下部緩斜坡耕地內(nèi)堆積,最大塊徑可達(dá)20.0m3。BT4崩塌:崩落處標(biāo)高為1975m,為單一塊體崩塌,體積約1.5m3,崩落巖塊崩落至崖腳民房附近。BT5崩塌:崩落處原巖高12.0m,分布標(biāo)高為1970m~+1982m,寬平均3.0m,厚度平均2.0m,崩塌體積約72.0m3,巖塊崩落至下部緩斜坡耕地內(nèi)堆積,最大塊徑可達(dá)2.0m3。
(2)地面變形裂縫。DL1地面裂縫:位于村寨西側(cè)道路交叉口處,穿過(guò)3戶(hù)民房。裂縫走向162°,長(zhǎng)40m,最大寬度6cm,下沉方向135°,最大下沉量1.0cm。 DLF2地面裂縫:位于小關(guān)村一組北西側(cè)約380m處,初現(xiàn)時(shí)間2019年4月。裂縫走向約82°,長(zhǎng)90m,最大寬度25cm,地裂縫南側(cè)下沉約10cm。
(3)民房開(kāi)裂特征。本次調(diào)查的小關(guān)一組118戶(hù)村民房屋,均分布于山腰至山腳斜坡地帶,有一條鄉(xiāng)村公路經(jīng)煤礦工業(yè)廣場(chǎng)自南西向北東穿過(guò)村寨,大致以公路為界,公路以北地形較緩,總體地形0°~10°,公路以南地形較陡,總體地形10°~30°。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,當(dāng)?shù)孛穹慷酁?~3層淺基礎(chǔ)磚混結(jié)構(gòu),地基持力層為土層,且部分民房未設(shè)置地圈梁。公路以南民房開(kāi)裂特征不明顯,多為細(xì)小裂縫或發(fā)絲裂紋;公路以北部分民房開(kāi)裂變形嚴(yán)重,一是其中2戶(hù)民房發(fā)生擠壓變形,導(dǎo)致房屋變形嚴(yán)重,裂縫錯(cuò)動(dòng)約1cm~4cm。二是部分民房墻體及地面開(kāi)裂,裂縫寬2cm~5cm(見(jiàn)照片1、2)。另外,在公路后壁多處見(jiàn)擋土墻出現(xiàn)豎向裂縫,寬1cm~3cm。
根據(jù)小關(guān)河邊煤礦提供的井上井下對(duì)照?qǐng)D,小關(guān)河邊煤礦在2019年3月形成的1104采空區(qū),開(kāi)采標(biāo)高為+1720m~+1750m,開(kāi) 采1號(hào) 煤 層。2018年7月2019年4月 形成1302采空區(qū),開(kāi)采標(biāo)高為+1750m~+1785m,開(kāi)采3號(hào)煤層。采煤方式為八字型柔性掩護(hù)支架支護(hù),炮掘炮采,全部頂板跨落法。自2018后7月至2019年4月,該礦在礦區(qū)北側(cè)開(kāi)采1102、1104和1302、1304采面后,共形成長(zhǎng)390m~406m,寬212~240m的采空區(qū)。
圖1 民房擠壓變形
圖2 民房墻體開(kāi)裂
經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,礦山生產(chǎn)曾采用過(guò)炮掘炮采工藝,現(xiàn)采用炮掘綜采,礦山水倉(cāng)標(biāo)高約1700m。考慮礦山北部采空區(qū)距小關(guān)村一組村寨平距250m~400m,炮震影響較小,同時(shí),煤礦采礦抽水近年來(lái)一直在進(jìn)行,未發(fā)生地下水位劇烈下降,抽水影響不足以引發(fā)民房發(fā)生變形開(kāi)裂,故采用采空區(qū)覆巖移動(dòng)變形方法進(jìn)行分析。根據(jù)《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》(GB51044-2014)(2017年版)附錄J淮南煤礦來(lái)選取量角參數(shù),即:走向邊界角(δ0)=上山邊界角(γ0)=50°; 下山邊界角(β0)=走向邊界角(δ0)-15°sinα。β0=50°~15°sin22°≈44.4°
分別在采空區(qū)地表影響范圍剖面圖上,由采空區(qū)邊界按走向、上山、下山邊界角δ0、γ0、β0作移動(dòng)邊界線(xiàn),分別得采空區(qū)走向、上山方向和下山方向的地表變形邊界點(diǎn),將其投影到平面圖上連接,即為煤礦采空區(qū)地表影響范圍。通過(guò)以上方法分析,BT1~BT5崩塌點(diǎn)、DLF2、DLF3地裂縫均位于煤礦采空區(qū)覆巖變形影響范圍內(nèi),可以合理解釋其發(fā)生原因。但DLF1地裂縫和村寨民房均分布于上述方法圈定的煤礦采空區(qū)覆巖變形影響范圍外,而DLF1地裂縫和公路北側(cè)部分民房開(kāi)裂的事實(shí)又客觀存在。通過(guò)反復(fù)研究分析發(fā)現(xiàn),大致以公路為界,公路附近及北側(cè)部分民房具有明顯的開(kāi)裂變形特征,在沿地層傾向方向剖面上自公路向采空區(qū)最低開(kāi)采煤層(3#煤)連線(xiàn),該斜線(xiàn)的傾角大致與地層傾角相當(dāng),斜線(xiàn)大致與3#煤層面吻合,是否巖層沿3#煤發(fā)生了滑動(dòng)或變形?其動(dòng)力從何而來(lái)?經(jīng)過(guò)調(diào)查組研究并查詢(xún)相關(guān)資料,一致認(rèn)定,采空區(qū)沉陷引發(fā)了上山方向巖體產(chǎn)生順層“牽引式”滑動(dòng)。分析其形成機(jī)理和過(guò)程如下。
(1)傾斜煤層開(kāi)采形成大面積傾斜采空區(qū)后,由于巖層自重力方向與層面不垂直,采空區(qū)上覆巖體在自重力作用下發(fā)生采空塌陷時(shí),一方面產(chǎn)生沿法線(xiàn)方向的塌落和彎曲;另一方面采空區(qū)上覆巖體塌落過(guò)程中對(duì)采空區(qū)兩側(cè)的巖體產(chǎn)生拉張和牽引作用,牽引兩側(cè)巖體向采空區(qū)中心滑移。
在巖層傾向方向采空區(qū)的上方側(cè),當(dāng)巖層拉張作用應(yīng)力高度集中的某一時(shí)刻或一定時(shí)段,這種牽引作用極易破壞控制性軟弱結(jié)構(gòu)面固有的穩(wěn)定狀態(tài),而使上部巖體沿軟弱結(jié)構(gòu)面向下方側(cè)采空區(qū)滑移。由于采空區(qū)并非真正意義上的臨空面,隨著采空區(qū)垮落,應(yīng)力釋放、減小的某一時(shí)刻,滑移立刻停止。這種因采空區(qū)沉陷引發(fā)“牽引式”滑動(dòng)影響的最大范圍包括采空區(qū)上方側(cè)軟弱結(jié)轉(zhuǎn)構(gòu)面(滑動(dòng)面)以上的整個(gè)區(qū)域。
(2)小關(guān)河邊煤礦煤層傾向北西,平均傾角18°,屬傾斜煤層。2018~2019年4月,礦區(qū)北西側(cè)開(kāi)采1102、1104和1302、1304采面后,形成長(zhǎng)390m~406m,寬212m~240m的采空區(qū),其上覆巖體厚140m~230m。根據(jù)《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》(GB51044-2014)(2017年版)附錄L表L.0.1-2,計(jì)算垮落斷裂帶高度為=44.6m,其垮落斷裂帶巖體體積較大,在垮落前的某一時(shí)刻,拉張應(yīng)力高度集中且能量巨大,而開(kāi)采的3#煤層一般較頂?shù)装遘浫?,屬于巖體的軟弱夾層,其層面屬軟弱結(jié)構(gòu)面,隨即引發(fā)沿3#煤層“牽引式”滑移,其最大影響范圍包括滑移面(3#煤層底板)上部的全部巖土體(見(jiàn)采空區(qū)垮落影響分析剖面圖)。
根據(jù)上述方法推理,得出如下結(jié)論:
(1)滑坡HP1~HP5及地裂縫DL2~3處于小關(guān)河邊煤礦采煤工程活動(dòng)影響范圍內(nèi)。因此,滑坡HP1~HP5及地裂縫DL1系小關(guān)河邊煤礦采煤工程活動(dòng)造成。
(2)小關(guān)一組118戶(hù)中公路附近及以北60戶(hù)居民房屋開(kāi)裂變形系小關(guān)河邊煤礦采煤工程活動(dòng)所致;公路以南58戶(hù)民房開(kāi)裂是由于地基的不均勻沉降、結(jié)構(gòu)的不合理、自然溫度的熱脹冷縮等原因形成,與小關(guān)河邊煤礦采煤工程活動(dòng)無(wú)關(guān)。
(1)當(dāng)采空區(qū)上覆巖體垮落規(guī)模較大,在垮落前的某一時(shí)刻或一定時(shí)段,巖層拉張作用應(yīng)力高度集中,易引發(fā)傾向方向采空區(qū)上方側(cè)巖體發(fā)生“牽引式”滑移。
(2)采空區(qū)垮落斷裂帶高度內(nèi)巖層傾向采空區(qū)的軟弱結(jié)構(gòu)面,有利于采空區(qū)上覆巖體垮落引發(fā)“牽引式”滑移。文中1#、3#煤層即為具有潛在滑動(dòng)性質(zhì)的軟弱結(jié)構(gòu)面。
(3)采空區(qū)垮落斷裂引發(fā)山體“牽引式”滑動(dòng)的影響范圍與利用邊界角圈定的采空區(qū)覆巖變形影響范圍不同。在巖層傾向方向上,當(dāng)?shù)貙觾A角陡時(shí),邊界角圈定的采空區(qū)覆巖變形影響范圍較大,當(dāng)?shù)貙泳弮A時(shí),邊界角圈定的采空區(qū)覆巖變形影響范圍較小。總體上,垮落斷裂引發(fā)山體“牽引式”滑動(dòng)一般沿巖層傾向采空區(qū)上山方向發(fā)生,其可能影響范圍自采空區(qū)底部向上山方向沿巖(煤)層傾角至地表以上的范圍。
(4)在煤礦地質(zhì)災(zāi)害成因分析過(guò)程中,由于煤礦地質(zhì)災(zāi)害成災(zāi)機(jī)理的復(fù)雜性,在結(jié)合相關(guān)規(guī)程規(guī)范的同時(shí),還要具體問(wèn)題具體分析,才能透過(guò)現(xiàn)象解釋其本質(zhì)原因。
(5)本例在煤礦區(qū)進(jìn)行工程選址、地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估、壓覆礦產(chǎn)資源評(píng)估、煤礦地質(zhì)災(zāi)害動(dòng)態(tài)管理等方面,可提供借鑒與參考。