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        小關河邊礦區(qū)地質(zhì)災害成因與啟示

        2021-05-20 14:58:54姚國川張成時
        中國金屬通報 2021年4期
        關鍵詞:民房標高采空區(qū)

        姚國川,張成時,程 杰

        (貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局二總隊,貴州 六盤水 553000)

        小關河邊礦區(qū)位于貴州省六盤水市,2019年4月,位于礦區(qū)內(nèi)的小關村一組民房屋突現(xiàn)開裂,并在村寨北西側山體斜坡地帶發(fā)生多處崩塌,當?shù)卮迕裾J為與附近某煤礦采礦活動有關,118戶村民聯(lián)名向當?shù)卣暾垖γ穹块_裂成因進行分析,我單位受當?shù)卣块T委托,承接該項任務。

        1 礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境

        1.1 地形地貌

        礦區(qū)屬云貴高原低山侵蝕-剝蝕地貌類型,地形起伏變化較大,總體地勢為北東高南西低,最高點位于調(diào)查區(qū)北側山頂,高程為+2135m,最低點位于礦區(qū)西側河溝處,高程為+1800m,相對高差為335m。地形坡度在10°~50°之間。

        1.2 地層巖性

        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,結構松散,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、含煤特征及標志層可分為上、中、下三段。厚233m~263m。

        1.3 煤層特征

        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,均屬較穩(wěn)定煤層;大部可采5層:10、12、13、18-1、22號,10、18-1、18號屬較穩(wěn)定煤層,12、13、22號屬不穩(wěn)定煤層;局部可采4層:5、6、24、29號,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《煤礦資源儲量核實報告》,各煤層特征見表1。

        1.4 地質(zhì)構造及地震

        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,總體構造形態(tài)為單斜構造,地層走向北東~南西,傾向北西,傾角16°~22°。根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306-2015),區(qū)內(nèi)基本地震動峰值加速度為0.05g,基本地震動反應譜特征周期為0.45s,調(diào)查區(qū)地震烈度為6度區(qū),區(qū)域地殼穩(wěn)定性相對較好。

        表1 可采煤層特征一覽表

        1.5 水文地質(zhì)條件

        (1)地下水類型、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)特征及地下水動力條件,劃分區(qū)內(nèi)地下水類型為基巖裂隙水和松散巖類孔隙水兩大類型: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、泥巖的構造裂隙及風化裂隙中,富水性貧乏~中等;二是松散巖類孔隙水,賦存于第四系松散層中。

        (2)地下水補給、逕流、排泄條件。地下水的補給來源主要為大氣降水的滲入補給,補給量受降水及季節(jié)的控制。當大氣降水到達地表后一部分沿地表向低洼處徑流,一部分通過基巖風化裂隙及構造裂隙滲入地下,賦存運移于基巖節(jié)理、裂隙中,于地勢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?shù)刈畹颓治g面標高為1775.0m。

        1.6 巖土工程地質(zhì)特征

        根據(jù)巖土體性質(zhì)、結構特征及力學強度可將區(qū)內(nèi)巖層劃分為軟質(zhì)巖類工程地質(zhì)巖組和松散巖類工程地質(zhì)巖組兩種類型。軟質(zhì)巖類工程地質(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,抗風化能力弱,力學強度總體較低;松散巖類工程地質(zhì)巖組:為區(qū)內(nèi)第四系(Q)松散堆積殘坡積、礫石等組成,其結構松散,孔隙度大,透水性強,力學強度低。

        1.7 人類工程活動

        調(diào)查區(qū)主要的人類工程活動為煤礦開采,其次為民房和道路建設。在煤礦北東側為小關一組村民聚居區(qū),村民房屋總體呈片狀分布。

        2 地質(zhì)災害現(xiàn)狀

        根據(jù)現(xiàn)場實地調(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)場調(diào)查,BT1、BT2位于礦山主平硐北側山體坡面,崩落方向190°,BT3、BT4、BT5位于村寨北西側上方斜坡面,崩落方向150°~170°,BT6位于采空區(qū)北西側上方陡崖處,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,個別到達煤礦工業(yè)廣場,曾毀壞一輛汽車。BT2崩塌:崩落處原巖高35.0m,分布標高為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20.0m3。BT4崩塌:崩落處標高為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2.0m3。

        (2)地面變形裂縫。DL1地面裂縫:位于村寨西側道路交叉口處,穿過3戶民房。裂縫走向162°,長40m,最大寬度6cm,下沉方向135°,最大下沉量1.0cm。 DLF2地面裂縫:位于小關村一組北西側約380m處,初現(xiàn)時間2019年4月。裂縫走向約82°,長90m,最大寬度25cm,地裂縫南側下沉約10cm。

        (3)民房開裂特征。本次調(diào)查的小關一組118戶村民房屋,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)廣場自南西向北東穿過村寨,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)場調(diào)查,當?shù)孛穹慷酁?~3層淺基礎磚混結構,地基持力層為土層,且部分民房未設置地圈梁。公路以南民房開裂特征不明顯,多為細小裂縫或發(fā)絲裂紋;公路以北部分民房開裂變形嚴重,一是其中2戶民房發(fā)生擠壓變形,導致房屋變形嚴重,裂縫錯動約1cm~4cm。二是部分民房墻體及地面開裂,裂縫寬2cm~5cm(見照片1、2)。另外,在公路后壁多處見擋土墻出現(xiàn)豎向裂縫,寬1cm~3cm。

        3 礦山開采現(xiàn)狀

        根據(jù)小關河邊煤礦提供的井上井下對照圖,小關河邊煤礦在2019年3月形成的1104采空區(qū),開采標高為+1720m~+1750m,開 采1號 煤 層。2018年7月2019年4月 形成1302采空區(qū),開采標高為+1750m~+1785m,開采3號煤層。采煤方式為八字型柔性掩護支架支護,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)北側開采1102、1104和1302、1304采面后,共形成長390m~406m,寬212~240m的采空區(qū)。

        圖1 民房擠壓變形

        圖2 民房墻體開裂

        4 地質(zhì)災害成因分析

        經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查,礦山生產(chǎn)曾采用過炮掘炮采工藝,現(xiàn)采用炮掘綜采,礦山水倉標高約1700m??紤]礦山北部采空區(qū)距小關村一組村寨平距250m~400m,炮震影響較小,同時,煤礦采礦抽水近年來一直在進行,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)生變形開裂,故采用采空區(qū)覆巖移動變形方法進行分析。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作移動邊界線,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,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。通過以上方法分析,BT1~BT5崩塌點、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地裂縫和公路北側部分民房開裂的事實又客觀存在。通過反復研究分析發(fā)現(xiàn),大致以公路為界,公路附近及北側部分民房具有明顯的開裂變形特征,在沿地層傾向方向剖面上自公路向采空區(qū)最低開采煤層(3#煤)連線,該斜線的傾角大致與地層傾角相當,斜線大致與3#煤層面吻合,是否巖層沿3#煤發(fā)生了滑動或變形?其動力從何而來?經(jīng)過調(diào)查組研究并查詢相關資料,一致認定,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。分析其形成機理和過程如下。

        (1)傾斜煤層開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,一方面產(chǎn)生沿法線方向的塌落和彎曲;另一方面采空區(qū)上覆巖體塌落過程中對采空區(qū)兩側的巖體產(chǎn)生拉張和牽引作用,牽引兩側巖體向采空區(qū)中心滑移。

        在巖層傾向方向采空區(qū)的上方側,當巖層拉張作用應力高度集中的某一時刻或一定時段,這種牽引作用極易破壞控制性軟弱結構面固有的穩(wěn)定狀態(tài),而使上部巖體沿軟弱結構面向下方側采空區(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,應力釋放、減小的某一時刻,滑移立刻停止。這種因采空區(qū)沉陷引發(fā)“牽引式”滑動影響的最大范圍包括采空區(qū)上方側軟弱結轉(zhuǎn)構面(滑動面)以上的整個區(qū)域。

        (2)小關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)北西側開采1102、1104和1302、1304采面后,形成長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,在垮落前的某一時刻,拉張應力高度集中且能量巨大,而開采的3#煤層一般較頂?shù)装遘浫酰瑢儆趲r體的軟弱夾層,其層面屬軟弱結構面,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,得出如下結論:

        (1)滑坡HP1~HP5及地裂縫DL2~3處于小關河邊煤礦采煤工程活動影響范圍內(nèi)。因此,滑坡HP1~HP5及地裂縫DL1系小關河邊煤礦采煤工程活動造成。

        (2)小關一組118戶中公路附近及以北60戶居民房屋開裂變形系小關河邊煤礦采煤工程活動所致;公路以南58戶民房開裂是由于地基的不均勻沉降、結構的不合理、自然溫度的熱脹冷縮等原因形成,與小關河邊煤礦采煤工程活動無關。

        5 認識與啟示

        (1)當采空區(qū)上覆巖體垮落規(guī)模較大,在垮落前的某一時刻或一定時段,巖層拉張作用應力高度集中,易引發(fā)傾向方向采空區(qū)上方側巖體發(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)的軟弱結構面,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性質(zhì)的軟弱結構面。

        (3)采空區(qū)垮落斷裂引發(fā)山體“牽引式”滑動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?shù)貙觾A角陡時,邊界角圈定的采空區(qū)覆巖變形影響范圍較大,當?shù)貙泳弮A時,邊界角圈定的采空區(qū)覆巖變形影響范圍較小??傮w上,垮落斷裂引發(fā)山體“牽引式”滑動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)災害成因分析過程中,由于煤礦地質(zhì)災害成災機理的復雜性,在結合相關規(guī)程規(guī)范的同時,還要具體問題具體分析,才能透過現(xiàn)象解釋其本質(zhì)原因。

        (5)本例在煤礦區(qū)進行工程選址、地質(zhì)災害危險性評估、壓覆礦產(chǎn)資源評估、煤礦地質(zhì)災害動態(tài)管理等方面,可提供借鑒與參考。

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