新疆不同地区煤矿采空区地质灾害特征差异性分析
时间：2023-04-11 11:00:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
孟和，尚彦军，牛宁宁，伊学涛，许涛
（1.新疆工程学院新疆地质灾害防治重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830023；
2.中国科学院地质与地球物理研究所页岩气与地质工程重点实验室，北京 100029；
3.中国科学院大学，北京 100049；
4.晋城蓝焰煤业股份有限公司成庄矿，山西 晋城 048000）
随着我国经济社会迅速发展，矿产资源开采量不断扩大，形成大面积采空区。据初步统计，截至2015年底，全国地下矿山开采共形成12.8×108m3采空区，分布在28个省（市、区）[1]。据新疆矿山遥感调查结果，截至2014年采空塌陷区共计101个，占全部矿山地质灾害（隐患）的54.3%。采空塌陷是新疆数量最多、分布最广、危害最大的矿山地质灾害，且采空塌陷全为能源矿山开采引发，表明煤矿是诱发新疆矿山地质灾害的主要原因[2]。我国每采万吨煤，平均地表下沉面积约0.2 hm2。目前由地下开采引起的地表塌陷面积达50×104hm2，每年新增沉陷面积4×104hm2以上[3]。截至2005年我国因采空塌陷造成的经济损失累计超过500×108元[4]。新疆为我国重要能源接续区和战略储备区，近年来随着国家“一带一路”战略的实施，煤炭行业迎来前所未有的发展机遇。大规模地下开采，导致采空区面积快速增加，使原本脆弱的生态环境受到严重破坏。
据遥感调查结果，截至2014 年底新疆矿山土地占损面积共计124 396.5 hm2，其中采空塌陷区1 249.79 hm2。从空间分布上看，新疆矿山地质灾害主要集中在北疆伊犁盆地、乌鲁木齐东部和南部山区及南疆塔里木北缘等煤炭资源丰富地区，煤矿采空塌陷问题突出[2,5]。新疆不同地区地质环境差异巨大，采矿方法与开采历史不尽相同，使各地区煤矿采空区地质灾害特征显著不同。
1.1 库拜煤田
库拜煤田俄霍布拉克矿区和阿艾矿区位于塔里木北缘地区，为两个国家级规划矿区。俄霍布拉克矿区内某煤矿位于库车市城区北部约69 km 处，矿区地表褐黄色砂岩、粉砂岩、泥岩互层岩体裸露，局部覆盖以砾石和少量黏土、亚砂土松散堆积为主的第四系冲洪积物，碎石、滚石及黏土等松散状堆积为主的第四系残积物（图1-a）[6]。该矿山采用走向长壁综合机械化采煤方法，全部垮落式管理顶板，开采规模较大。由此形成与采空区相一致，规模较大的地表塌陷及地裂缝。该矿区地形平缓，地表裸露，降水量稀少，无地表径流，因此不具泥石流、滑坡诱发条件。据现场调查，井田东翼地表塌陷深0.3～1.2 m，伴生数条与煤层走向一致的裂缝带，宽0.1～0.5 m，深0.8～1.2 m（图1-b，c）；
井田西翼地表塌陷深0.3～0.8 m，见若干条沿煤层走向的裂缝带，宽0.3～0.8 m，深0.8～1.2 m；
井田内还发育部分顺基岩原生结构面延伸的地裂缝，宽0.02～0.05 m，两盘垂向错动约0.03 m（图1-d）。目前，矿山利用采出煤矸石及地表取土进行回填。随井下重复采动及范围的扩大，地表塌陷及伴生裂缝范围不断加大、加深。
图1 俄霍布拉克矿区某煤矿采空区地质灾害情况Fig.1 Geohazards in goaf of a coal mine in Ehuobulake mining area
阿艾矿区位于库车城区北部90 km 处，属天山南麓中低山区，以裸露砂岩构成的风蚀地貌为主，极少第四系覆盖[7]。矿区内某煤矿，采用走向长壁综采放顶煤开采工艺，采空区内形成规模较大的地表塌陷及数条地裂缝带。该矿区气候干旱，地表基岩裸露，植被稀少，与俄霍布拉克矿区相似，不具泥石流、滑坡等地质灾害发育条件。据现场调查，采空区地质灾害主要以地裂缝为主，延伸长5～15 m，基本与工作面推进方向一致。最大宽约0.5 m，两盘垂向错动0.01～0.03 m，裂缝平直，无充填，未发现明显塌陷坑（图2-a，b）。矿山主要以地表取土结合发泡材料进行充填，治理效果较好（图2-c）。该煤矿采空区流水冲沟内见有一挡水坝，因地裂缝发生拉张破坏（图2-d）。
图2 阿艾矿区某煤矿采空区地质灾害情况Fig.2 Geohazards in goaf of a coal mine in Aai mining area
1.2 伊犁煤田
伊犁煤田皮里青矿区是新疆煤炭资源重要基地之一，位于伊宁县城北4 km处。矿区属低山丘陵地貌，地表多由第四系松散堆积层覆盖，表层主要为褐黄或灰黄色粉质黏土、砂质黏土，下部为冲洪积砂砾石层，砾石多呈次棱角状，结构松散[8-9]。研究区某煤矿由于井田开采历史长，老旧矿井数量众多，巷道式及房式、房柱采煤法及炮采工艺使地下采空区错综复杂，地表塌陷剧烈，形成大范围地裂缝。矿区地处伊犁河谷，降水丰富，地形变化较大，具诱发滑坡的基本条件。区内第四系松散堆积层下伏古近—新近系碎屑岩类，多呈碎块状，构成潜在滑动面。据现场调查，该煤矿采空区地表塌陷多呈近圆状或椭圆状，直径20～40 m，深3～10 m，地表塌陷四周发育地裂缝。地裂缝以拉张裂缝及台阶状裂缝为主，裂缝两盘垂向错动距离0.1～0.3 m（图3-a,b）。采空区一临公路斜坡受采动工程影响发育滑坡3 处（图3-c），HP1主滑方向264°，斜长约390 m，坡角20°。滑坡形成2处滑坡台阶，从上到下宽度分别为45 m、40 m。滑坡后壁出露高约12 m，上部出露灰黄色粉质黏土，厚1～2 m，中-上部为红褐色黏土，厚约3 m，中-下部为冲洪积砂砾石层，厚约1 m；
下部可见砂砾岩，强风化，出露厚度约6 m（图3-d）。滑坡后缘存在多条拉张裂缝，走向32°，宽0.1～0.3 m，延伸长约30 m，存在继续滑坡的隐患（图3-e）。
图3 皮里青矿区某煤矿采空区地质灾害情况Fig.3 Geohazards in goaf of a coal mine in Piliqing mining area
1.3 准南煤田
准南煤田白杨河矿区位于呼图壁县城西南70 km，是天山北坡经济带煤炭生产基地。矿区地处天山北麓中低山区，属山区向内陆干旱盆地过渡气候，降水量较多。矿区内山北坡地形坡度较缓，为15°～20°，坡面多被第四系黄土覆盖。山南坡坡度较陡，坡度多在45°以上，岩石裸露[10]。该矿区某煤矿采用走向长壁综合机械化采煤方法，顶板全部跨落管理，开采规模较大。采空区内见规模较大的地裂缝带，但地表未出现明显大范围或连片式塌陷。矿区内山北坡分布第四系松散堆积层，主要为浅黄色砂土、砾石等。地表有腐植土层、植被，结构松散。该矿区降水丰富，属中低山区，地形变化较大，故采空区内诱发了滑坡灾害。据现场调查，该煤矿井田西翼见地裂缝带6 条，延伸方向不确定，主要为拉张裂隙，宽0.05～0.3 m，两盘垂向错动0.05～0.1 m。矿山对地裂缝采取就地取土回填，对地表塌陷坑采用投入矸石，铺置砂卵石，再铺砂，经下沉压密后用黏土夯实补平的方法修复。还发现2 处滑坡，HP1：滑坡后壁出露破碎基岩，推测受断层控制，高约5 m，主滑方向25°，斜长约210 m，坡角约15°（图4-a）。该煤矿工业广场运煤公路边坡处该断层延伸出露，显示为正断层，断距约1 m，断层面宽约2 m，断层影响带宽约9 m。断层影响带内节理发育，实测节理密度5条/m（图4-b），滑坡坡脚下岩石强烈破碎，发育两组节理走向分别为40°、120°；
HP2：主滑方向20°，斜长600 m以上，坡角约18°。该滑坡正处于蠕滑变形阶段，滑坡后缘出现弧形拉张裂缝（图4-c），见地下水渗出，滑坡西侧壁疑似受断层控制（图4-d）。
图4 白杨河矿区某煤矿采空区地质灾害情况Fig.4 Geohazards in goaf of a coal mine in Baiyanghe mining area
经现场调查，对比地处新疆南北疆不同地区库拜煤田俄霍布拉克矿区、阿艾矿区及伊犁煤田皮里青矿区、准南煤田白杨河矿区采空区地质灾害特征，由于地质环境、采煤方法及开采历史不同，煤矿采空区地质灾害成因机制多样，特征差异性明显。
2.1 新疆南北疆气候差异及地表松散堆积物情况决定了采空区地质灾害发育类型
位于天山南麓的库拜煤田俄霍布拉克矿区、阿艾矿区，属典型大陆性沙漠干旱气候，蒸发量大，降水量少，年均降水量仅73.5 mm，年均蒸发量1 515.5 mm。区内地下水主要为基岩孔隙裂隙水，含量较少。干旱气候和贫瘠砾石戈壁环境使矿区植被贫乏、结构简单，大部分区域无第四系覆盖，基岩裸露。这种条件下地下开采形成崩塌、滑坡等灾害程度较弱，地表塌陷、地裂缝为煤矿采空区主要地质灾害（图5-a）。伊犁河谷地区的伊犁煤田皮里青矿区及位于天山北麓的准南煤田白杨河矿区，气候相对湿润，年均降水量分别为428.1 mm、421.5 mm[10-11]，且存在常流河顺地层渗漏或侧向补给地下，形成第四系孔隙潜水。每年10月降雪，次年3～4月消融，强冻融循环作用加速了风化破坏。矿区沟谷、斜坡、阶地等较低平地带，分布着以黄土及冲洪积砂砾石为主的第四系松散堆积物。这种条件下地下开采形成的地裂缝引起地表松散堆积物变形，具诱发滑坡等地质灾害的条件（图5-b）。
2.2 松散堆积物厚度及地表水对裂缝带的下渗潜蚀影响采空区地表塌陷、地裂缝的发展演化
采空区形成后，黄土在未遇水时具一定强度。当地表覆盖以黄土为主的第四系松散堆积层时，上覆松散堆积层不会立即垮落，遇水后，其强度降低，逐步形成地裂缝及地表塌陷等[12]。准南煤田白杨河矿区见地表塌陷往往滞后于煤层回采后较长时间，常引起地表塌陷的滞后效应，地表覆盖黄土层厚度越大，引起滞后效应时间越长。位于伊犁河谷的伊犁煤田皮里青矿区，地表水在汇集下渗过程中黄土等松散堆积层经水理作用后崩解、泥化。粉土颗粒黏性较小，在渗流作用下极易松散。地裂缝两侧粉土颗粒被带至下伏采空区，使地裂缝进一步扩大，发展为集中渗流-管道流（图5-b），为地裂缝扩展演化形成塌陷坑、滑坡提供了必要水动力条件。
图5 地表松散堆积层情况不同影响采空区地质灾害发育类型Fig.5 Different development of surface loose deposits affect the types of geohazards in goaf
2.3 煤层地质特征与开采方式导致采空塌陷与地裂缝发育特征不同
采用长壁式综合机械化采煤的煤矿，由于开采规模较大，采空区上方易形成规模较大、与采空区近一致的采空塌陷及沿工作面走向发育的地裂缝条带。当煤层属中-缓倾斜煤层时，地表受拉伸变形，产生楔形地裂缝，一般平行于采区边界，宽数厘米，深数米，呈楔形，开口浅部较大，向深变小（图6-a）。如在库拜煤田俄霍布拉克矿区、阿艾矿区就多发育沿工作面走向分布的楔形地裂缝。随煤矿生产开拓，当多层组合煤层开采时，地表出现范围较大的中央底面平坦，边缘呈多级台阶状塌陷盆地。在伊犁煤田皮里青矿区，开采历史较长，以巷道式及房柱式采煤法为主的老窑数量较多。因采深较浅，薄顶板覆岩垮落形成漏斗状地表塌陷，一般呈圆形或椭圆形，直径从几米至几十米，深几米至几十米不等，塌陷漏斗四周形成拉张力，产生地裂缝。当开采浅部厚煤层时，局部可出现槽型塌陷（图6-b）。
图6 煤层地质特征与开采方式影响采空塌陷与地裂缝发育特征Fig.6 Geological characteristics and mining methods of coal seams influence goaf collapse and ground fissure development characteristics
2.4 地质构造情况影响采空区地质灾害发育程度与延伸规模
当采空区覆岩中有断层存在时，断层处岩体强度远低于周围岩体。故近采空区一侧岩体易沿断层面大幅度滑动，延伸至地表可见断层在地表的露头处出现明显破碎塌陷。发育的地裂缝一般处在断层地表露头方位，开始表现为地表开裂，之后逐渐发展为台阶状塌陷。当断层面倾向与采动裂隙倾向一致，且倾角大于采动裂隙倾角或断层面倾向与采动裂隙倾向相反时，地表露头处形成明显破碎塌陷；
当断层倾向和采动裂隙倾向一致，断层面倾角小于采动裂隙倾角情况下，断层处岩层如不发生滑动则地表不会明显破碎塌陷（图7）[13]。同时区内断层对采空区滑坡边界具一定控制作用。如：准南煤田白杨河矿区某煤矿采空区，HP1 受SE 走向正断层影响，后壁基岩破碎，HP2 西侧壁推测受区域内NE走向断层控制。HP1 坡脚处基岩强烈破碎，发育两组节理走向分别为40°、120°，与区域内断层走向具较好一致性。
图7 煤矿采空区断层地表露头处形成台阶状塌陷示意图Fig.7 Sketch map of step collapse formed at the fault surface outcrop in the goaf of the coal mine
（1）新疆煤矿采空区主要地质灾害为井下开采造成的地表塌陷与地裂缝。受气候条件影响，降雨较丰富、地表第四系堆积层覆盖地区，地表塌陷、地裂缝引起地面变形易引发滑坡、泥石流灾害。
（2）目前新疆煤矿普遍采用长壁式综合机械化采煤法，采空区顶板暴露面积较大，易产生规模较大的采空塌陷与地裂缝。地裂缝不单一出现，而是在临近区出现多条地裂缝，且走向多与煤层走向一致。一些开采历史较长地区，老窑数量多，采空塌陷规律复杂，老旧矿井多采用巷道式及房式、房柱采煤法开采浅埋煤层，使地表出现塌陷坑，并在塌陷坑四周形成地裂缝。
（3）断层对采空区地质灾害具控制作用，一是在断层地表露头处易产生较破碎的台阶状塌陷；
二是断层影响采空区地表塌陷的规模与滑坡的延伸。
