宜都市松宜礦區(qū)礦山地質(zhì)災害影響因素分析及采空區(qū)穩(wěn)定性研究

俎全磊，劉 帥，楊 濤

(湖北省地質(zhì)環(huán)境總站，湖北武漢 430034)

1 概況

松宜礦區(qū)位于宜都、松滋兩市交界處，地處東西走向仁和坪含煤向斜構(gòu)造東端部分，總面積約130 km2，其中宜都市境內(nèi)65 km2。

松宜煤礦區(qū)開發(fā)歷史悠久，1835年就有鄉(xiāng)民進行土法開采。樹枝狀掘進巷道，見煤就挖，以掘代采，能采多少算多少。1970年以來，采煤方法逐步向半機械化和正規(guī)化邁進，采用的采煤方法有巷道式采煤法，短壁式、長壁式采煤法，柱式采煤法及分層采煤法。2000年后，由于本省煤炭資源短缺，私營礦山如雨后春筍般興起，區(qū)內(nèi)礦山總產(chǎn)量達百萬噸/年，多為復采前期縣市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦。

2 松宜礦區(qū)礦山地質(zhì)條件及地質(zhì)環(huán)境破壞發(fā)展史

松宜礦區(qū)(宜都境內(nèi))地貌類型為低山丘陵區(qū)，地勢總體為西高東低，北高南部低，區(qū)內(nèi)地形起伏較大，溝谷深切地形復雜。區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖廣布，沉積厚度大，巖溶發(fā)育，受仁和坪向斜控制，山體走向與主構(gòu)造形跡一致，多形成單斜山斜坡地貌［1］。

二疊系梁山組(P1l)是本區(qū)含煤地層，由石英砂巖、砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖、煤層、粘土巖組成，該組地層中含煤三層，按原始沉積的先后順序由下而上分別命名為Ⅰ煤層、Ⅱ煤層、Ⅲ煤層，Ⅰ、Ⅲ煤層基本不可采，主采煤層為Ⅱ煤層，屬不穩(wěn)定—極不穩(wěn)定之過渡類型。煤層呈似層狀、扁豆體狀產(chǎn)出，局部有尖滅現(xiàn)象或出現(xiàn)不可采地段，厚度變化較大，有變薄和分叉現(xiàn)象，厚度0～7．02 m，平均厚度1．67 m，開采水平標高為-109～+470 m高程。部分礦區(qū)因Ⅱ煤層局部厚度＞2 m的煤層未能一次采全高，于采空區(qū)留有部分礦層。

礦區(qū)位于揚子準地臺區(qū)西南部近東西向長陽復向斜與江漢平原沉降帶結(jié)合部位，緯向構(gòu)造形跡在本區(qū)占主導地位，構(gòu)成了東西向構(gòu)造骨架，次級構(gòu)造主要有仁和坪復倒轉(zhuǎn)向斜、梁山—肖家隘斜歪背斜。

礦區(qū)以堅硬、半堅硬巖石為主，工程地質(zhì)條件中等復雜。區(qū)內(nèi)大面積出露二疊系、三疊系強—中等巖溶化堅硬碳酸鹽巖，巖溶發(fā)育，巖體質(zhì)堅性脆，抗風化能力強，抗壓、抗剪強度高。第四系松散堆積物主要分布于干溝河兩岸及山間緩坡洼地內(nèi)的，巖性主要為粉質(zhì)粘土夾碎石、漂石、卵石土，結(jié)構(gòu)松散，透水性較強，土體力學強度較低。

根據(jù)礦產(chǎn)資源開發(fā)、礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)問題時空分布規(guī)律等，松宜礦區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境的演化進程可以劃分為三個階段:1965年前;1973—1990年;2000年至今。

建國初期(1949—1965年)，主要開采淺部及河谷兩側(cè)煤層，各種環(huán)境地質(zhì)問題開始顯現(xiàn)，地面變形主要為河谷兩側(cè)斜坡出現(xiàn)拉裂縫，小型采空地面塌陷的發(fā)生等等。

1973—1990年，隨著松宜礦務局下屬礦山企業(yè)在70年代初逐步投產(chǎn)，進入礦山開采的第二個生產(chǎn)高峰期。區(qū)內(nèi)地質(zhì)環(huán)境問題開始急劇惡化，各礦山由淺部向深部開始轉(zhuǎn)移，采空區(qū)進一步擴大及大量疏排地下水，進入環(huán)境地質(zhì)問題多發(fā)頻發(fā)期，開始形成采空地裂縫，且河水斷流，泉點干枯，各種地面塌陷亦呈集中發(fā)育態(tài)勢。

2000年至今，礦區(qū)私營礦山興起，達到第三個煤炭開采高峰期。開采過程中不合理地濫采亂挖，大肆開采前期的保安煤柱，導致區(qū)內(nèi)地質(zhì)環(huán)境進一步惡化，形成了多個地面塌陷集中發(fā)育區(qū)。

由于礦山地質(zhì)環(huán)境問題的變形發(fā)展是一個長期而緩慢的過程，具有滯后性和難恢復性，決定了松宜礦區(qū)宜都市礦山地質(zhì)環(huán)境問題在今后的短期內(nèi)尚處于發(fā)展階段。

3 礦區(qū)地質(zhì)災害發(fā)展與分布［2］

根據(jù)收集資料及實際調(diào)查，礦區(qū)內(nèi)主要環(huán)境地質(zhì)問題與礦業(yè)開發(fā)活動多有密切聯(lián)系。經(jīng)不完全統(tǒng)計，礦區(qū)的各大井田分布范圍內(nèi)有135處地質(zhì)災害點，受礦業(yè)直接和間接影響的有121處。19處崩塌中有17處位于采空區(qū)及其影響范圍內(nèi)，主要受地下采礦、爆破振動和人工邊坡開挖影響;10處滑坡中有4處受人工加載和爆破振動影響;44處地面塌陷位于采空區(qū)及其影響范圍內(nèi)，受地下采礦和井下排水影響;36處不穩(wěn)定斜坡除3處為自然斜坡外皆為人工棄渣堆積，井田范圍外還有5處不穩(wěn)定斜坡為人工棄渣堆積;14處地面沉降和2處地裂縫全部位于采空區(qū)，受地下采礦和地下水疏排影響。采空區(qū)范圍與地質(zhì)災害分布見圖1。

圖1 松宜礦區(qū)宜都市地質(zhì)災害與采空區(qū)相對位置圖Fig．1 Relative position graph of geological disaster and mined-out area of Yidu Songyi mine

4 礦區(qū)地質(zhì)災害形成條件及影響因素

4．1 地面塌陷

4．1．1 采空塌陷形成條件及影響因素

區(qū)內(nèi)采空塌陷形成原因主要為人類工程活動。自20世紀80年代起，隨著松宜礦區(qū)的建設，區(qū)內(nèi)地下采煤形成采空區(qū)，造成上部土體巖層架空，加之巖體裂隙及巖溶發(fā)育，采空區(qū)圍巖壓力改變，地下水的疏排，巖層支撐平衡條件破壞，上部巖土層在自重作用和爆破震動等外動力作用下失穩(wěn)，最終產(chǎn)生塌陷。區(qū)內(nèi)采空塌陷具突發(fā)性、群發(fā)性的特點，其發(fā)育受人類工程活動(地下采礦)控制。其規(guī)模、形態(tài)與地下采空范圍、地下巷道拓展方向、頂板深度、開采時間緊密相關，一般來說，采空區(qū)范圍、頂板埋深決定塌陷坑直徑，地下巷道拓展方向決定塌陷坑單坑長軸方向和群坑展布發(fā)育方向，開采時間長短決定塌陷坑發(fā)展趨勢。

宜都市王家畈鄉(xiāng)夏家灣村的團堡地面塌陷為一典型受礦業(yè)開發(fā)形成的采空塌陷。塌陷始發(fā)于1997年，盛發(fā)于2004—2005年，最新塌陷坑發(fā)生于2009年6月，其發(fā)育時間與其所在區(qū)域地下開采史密切相關，據(jù)調(diào)查，八九十年代，松宜礦務局對夏家灣井田區(qū)開始礦業(yè)開發(fā)，2000—2009年，礦山進入開采高峰區(qū)。團堡地面塌陷共發(fā)育4個塌陷坑，呈串珠狀展布，塌陷坑均為圓形—橢圓形，塌陷坑群坑展布方向、橢軸展布方向及下部采空區(qū)展布方向皆為120°。

4．1．2 巖溶塌陷形成條件及影響因素

松宜礦區(qū)巖溶塌陷均發(fā)育于二疊系茅口組及棲霞組厚層碳酸鹽巖地層中，為煤層的直接頂板，該碳酸鹽巖質(zhì)純層厚，溶隙、溶孔及小型溶洞等巖溶較發(fā)育，易于形成空洞。礦坑疏排水形成降落漏斗，導致地下水位大幅下降，據(jù)調(diào)查區(qū)域內(nèi)多個泉點及河流均有干枯斷流現(xiàn)象。巖溶發(fā)育及地下水下降形成溶洞內(nèi)的真空吸蝕，導致區(qū)內(nèi)產(chǎn)生塌陷。同時，礦坑疏排水導致地表水、地下水循環(huán)交替迅速，水流活動較為強烈，加劇了對可溶巖的溶蝕作用，特別是地下水活動強烈地帶，地下水位的升降和地下水長期流動，對巖石溶蝕掏空而后攜帶他處，久而久之溶蝕形成新的空洞，空洞逐漸擴大過程中，頂部巖體變薄強度降低，在承受不住上部巖體、土體重力時則形成塌陷。

4．2 滑坡

4．3 崩塌

松宜礦區(qū)崩塌多發(fā)育于河谷及沖溝兩側(cè)陡坡地段，地表出露地層以二疊系下統(tǒng)茅口組、棲霞組灰?guī)r等脆性地層為主，其下伏梁山組軟弱巖組則多分布于斜坡下部陡緩相間部位，構(gòu)成軟弱基座斜坡結(jié)構(gòu)類型;巖體在構(gòu)造、卸荷、降水等內(nèi)外地質(zhì)作用下節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體多呈塊狀或巨塊狀結(jié)構(gòu);受前期無序開采保安煤柱等影響，其下多分布有較大面積采空區(qū)，在采空冒落、巖體自重等因素直接作用下產(chǎn)生彎曲—拉裂變形，于斜坡體后緣發(fā)育有寬張裂縫。在適宜的地形及臨空條件組合下，于前凸或兩側(cè)臨空的陡崖部位形成危巖體，最終產(chǎn)生崩塌變形破壞。

4．4 地裂縫

松宜礦區(qū)出現(xiàn)的地裂縫特指與地面塌陷、地面沉降等相伴生的采空地裂縫，區(qū)內(nèi)共有2處。區(qū)內(nèi)地裂縫變形破壞模式主要為緩傾—中傾的逆向軟弱基座斜坡在下部軟弱層(煤層，最大厚6．85 m)采空后，導致周邊巖體出現(xiàn)應力重分布和應力集中，在采空冒落、巖體自重及彎矩等動力作用下，上部斜坡陡坡地帶的堅硬二疊系下統(tǒng)中厚—厚層狀含燧石結(jié)核微晶灰?guī)r山體出現(xiàn)間斷式坐落式下沉，各變形裂縫逐漸擴展加寬、延伸貫通，從而形成地裂縫。

4．5 地面沉降

松宜礦區(qū)內(nèi)采礦多為壁式開采，少數(shù)為房柱式開采，在后期復采過程中大量開采保安煤柱，頂板采用自然垮塌法進行管理，未能采取及時有效的防護措施，粗放式的頂板管理和后期無序復采，形成大面積采空區(qū)。上部巖體在采空冒落、地下水疏排、自重等因素作用下產(chǎn)生地表移動和變形，其中煤層的埋藏深度、厚度等因素決定了地面沉降破壞的程度。

在煤層較均勻且較小、埋深相對較大區(qū)，采空頂板冒落變形發(fā)展到地表所需時間較長，危害程度較輕，一般不會產(chǎn)生建筑物嚴重變形。在煤層厚度大、埋藏深度淺的區(qū)域，采空頂板冒落變形發(fā)展到地表所需時間短，危害程度重，多于地表形成采空塌陷或地裂縫，并導致區(qū)內(nèi)建筑物出現(xiàn)嚴重變形破壞。

4．6 不穩(wěn)定斜坡

經(jīng)過多年的開采，各煤礦均存在一定程度的棄渣問題，在不利環(huán)境條件下將會形成棄渣堆積體滑坡或泥石流等地質(zhì)災害。據(jù)統(tǒng)計，采空區(qū)范圍內(nèi)有棄渣堆積體(矸石山)35處，發(fā)展趨勢不穩(wěn)定的19處。棄渣體主要就近堆積在礦山井口附近，區(qū)內(nèi)現(xiàn)狀條件下，除松宜礦務局旗下礦山針對矸石山采取了簡易支擋防護工程外，多數(shù)未采取有效的防護措施，致使其穩(wěn)定性較差，時有塌滑變形發(fā)生。

總之，在礦山建設與生產(chǎn)運營過程中，對礦山地質(zhì)環(huán)境施加礦山地質(zhì)作用，引起地質(zhì)環(huán)境不斷調(diào)整其演化過程。當這種作用超過地質(zhì)環(huán)境所能承受的能力，將有害于礦山地質(zhì)環(huán)境，甚至形成災害。在宜都市地區(qū)，采礦多為地下開采，資源開采后的采空區(qū)，其圍巖應力將發(fā)生改變，同時在局部地段的礦業(yè)活動如抽排地下水及爆破震動等因素下，采空區(qū)上覆巖層受到進一步破壞并產(chǎn)生移動及沉降，當沉降高度達到地表時，則形成塌陷坑或地面沉降，在陡峭臨空的地形條件下，可能造成上覆山體開裂變形，最終產(chǎn)生傾倒滑崩。而礦業(yè)活動的棄渣堆放，則促進了礦區(qū)內(nèi)不穩(wěn)定斜坡的形成。

5 采空區(qū)穩(wěn)定性評價研究

礦區(qū)多年采礦形成大面積采空區(qū)，使得開采區(qū)周緣巖體原始應力平衡狀態(tài)遭受破壞，產(chǎn)生應力重分布或應力集中，在尋求新的平衡過程中，產(chǎn)生地面沉陷，導致地表巖體產(chǎn)生變形或破壞。其變形破壞主要表現(xiàn)為地面塌陷、地面沉降、地裂縫及其所誘發(fā)的崩塌、水資源枯竭、建筑物變形或水質(zhì)惡化及滑坡等。以上主要地質(zhì)環(huán)境問題是采空地面沉陷變形破壞的表現(xiàn)方式，其形成和分布與采空區(qū)緊密相關。

5．1 采空區(qū)變形機制

采空區(qū)地面沉陷垂向上可分為采空冒落帶、導水裂隙帶、地表位移帶(彎曲下沉帶)等，分述如下。

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冒落帶 位于采空區(qū)上方的頂板巖層，在自重及上覆巖層重力作用下，移動變形很大，所受應力大大超過本身強度，使巖層斷裂破碎塌落，堆積于采空區(qū)，已塌落部分稱冒落帶。

裂隙帶 冒落帶上部的巖層在重力作用下，移動變形較大，所受應力超過本身強度，巖層產(chǎn)生裂隙或斷裂，但尚未塌落，形成裂隙帶。

彎曲帶 裂隙帶上部的巖層在重力作用下，變形較小，所受應力尚未超過其本身強度，未產(chǎn)生裂隙，僅出現(xiàn)連續(xù)平緩的變曲變形，稱彎曲帶。上述三帶(圖2)的形成主要取決于礦層的賦存條件、開采頂板管理方法以及巖層性質(zhì)等。

圖2 采空區(qū)冒落的垂直分帶示意圖Fig．2 Schematic diagram of vertical zoning of caving of mined-out area

采空區(qū)由于其大小、幾何形狀、采掘厚度和礦層埋深的不同，上述三個帶不一定同時存在。當采空區(qū)埋深較淺時，冒落帶可以直達地表，形成地面塌陷。采空區(qū)埋深較深時裂隙帶可能達到地表，使地表出現(xiàn)裂隙(地裂縫)。采空區(qū)埋深很大時，其裂隙帶已不能達到地表，此時近地表區(qū)多表現(xiàn)為彎曲下沉(地面沉降)。

5．2 采空區(qū)穩(wěn)定性評價

采空區(qū)是否穩(wěn)定看其對地表變形影響大小，主要表現(xiàn)為是否存在或發(fā)生地裂縫、地面沉降、地面塌陷、崩滑等地質(zhì)災害，以及將來是否可能發(fā)生地質(zhì)災害。因此以地質(zhì)災害的可能性來對采空區(qū)的穩(wěn)定性進行分區(qū)評價。

根據(jù)區(qū)內(nèi)地質(zhì)災害發(fā)育現(xiàn)狀及采空區(qū)變形機制，煤層的埋藏深度、厚度決定了地表變形的程度，為影響采空區(qū)穩(wěn)定性的主要因素。通過現(xiàn)場的詳細調(diào)查和收集的礦山資料，了解了采空區(qū)內(nèi)地質(zhì)環(huán)境特點，采空區(qū)內(nèi)礦洞分布以及開采的基本情況，將礦層厚度(M)與采空頂板埋深(H)進行疊加，得到了采空區(qū)開采深厚比(H/M)值，采空區(qū)內(nèi)深厚比(H/M)值范圍為0～260，按20一根，＞200時不再細分的標準，將深厚比(H/M)值進行劃分，得到采空區(qū)開采深厚比(H/M)值等值線圖，見圖3。由圖可知，地質(zhì)災害分布與采空區(qū)頂板埋深關系密切，多分布在開采深厚比＜160的范圍內(nèi)，深厚比＞200時，地質(zhì)災害發(fā)育明顯減少。

根據(jù)前文所述，采空區(qū)地質(zhì)災害發(fā)生的可能性可根據(jù)開采深厚比判定，見表1。

表1 采空區(qū)地質(zhì)災害發(fā)生可能性按開采深厚比判定Table 1 Possibility of geological disasers according to rate of mining depth and thickness in mined-out area

依據(jù)表1地質(zhì)災害易發(fā)程度的判別標準，結(jié)合開采深厚比(H/M)等值線圖，考慮地貌影響，對采空區(qū)地表巖土體穩(wěn)定性進行劃分，將其劃分為三個區(qū)六個亞區(qū)。采空區(qū)穩(wěn)定性分區(qū)見圖4，各區(qū)的情況如下。

5．2．1 穩(wěn)定性差區(qū)

區(qū)內(nèi)開采深厚比(H/M)＜160，總面積為30．53 km2，占采空區(qū)總面積71．6%。區(qū)內(nèi)為低山丘陵地貌，地形坡度一般20°～60°，出露二疊系(P2)的砂巖夾煤層、灰?guī)r、頁巖等。發(fā)育地質(zhì)災害118處，面密度為3．87處/km2。其中 A1 區(qū)面積 26．73 km2，發(fā)育地質(zhì)災害104處，面密度為3．89處/km2;A2區(qū)面積3．8 km2，發(fā)育地質(zhì)災害14處，面密度為3．68處/km2。總體上該區(qū)域穩(wěn)定性差，地表易發(fā)生變形破壞，形成地質(zhì)災害。

5．2．2 穩(wěn)定性較差區(qū)

區(qū)內(nèi)開采深厚比(H/M)160～200，總面積為6．3 km2，占采空區(qū)總面積14．8%。區(qū)內(nèi)屬低山地貌，地形坡度一般＞30°～60°，出露二疊系(P2)的砂巖夾煤層、灰?guī)r等。發(fā)育地質(zhì)災害9處，面密度為1．43處/km2。其中B1區(qū)面積5．8 km2，發(fā)育地質(zhì)災害8處，面密度為1．38處/km2;B2區(qū)面積0．5 km2，發(fā)育地質(zhì)災害1處，災害發(fā)育面密度為2處/km2?？傮w上該區(qū)域穩(wěn)定性較差，目前區(qū)內(nèi)地表變形情況較輕微，但隨著時間推移，下覆采空區(qū)頂板發(fā)生冒落，保安礦柱風化片幫，地表變形可能加劇。

圖3 松宜礦區(qū)宜都市地質(zhì)災害分布與采空區(qū)深厚比等值線圖Fig．3 Contour map of deep ratio of geological disasters distribution and mined-out area of Yidu Songyi mine

5．2．3 穩(wěn)定性一般區(qū)

圖4 松宜礦區(qū)宜都市采空區(qū)穩(wěn)定性分區(qū)圖Fig．4 Zone map of stability of mined-out area of Yidu Songyi mine

開采深厚比(H/M)＞200，該區(qū)面積5．8 km2，占采空區(qū)面積13．6% 。屬中低山地貌，地形坡度一般25°～60°，出露三疊系(T3)的砂巖，泥質(zhì)砂巖等。發(fā)育地質(zhì)災害4處，面密度為0．69處/km2。其中C1區(qū)面積3．9 km2，發(fā)育地質(zhì)災害4處，面密度為1．03處/km2;C2區(qū)面積1．9 km2，目前區(qū)內(nèi)地表未見明顯變形情況。區(qū)內(nèi)地表變形情況輕微，受地下采空區(qū)影響較小。

總體來說，地質(zhì)災害分布與采空區(qū)頂板埋深關系密切，多分布在開采深厚比＜160的范圍內(nèi)，深厚比＞200時，地質(zhì)災害發(fā)育明顯減少。開采深厚比＜160的區(qū)域地表受采空區(qū)影響大，采空區(qū)地表變形明顯，地質(zhì)災害多集中于該區(qū)，穩(wěn)定性差，地質(zhì)災害高易發(fā);開采深厚比處于160～200之間的區(qū)域，地表受采空區(qū)影響一般，地表變形相對較弱，地質(zhì)災害發(fā)生數(shù)量明顯減少，穩(wěn)定性較差，地質(zhì)災害中等易發(fā)，但隨著采空區(qū)頂板及礦柱變形加劇，地表極可能變形加劇，形成新的地質(zhì)災害;開采深厚比＞200的區(qū)域，地表受采空區(qū)影響小，穩(wěn)定性較好，地質(zhì)災害低易發(fā)。

表2 采空區(qū)穩(wěn)定性分區(qū)說明表Table 2 Table of stability zoning in mined-out area

［1］ 張金林，俎全磊．湖北省礦山環(huán)境調(diào)查與評估報告［R］．武漢:湖北省地質(zhì)環(huán)境總站，2005．

［2］ 俎全磊，楊濤．清江流域宜都市地質(zhì)災害詳細調(diào)查［R］．武漢:湖北省地質(zhì)環(huán)境總站，2011．