小關(guān)河邊礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害成因與啟示

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(guān)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(guān)村一組民房屋突現(xiàn)開裂，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有關(guān)，118戶村民聯(lián)名向當(dāng)?shù)卣暾垖γ穹块_裂成因進(jìn)行分析，我單位受當(dāng)?shù)卣块T委托，承接該項任務(wù)。

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(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(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。

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(shí)報告》，各煤層特征見表1。

1.4 地質(zhì)構(gòu)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(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(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(gòu)造裂隙及風(fēng)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(bǔ)給、逕流、排泄條件。地下水的補(bǔ)給來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。

1.6 巖土工程地質(zhì)特征

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(fēng)化能力弱，力學(xué)強(qiáng)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(jié)構(gòu)松散，孔隙度大，透水性強(qiáng)，力學(xué)強(qiáng)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(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。

2 地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)狀

根據(jù)現(xiàn)場實(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(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，個別到達(dá)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(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(guān)村一組北西側(cè)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(cè)下沉約10cm。

（3）民房開裂特征。本次調(diào)查的小關(guān)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(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裂變形嚴(yán)重，一是其中2戶民房發(fā)生擠壓變形，導(dǎo)致房屋變形嚴(yán)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(guān)河邊煤礦提供的井上井下對照圖，小關(guān)河邊煤礦在2019年3月形成的1104采空區(qū)，開采標(biāo)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(biāo)高為+1750m～+1785m，開采3號煤層。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(zāi)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(biāo)高約1700m?？紤]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，煤礦采礦抽水近年來一直在進(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)生變形開裂，故采用采空區(qū)覆巖移動變形方法進(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(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)部分民房開裂的事實(shí)又客觀存在。通過反復(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(dāng)，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(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。分析其形成機(jī)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(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刻或一定時段，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(cè)軟弱結(jié)轉(zhuǎn)構(gòu)面（滑動面）以上的整個區(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(yīng)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?，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造成。

（2）小關(guān)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(guān)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(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無關(guān)。

5 認(rèn)識與啟示

（1）當(dāng)采空區(qū)上覆巖體垮落規(guī)模較大，在垮落前的某一時刻或一定時段，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，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，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(zāi)害成因分析過程中，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，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(jìn)行工程選址、地質(zhì)災(zāi)害危險性評估、壓覆礦產(chǎn)資源評估、煤礦地質(zhì)災(zāi)害動態(tài)管理等方面，可提供借鑒與參考。