唐山市馬家溝礦開采沉陷損壞特征研究

馬丙太 王 穎 周錦華 龐國(guó)興 王樂杰

（1.河北省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，河北 石家莊 050000；2.大地工程開發(fā)（集團(tuán)）有限公司，北京 100102）

因礦山資源位置的不可選擇性、資源賦存獨(dú)特性以及開采技術(shù)條件的限制性，采礦活動(dòng)不可避免對(duì)地面建（構(gòu)）筑物產(chǎn)生損壞，易打破原有的景觀生態(tài)系統(tǒng)平衡，使得礦區(qū)環(huán)境不斷惡化。由于資源賦存特點(diǎn)不同，采礦活動(dòng)對(duì)地面的破壞特點(diǎn)也不盡相同，因此深入分析礦山開采沉陷變形損壞特征，是進(jìn)行礦區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)與治理的前提與基礎(chǔ)。

唐山馬家溝礦位于唐山市城郊、開平城區(qū)西部，始建于1908年，2016年因政策性去產(chǎn)能關(guān)閉，開礦至閉坑時(shí)間跨度達(dá)108 a，長(zhǎng)期的地下開采活動(dòng)導(dǎo)致地面建（構(gòu)）筑物、農(nóng)田、交通等基礎(chǔ)設(shè)施受損嚴(yán)重，成為垃圾堆放場(chǎng)，生態(tài)環(huán)境日趨惡化。如何治理修復(fù)和開發(fā)利用好閉坑后的馬家溝礦采煤塌陷地，已成為改善唐山市生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)城市建設(shè)發(fā)展，提升居民幸福指數(shù)亟待解決的難題。該類問題在我國(guó)60余座資源枯竭型城市（如平頂山、撫順、鶴崗等）也普遍存在。本研究以唐山市馬家溝礦為例，結(jié)合該礦歷史開采資料、開采塌陷歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)、塌陷裂縫測(cè)量、調(diào)查及物探等資料，分析其開采塌陷損壞特征，為礦區(qū)塌陷廢棄地的開發(fā)和利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 礦區(qū)概況

馬家溝礦位于河北省唐山市東北9 km處，行政區(qū)劃屬唐山市開平區(qū)管轄，井田走向長(zhǎng)8.99 km，礦區(qū)面積為25.316 2 km2。該礦所處地貌單元為山前傾斜平原沖洪積扇中部，中間部分區(qū)域位于低山丘陵剝蝕殘丘，地勢(shì)起伏較大，地面標(biāo)高+8～+44 m，地貌類型較復(fù)雜。

1.1 煤層賦存特征

開平煤田除了煤為主要礦產(chǎn)以外，沉積有若干層有工業(yè)利用價(jià)值的耐火黏土，馬家溝礦區(qū)有陸相沉積鋁土礦4層。馬家溝礦井田位于開平向斜西北翼中部，開平煤田地層屬華北型沉積。煤田古生代地層廣泛分布，石炭—二疊系為含煤地層，含煤20余層，總厚度達(dá)540 m，含煤總厚24 m，含煤系數(shù)4.72%，主要可采煤層集中在含煤地層中部。含煤地層各統(tǒng)、組間連續(xù)沉積。

該礦工業(yè)廣場(chǎng)將井田分為東西兩翼，井田東部實(shí)際可采煤層兩層，分別為9-2煤和12-1煤。井田西翼在8水平以上，實(shí)際進(jìn)行過開采活動(dòng)的煤層有8、9-1、11、9-2和12-1煤，8、9、10水平僅將9-2煤及12-1煤，11煤與12-1煤的合區(qū)部分采出。主要煤層開采厚度見表1。

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區(qū)內(nèi)礬土礦賦存特征為：①G層鋁土礦位于奧陶系灰?guī)r之上，厚度為1～3 m，可作為制耐火磚原料，該礦層較薄，且不穩(wěn)定，在此區(qū)域內(nèi)無開采價(jià)值；②A層鋁土礦位于二疊系下統(tǒng)頂部，厚約10 m，質(zhì)量相對(duì)較高，前期在淺部曾大量開采，用作耐火磚燒制原料和化工原料。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造特征

馬家溝井田古生代煤系為半暴露式，其煤層與基巖露頭在井田西北部邊界出露地表，在露頭東南大部地區(qū)被0～32 m（一般為10～30 m）厚的第四紀(jì)沖積層覆蓋，與基巖呈不整合接觸。根據(jù)對(duì)井田地質(zhì)構(gòu)造性質(zhì)和成因的分析，以塊段內(nèi)構(gòu)造的成因相同、含煤地層的含煤系數(shù)相近為原則，將井田分為西區(qū)、中區(qū)和東區(qū)3個(gè)構(gòu)造塊段，各構(gòu)造塊段內(nèi)第四系厚度、地層走向和巖層傾角見表2。

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1.3 礦區(qū)歷史采礦情況

馬家溝礦區(qū)除了馬家溝煤礦開采活動(dòng)外，歷史上還有多個(gè)地方煤礦、子母階礦以及礬土礦開采活動(dòng)。

1.3.1 馬家溝煤礦

馬家溝煤礦開拓方式采用立井，分水平、分石門的開拓方式，采用落垛、偽傾斜和走向長(zhǎng)壁采煤法，全部陷落法管理頂板。礦區(qū)主要開采9-2煤層和12-1煤層，開采上限標(biāo)高-10 m，開采下限最大標(biāo)高-900 m，開采水平分為10個(gè)水平，各水平標(biāo)高見表3。

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1.3.2 周邊小煤礦

馬家溝礦區(qū)范圍內(nèi)歷史上存在地方煤礦、開采礬土及子母階礦百余座，地方煤礦主要開采馬家溝礦區(qū)-260 m水平以淺的資源，基本在2008年全部停產(chǎn)關(guān)閉，馬家溝礦與地方礦井的相對(duì)位置關(guān)系如圖1所示。

1.3.3 礦區(qū)四號(hào)礬土井開采史

礦區(qū)1958年開始建井，1968年改擴(kuò)建為生產(chǎn)硬質(zhì)耐火黏土的礦井，1970年正式投產(chǎn)，2007年關(guān)閉，開采深度為30～-390 m，采用立井（暗立井）多水平開拓方式，采礦方法為中深孔留礦法，頂板大巷集中運(yùn)輸。礦區(qū)主要開采A層耐火黏土礦床，厚度為4～10 m，井田范圍如圖1所示。

2 開采沉陷損壞特征

急傾斜煤層開采其地表損壞特征主要表現(xiàn)為：下山方向地表顯現(xiàn)為臺(tái)階裂縫的非連續(xù)變形［1-2］和露頭處地表出現(xiàn)抽冒塌陷抗［3］，另外廢棄豎井井筒未進(jìn)行嚴(yán)格回填處理后，也易在地表發(fā)生抽冒塌陷坑現(xiàn)象。

2.1 地表顯現(xiàn)為臺(tái)階裂縫的非連續(xù)變形特征

2.1.1 裂縫調(diào)查與勘測(cè)

通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查實(shí)測(cè)資料分析，馬家溝礦西區(qū)急傾煤層開采時(shí)，在原半壁店鋼鐵公司附近地面出現(xiàn)8條地面臺(tái)階非連續(xù)變形集中裂縫帶［4］，開采與裂縫相對(duì)位置關(guān)如圖2所示。

圖2中裂縫1～3發(fā)生在1996以前，與工作面距離634 m，井下開采深度為637 m，裂縫形態(tài)為正臺(tái)階，最大縫寬400 mm，最大落差600～800 mm。裂縫4～6發(fā)生時(shí)間在1996以前，與工作面距離1 088 m，井下開采深度637 m，裂縫形態(tài)為倒臺(tái)階，最大縫寬400 mm，最大落差150 mm。裂縫7發(fā)生時(shí)間在1998年，與工作面距離1 177 m，井下開采深度713 m，裂縫形態(tài)為倒臺(tái)階，最大縫寬90 mm，最大落差110 mm。裂縫8落差約0.8m，實(shí)測(cè)裂縫長(zhǎng)度約420 m，與工作面距離765 m，井下開采深度711 m（圖3）。

根據(jù)地裂縫與開采工作面的相對(duì)位置關(guān)系以及開采深度等要素，通過計(jì)算與分析可知，馬家溝礦急傾斜煤層開采在下山方向地表形成裂縫的最外裂縫角為30°～45°［2］，在地裂縫處出現(xiàn)落差0.1～0.8 m、寬0.09～0.40 m的臺(tái)階狀非連續(xù)變形，隨著采深不斷加大，裂縫仍向外延展?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，處于裂縫處的建（構(gòu)）筑物破壞嚴(yán)重，位于裂縫以外的建（構(gòu)）筑物破壞較輕，說明開采沉陷在裂縫處發(fā)生了集中變形［5-6］。

2.1.2 采動(dòng)地裂縫現(xiàn)狀地球物理探測(cè)

開采過程中產(chǎn)生的地面裂縫對(duì)農(nóng)田、建（構(gòu)）物以及基礎(chǔ)設(shè)施等破壞嚴(yán)重，開采結(jié)束若干年后采動(dòng)地裂縫是否仍存在，對(duì)今后地面建設(shè)是否仍產(chǎn)生影響，亟需深入分析。為詳細(xì)查明采動(dòng)地裂縫是否已閉合密實(shí)，為今后礦區(qū)開發(fā)建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)，本研究采用地震映像、淺層地震、高密度電法和瞬態(tài)面波4種地球物理勘探手段進(jìn)行了探測(cè)，勘探工作布置見圖4和表4。

通過對(duì)不同物探資料進(jìn)行解譯，發(fā)現(xiàn)采動(dòng)地裂縫1～7區(qū)域地震映像法、瞬態(tài)面波法解譯反映該區(qū)域波組可連續(xù)追蹤，無反射波異常特征；高密度電法電性特征也未發(fā)現(xiàn)異常，表明因采動(dòng)產(chǎn)生的地裂縫，在開采結(jié)束10 a后已閉合密實(shí)，對(duì)今后采空區(qū)的利用影響?。▓D5）。地裂縫8區(qū)域通過淺層地震反射法和高密度電法探測(cè)均存在異常反應(yīng)，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)該地表裂縫仍然存在，該區(qū)域在進(jìn)行采空區(qū)場(chǎng)地利用時(shí)應(yīng)加以重視，建設(shè)建（構(gòu)）筑物時(shí)應(yīng)采取避讓措施。

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2.2 抽冒塌陷破壞

急傾斜層開采使得在地表或者急傾斜煤層露頭及露頭兩側(cè)50 m地表易斷斷續(xù)續(xù)地出現(xiàn)大大小小的漏斗狀圓形或橢圓形塌陷坑，一般稱為塌陷漏斗或抽冒塌陷坑［7-8］。抽冒塌陷體位于所采煤層或礬土礦的露頭正上方或稍向頂板方向偏移。偏離煤層或礬土露頭的距離與煤層傾角、頂?shù)装鍘r性及基巖表面因風(fēng)化作用而破碎的深度不同有關(guān)［9-11］。

通過對(duì)馬家溝礦和地方煤礦急傾斜煤層開采形成抽冒塌陷的位置、時(shí)間及分布情況的綜合分析，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域塌陷漏斗均位于開采煤層采深小于160 m的煤層露頭一側(cè)，不僅在開采過程中易出現(xiàn)抽冒塌陷，而且停采若干年后，再次發(fā)現(xiàn)抽冒塌陷現(xiàn)象，其原因可能是由于地下水的潛蝕等外力作用，導(dǎo)致采空區(qū)活化。這一破壞特征一般無征兆，時(shí)間和發(fā)生地點(diǎn)難以通過計(jì)算分析確定［12-15］。馬家溝礦區(qū)開采過程中形成的抽冒塌陷坑如圖6和圖7（a）所示。

2.3 地面抽冒塌陷

馬家溝礦區(qū)范圍內(nèi)存在上百座地方煤礦和礬土礦廢棄豎井，根據(jù)本研究調(diào)查分析，豎井雖然已經(jīng)回填多年，但是仍發(fā)生個(gè)別井筒地面抽冒塌陷事故。分析其原因?yàn)椋翰糠重Q井進(jìn)行了全井筒回填，部分采用中間設(shè)置擋板對(duì)20～50 m上部井筒段進(jìn)行回填，其深部未進(jìn)行回填，但均因回填不密實(shí)，存在豎井與井下采空區(qū)的導(dǎo)水通道，在地表水及地下水的長(zhǎng)期潛蝕作用下，易造成豎井地面抽冒塌陷，如圖7（b）所示。

3 結(jié)論

（1）唐山市馬家溝礦急傾斜煤層開采使得在下山方向地表出現(xiàn)了臺(tái)階狀裂縫的非連續(xù)集中變形現(xiàn)象，裂縫角為30°～45°，處于裂縫處的建（構(gòu)）筑物破壞嚴(yán)重，裂縫區(qū)以外的建（構(gòu)）筑物破壞輕微。

（2）通過地震映像法、淺層地震反射法、高密度電法和瞬態(tài)面波法4種地球物理勘探手段對(duì)采動(dòng)地裂縫區(qū)域進(jìn)行勘測(cè)發(fā)現(xiàn)，因采動(dòng)引起的地裂縫大部分基本密實(shí)閉合，對(duì)采空區(qū)場(chǎng)地利用影響小，但個(gè)別地裂縫仍存在，需加以重視。

（3）急傾斜煤層與礬土礦在采深160 m以淺的露頭一側(cè)，在開采過程中地面出現(xiàn)多處突然性抽冒塌陷坑，且在該區(qū)域停采數(shù)年后，依然出現(xiàn)零星的抽冒塌陷，這對(duì)該區(qū)域的土地整治及利用極為不利，應(yīng)在整治過程中引起重視。

（4）馬家溝礦區(qū)內(nèi)存在上百個(gè)已回填的小煤礦及礬土礦廢棄豎井，個(gè)別已回填豎井地面出現(xiàn)突然抽冒破壞。因此在開發(fā)利用豎井區(qū)域時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格做好豎井勘查工作，根據(jù)勘查結(jié)果采取必要的防治措施，確保地面建設(shè)安全。