城市煤礦采空區(qū)穩(wěn)定性評價(jià)
——以荊門園博園場區(qū)為例

朱文彩， 陳江軍， 楊 偉， 李 業(yè)

(湖北省地質(zhì)局 水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，湖北 荊州 434020)

因埋藏型礦產(chǎn)開采而形成的采空區(qū)已經(jīng)成為制約經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的不穩(wěn)定因素[1]，特別是人口集中、工程建設(shè)活躍的城市區(qū)域[2-3]，亟需查明采空區(qū)的空間分布、規(guī)模、穩(wěn)定性及其發(fā)展趨勢，從而為土地規(guī)劃利用、施工組織和安全運(yùn)營提供基礎(chǔ)資料[4-8]。為此，研究人員建立了不同的采空區(qū)穩(wěn)定性評價(jià)模型及其指標(biāo)體系[9-11]，使該類評價(jià)工作逐漸趨于合理。

荊門市具有豐富的磷、石膏、煤等埋藏型礦產(chǎn)資源[12]，因長期開采而形成大量采空區(qū)，其中石膏礦采空區(qū)主要分布于東寶區(qū)子陵鋪鎮(zhèn)和掇刀區(qū)白廟街道辦事處、麻城鎮(zhèn)，煤礦采空區(qū)主要分布于東寶區(qū)馬河鎮(zhèn)、漳河鎮(zhèn)(圖1)。隨著荊門市城市規(guī)模的擴(kuò)大，一些采空區(qū)周邊已發(fā)展成為新的中心城區(qū)，因此對城區(qū)采空區(qū)的開發(fā)利用已不可避免。近年來，荊門市開展了多項(xiàng)涉及采空區(qū)的調(diào)查評價(jià)工作，例如開展縣域地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查，大致查明了調(diào)查區(qū)因采空誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量、位置、類型、規(guī)模、威脅范圍及威脅對象；開展礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境治理，大致查明了治理礦區(qū)內(nèi)采空區(qū)的空間分布、變形特征及其危害；對礦區(qū)周邊新建小區(qū)進(jìn)行采空區(qū)專項(xiàng)勘察，查明了采空區(qū)的空間分布范圍，并采用回填、注漿、樁基穿透等手段進(jìn)行了有效處置[13-14]。此外，近期實(shí)施的湖北省資源枯竭型城市礦山地質(zhì)環(huán)境治理工程項(xiàng)目以荊門市磷礦、石膏礦采空區(qū)為研究對象，對采空區(qū)地面塌陷的勘查技術(shù)方法、采空區(qū)變形機(jī)制與成災(zāi)機(jī)理等進(jìn)行了系統(tǒng)研究。

圖1 荊門市采空區(qū)分布圖Fig.1 Distribution map of goaf in Jingmen City

荊門園博園位于荊門市城區(qū)，其場區(qū)內(nèi)曾經(jīng)進(jìn)行過煤礦開采活動(dòng)，遺留下大量采空區(qū)，由于礦權(quán)頻繁轉(zhuǎn)讓、資料遺失等，造成煤礦采空區(qū)的分布、規(guī)模、埋深等資料缺失，制約了園博園場區(qū)的規(guī)劃布局。為此，本次研究在查明園博園場區(qū)內(nèi)煤礦采空區(qū)分布范圍及特征的基礎(chǔ)上，通過理論分析與數(shù)值模擬計(jì)算，對采空區(qū)進(jìn)行穩(wěn)定性分區(qū)，并提出各分區(qū)在布局設(shè)計(jì)、施工建設(shè)和運(yùn)營階段的地質(zhì)安全管理建議。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處荊當(dāng)向斜東翼，斷裂構(gòu)造不發(fā)育，出露地層由新至老為第四系(Q)、中侏羅統(tǒng)千佛崖組(J2q)、下侏羅統(tǒng)桐竹園組(J1t)、上三疊統(tǒng)—下侏羅統(tǒng)王龍灘組(T3J1w)，總體呈單斜狀產(chǎn)出，產(chǎn)狀252°～265°∠36°～55°。工程地質(zhì)方面，覆蓋層主要由建筑棄渣(一般厚3～5 m，最厚10～20 m)、殘坡積粉質(zhì)黏土組成，基巖主要由灰綠色(粉砂質(zhì))泥巖與紫紅色粉砂巖互層夾煤層組成，因此(粉砂質(zhì))泥巖與粉砂巖互層巖層構(gòu)成采空區(qū)的頂、底板。水文地質(zhì)方面，覆蓋層、粉砂巖、采空區(qū)的充填或垮落石渣構(gòu)成含水或透水巖層，泥巖、粉砂質(zhì)泥巖則構(gòu)成相對隔水巖層。根據(jù)鉆孔實(shí)測數(shù)據(jù)，區(qū)內(nèi)地下水穩(wěn)定水位高程為145～150 m，埋深為5～10 m。

2 采空區(qū)分布特征

2.1 采空區(qū)勘查方法概述

采空區(qū)勘查的目的是查明采空區(qū)的空間分布及其特征，常用的勘查手段以工程鉆探、物探為主，輔以變形觀測、水文試驗(yàn)等[15]。由于研究區(qū)早期采煤活動(dòng)極不規(guī)范，地下井巷復(fù)雜，地表井口眾多，而且井口均被封堵回填，無法進(jìn)行井下實(shí)地探查，因此本次研究在資料分析基礎(chǔ)上，主要進(jìn)行物探解譯和鉆探驗(yàn)證。

(1) 收集和分析各礦區(qū)已有資料及周邊場地勘查資料，對煤層和標(biāo)注的采空區(qū)進(jìn)行測繪和復(fù)核。分析陰山煤礦(①號礦區(qū))、趙沖溝煤礦(②號礦區(qū))等礦區(qū)(圖2)的礦層分布、井上井下對照圖、開采方式、開發(fā)利用方案等相關(guān)資料，實(shí)地核查地層及煤線特征、硐口位置、掘進(jìn)走向、采空區(qū)范圍等資料的準(zhǔn)確性。調(diào)查訪問區(qū)內(nèi)地質(zhì)環(huán)境條件、礦層走向及傾角、歷史地面變形特征，推測出潛在采空區(qū)域。

圖2 荊門園博園場區(qū)采空區(qū)分布圖Fig.2 Distribution map of goaf in Jingmen Garden Exposition site

(2) 采用以地震映像法為主、廣域電磁法為輔的物探方法，在潛在采空區(qū)域圈定出確定和疑似采空區(qū)范圍及深度?；谫x存煤層的砂巖層為高阻而采空區(qū)為低阻的特性，布置垂直于煤層走向的物探測線26條，完成地震映像法測量剖面11 938 m、廣域電磁法測點(diǎn)453點(diǎn)，解譯出采空區(qū)(異常點(diǎn))共計(jì)487處，圈定確定和疑似采空區(qū)共0.628 km2。

(3) 采用工程地質(zhì)鉆探方法，驗(yàn)證疑似采空區(qū)范圍和深度的準(zhǔn)確性，探查采空區(qū)“三帶”(垮落帶、斷裂帶、彎曲帶)分布和充填情況。在存疑較大的疑似采空區(qū)范圍和確定采空區(qū)邊界附近共施工10個(gè)驗(yàn)證性鉆孔，其中2個(gè)鉆孔揭露到采空區(qū)，6個(gè)鉆孔揭露到未開采煤層，2個(gè)鉆孔未揭露到煤層和采空區(qū)。

2.2 采空區(qū)分布特征

經(jīng)采空區(qū)勘查，以趙沖水庫為界，將區(qū)內(nèi)采空區(qū)劃分為北采空區(qū)和南采空區(qū)(圖2)。整體上看，采空區(qū)靠近地表煤線附近埋深較淺，向煤層傾斜方向埋深加大。

(1) 北采空區(qū)。北采空區(qū)面積0.143 2 km2，埋深約20～180 m，平均埋深約100 m(圖3-a)。區(qū)內(nèi)分布有②、⑤、⑥、⑦、⑧號礦區(qū)，煤層開采高度為1.1～2.7 m。2016年前該區(qū)曾發(fā)生過地面開裂變形和塌陷，但因資料缺失無法探知；2016年以來該區(qū)未見地面拉裂沉降、開裂變形、塌陷等跡象。推測該區(qū)覆巖塌陷充分，在無外加荷載時(shí)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 A-A′、B-B′工程地質(zhì)剖面圖Fig.3 Engineering geological profile of A-A′ and B-B′

(2) 南采空區(qū)。南采空區(qū)面積0.251 3 km2，埋深約15～190 m，平均埋深約110 m(圖3-b)。區(qū)內(nèi)分布有①、③、④號礦區(qū)，煤層開采高度為1.5～3.0 m。2012年①號礦區(qū)西北側(cè)附近(雙喜隧道頂部)發(fā)育7條長30～50 m的地表裂縫，這些裂縫現(xiàn)已被自然掩埋；2012—2019年①、④號礦區(qū)北側(cè)附近(雙喜隧道東側(cè))的市政道路兩側(cè)圍墻陸續(xù)出現(xiàn)大量裂縫，間距15～25 m，裂縫上寬下窄(頂部縫寬1～5 cm，底部縫寬0.05～0.5 cm)，傾向隨機(jī)，傾角40°～60°。推測該區(qū)覆巖趨于基本穩(wěn)定，塌陷基本充分，但仍具有一定的殘余變形量。

眾所周知，地名分類是地名學(xué)理論任務(wù)之一，也是當(dāng)今地名規(guī)劃、地名管理、地名檔案管理和地名工具書編輯中的重要內(nèi)容。現(xiàn)今地名分類有按地理實(shí)體性質(zhì)分類，有按地名形態(tài)分類，有按地名時(shí)間分類，有按地名音、行、義分類，而陳文按專名的性質(zhì)分類，是對地名分類的巨大貢獻(xiàn)，并為地名專名科學(xué)分類奠定了基礎(chǔ)。

3 采空區(qū)穩(wěn)定性分析

3.1 覆巖穩(wěn)定性分析

研究區(qū)可采煤層為桐竹園組中的Ⅶ2、Ⅶ4、Ⅶ5煤層和王龍灘組中的Ⅵ3、Ⅵ4、Ⅵ5煤層，可采煤層厚0.43～1.50 m，一般厚0.62～0.76 m，煤層傾角為45°～55°，屬中傾斜煤層。采空區(qū)覆巖巖性以粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖為主，巖石試驗(yàn)結(jié)果(表1)表明上述巖石屬較軟—極軟巖。根據(jù)《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》(GB 51044—2014)[16]附錄G要求，研究區(qū)垮落帶、斷裂帶高度計(jì)算公式如下：

表1 采空區(qū)覆巖物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of roof rock in goaf

(1)

(2)

式中：Hm為垮落帶高度，m；Hli為斷裂帶高度，m；∑M為礦層累計(jì)開采厚度，m。

經(jīng)計(jì)算(表2)，北、南采空區(qū)覆巖因遭受圍巖壓力而產(chǎn)生變形破壞的厚度(垮落帶高度+斷裂帶高度)分別為40.19～48.33 m、49.77～57.57 m。而實(shí)際上，研究區(qū)絕大部分煤層在開采至距地面15～25 m時(shí)才停采，采空區(qū)實(shí)際覆巖厚度小于上述計(jì)算值(40.19～57.57 m)，因此采空區(qū)覆巖遭受圍巖壓力時(shí)會(huì)產(chǎn)生變形破壞，其穩(wěn)定性不足。

表2 采空區(qū)覆巖破壞高度計(jì)算結(jié)果表Table 2 Calculation table of failure height of goaf rock

3.2 地表移動(dòng)期分析

依據(jù)《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》(GB 51044—2014)[16]附錄F要求，采空區(qū)地表移動(dòng)延續(xù)時(shí)間的長短與煤層的開采深度(采深)有關(guān)，當(dāng)?shù)孛嫦鲁?0 mm時(shí)視為地表移動(dòng)期開始，連續(xù)6個(gè)月累計(jì)下沉值≤30 mm時(shí)視為地表移動(dòng)期結(jié)束[17]。鑒于研究區(qū)采空區(qū)最大采深<400 m，地表移動(dòng)期計(jì)算公式為：

T=2.5H0

(3)

式中：T為地表移動(dòng)期，d；H0為采深，m。

北、南采空區(qū)的最大采深分別為177.98 m、187.14 m，帶入公式(3)計(jì)算得到地表移動(dòng)期分別為444.95 d、467.85 d，即1.22 a、1.28 a。研究區(qū)內(nèi)各礦區(qū)的關(guān)停時(shí)間為1995—2011年，截至2021年底已有10～26 a，超過計(jì)算得出的地表移動(dòng)期(1.22～1.28 a)，說明區(qū)內(nèi)煤礦開采引起的地表移動(dòng)期已結(jié)束。

3.3 地面變形區(qū)域分析

研究區(qū)內(nèi)有8家礦區(qū)，各礦區(qū)邊界多互相重合(圖2)。陰山煤礦(①號礦區(qū))和趙沖溝煤礦(②號礦區(qū))的開采時(shí)間為2003—2011年，采用坡度20°～40°的斜井沿煤層傾向開拓采煤，工作面采用走向長壁式與短壁式采煤法，爆破落煤；采空區(qū)以木支護(hù)為主，支柱間距一般為1.0～1.2 m；沿煤層走向由上而下依次回采，工作面底板以少量矸石回填，工作面頂板管理為陷落法。其余煤礦的開采時(shí)間為1991—2002年，資料基本缺失，根據(jù)訪問得知其開采及支護(hù)方法與陰山、趙沖溝煤礦類似。此外，研究區(qū)內(nèi)還存在較多小煤窯和探洞，其巷道和采面大多無支撐而自然垮落。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)[18]，當(dāng)采空區(qū)埋深較淺且采深采厚比<30時(shí)，地面常具有垮落、裂縫、臺(tái)階等非連續(xù)變形特征，對建(構(gòu))筑物的危害性較高；當(dāng)采空區(qū)埋深較大且采深采厚比≥30時(shí)，地面一般為連續(xù)變形，出現(xiàn)非連續(xù)變形的可能性不大，對建(構(gòu))筑物的危害性相對較小。據(jù)此判斷，研究區(qū)采空區(qū)在采用正規(guī)方法開采且采深采厚比<30區(qū)段和采用非正規(guī)方法開采且采深采厚比≥30的區(qū)段，地表均易于出現(xiàn)裂縫或陷坑等變形跡象，特別是在覆巖厚度較薄的地面煤線附近，出現(xiàn)非連續(xù)變形的可能性較大。

3.4 地表殘余變形速率分析

為分析研究區(qū)采空區(qū)的地表殘余變形速率，開展了基于InSAR的地面沉降遙感監(jiān)測工作。InSAR遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)源選用Sentinel-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)集(2017年1月6日—2020年3月15日)，采用時(shí)間序列InSAR分析方法[19-20]，共提取1 039個(gè)InSAR測量點(diǎn)，計(jì)算研究區(qū)地表變形速率，結(jié)果表明采空區(qū)地表仍存在緩慢變形，有2處區(qū)域具明顯的近似線性的沉降變形(圖4)。

圖4 采空區(qū)沉降區(qū)域分布圖Fig.4 Distribution map of subsidence area in goaf

北采空區(qū)的地表變形速率甚微，與前文分析得出的該區(qū)覆巖塌陷充分、在無外加荷載時(shí)處于穩(wěn)定狀態(tài)的結(jié)論相一致。而InSAR遙感監(jiān)測發(fā)現(xiàn)北采空區(qū)南西側(cè)的非采空區(qū)區(qū)域的變形速率達(dá)10.2 mm/a，經(jīng)實(shí)地核實(shí)，該區(qū)域?yàn)榍G門市建筑棄渣場(圖2)，長期堆放松散渣土，渣土在自密實(shí)過程中會(huì)形成較大的地面沉降變形，因此InSAR遙感監(jiān)測圈定的沉降區(qū)與棄渣場范圍基本一致。

南采空區(qū)的地表變形速率達(dá)9.5 mm/a，沉降區(qū)主要位于①、④號礦區(qū)北界附近的市政道路及兩側(cè)，與調(diào)查發(fā)現(xiàn)的該段道路路面及兩側(cè)圍墻大范圍出現(xiàn)裂縫的現(xiàn)象相吻合，表明南采空區(qū)仍有一定的殘余變形量，但變形速率不大，進(jìn)一步說明南采空區(qū)覆巖已趨于基本穩(wěn)定。

3.5 采空區(qū)穩(wěn)定性分區(qū)與評價(jià)

在大致查明采空區(qū)空間分布特征基礎(chǔ)上，綜合開展覆巖穩(wěn)定性、地表移動(dòng)期、地面變形區(qū)域、地表殘余變形速率等分析，分析結(jié)果表明：易出現(xiàn)不連續(xù)變形的淺埋采空區(qū)和淺埋巷道集中分布區(qū)基本沿煤線展布；采空區(qū)煤礦開采引起的地表移動(dòng)期已結(jié)束；絕大部分采空區(qū)已被塌陷或垮落帶的崩落物充填，已趨于基本穩(wěn)定或穩(wěn)定，僅有少量巷道、斜井因高度大、跨度較小而處于未充填或半充填狀態(tài)，其崩落、坍塌體密實(shí)性較差，仍有較大的殘余變形量；采空區(qū)殘余變形以地面裂縫和小規(guī)模地面沉降為主，地面裂縫多出現(xiàn)在局部淺表層采煤部位、淺埋巷道集中分布區(qū)、特厚煤層(雞窩煤)分布區(qū)、傾角>55°的厚煤層淺埋及露頭地段，局部地段可能存在小規(guī)模地面塌陷。

綜合考慮規(guī)范中規(guī)定的穩(wěn)定采空場地殘余傾斜值、殘余曲率、殘余水平變形值范圍、采空區(qū)覆巖臨界穩(wěn)定厚度及安全儲(chǔ)備(3～5層建筑物荷載影響深度+頂板臨界深度，安全系數(shù)按1.3考慮)等因素，按照建筑場地適宜性分區(qū)原則，將研究區(qū)劃分為穩(wěn)定性差區(qū)、穩(wěn)定性一般區(qū)、穩(wěn)定性好區(qū)3個(gè)分區(qū)(圖5)。各分區(qū)特征如下：

(1) 穩(wěn)定性差區(qū)。分布于采空區(qū)埋深<90 m和地表殘余變形量>30 mm的區(qū)域。該區(qū)因采空引起的地面變形尚未達(dá)到基本穩(wěn)定，近期不適宜作為多層、高層建(構(gòu))筑物用地，宜考慮作為棄渣場、綠地、景觀區(qū)、道路、廣場、臨時(shí)設(shè)施用地。

圖5 研究區(qū)穩(wěn)定性分區(qū)圖Fig.5 Stability zoning map of study area

(2) 穩(wěn)定性一般區(qū)。分布于采空區(qū)與殘余移動(dòng)盆地之間的地帶、可能存在淺埋巷道和淺埋盜采區(qū)的地段。該區(qū)有一定的殘余變形量，因此存在零星采空區(qū)和淺埋巷道的可能性較大，可用作道路、廣場、低層建(構(gòu))筑物、對基礎(chǔ)變形要求不高的多層建(構(gòu))筑物用地。

(3)穩(wěn)定性好區(qū)。分布于采空區(qū)埋深>120 m區(qū)域和非采空區(qū)。該區(qū)地表殘余變形小，采空區(qū)垮落帶密實(shí)程度較好，場地穩(wěn)定性較好，工程建設(shè)對采空區(qū)穩(wěn)定性影響較小，可作為各類建(構(gòu))筑物用地。

4 結(jié)論與建議

(1) 荊門園博園場區(qū)因煤礦開采活動(dòng)而遺留下大量采空區(qū)，綜合開展覆巖穩(wěn)定性、地表移動(dòng)期、地面變形區(qū)域、地表殘余變形速率等分析表明，采空區(qū)煤礦開采引起的地表移動(dòng)期已結(jié)束；絕大部分采空區(qū)已被塌陷或垮落帶的崩落物充填，已趨于基本穩(wěn)定或穩(wěn)定，僅有少量巷道、斜井處于未充填或半充填狀態(tài)，仍有較大的殘余變形量；采空區(qū)殘余變形以地面裂縫和小規(guī)模地面沉降為主。

(2) 按照建筑場地適宜性分區(qū)原則，將研究區(qū)劃分為穩(wěn)定性差區(qū)、穩(wěn)定性一般區(qū)、穩(wěn)定性好區(qū)3個(gè)分區(qū)。

(3) 建議在荊門園博園布局設(shè)計(jì)、施工建設(shè)和運(yùn)營各階段加強(qiáng)場區(qū)地質(zhì)安全管理：①在場區(qū)布局設(shè)計(jì)階段，應(yīng)在穩(wěn)定性差區(qū)和一般區(qū)謹(jǐn)慎布置多層建(構(gòu))筑物，若確有需要在該區(qū)布置多層建(構(gòu))筑物，則應(yīng)做好采空區(qū)地基處理，加大建(構(gòu))筑物基礎(chǔ)埋深，以協(xié)調(diào)建(構(gòu))筑物不均勻沉降和傾斜；②在場區(qū)施工建設(shè)階段，應(yīng)加強(qiáng)施工勘察工作，探查區(qū)內(nèi)零散分布的巷道、盜洞等，建議適當(dāng)加大鉆孔孔深，必要時(shí)進(jìn)行開挖驗(yàn)證等；應(yīng)動(dòng)態(tài)安排施工現(xiàn)場，加強(qiáng)地面變形監(jiān)測，若發(fā)現(xiàn)井口、淺埋采空區(qū)和淺埋巷道要及時(shí)回填壓實(shí)；大重型機(jī)械設(shè)備在夜間和暫停施工時(shí)不宜停靠在煤線附近區(qū)域，主要運(yùn)輸線路宜垂直煤線布設(shè)；③在場區(qū)運(yùn)營階段，應(yīng)開展場區(qū)地面沉降與變形監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)地面變形前兆或跡象時(shí)應(yīng)及時(shí)采取處置措施。