旺苍县张家湾煤矿地质灾害成因浅析

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摘要：长期以来，煤矿开采混乱无序，小煤窑遍地开花，形成的采空区导致地面沉降、建筑物变形。通过煤矿地质灾害调查和沉降估算，确定各级采空区对地表的破坏程度，对地质灾害的防范具有一定的指导作用。

关键词：采空区、地质灾害、成因及防范

1 背景

四川省旺苍县普济镇张家湾煤矿矿区村民房屋发生墙体开裂、地面沉降等地质灾害，给矿区村民的生产、生活及生命财产安全带来不利影响。为了减少灾害损失，确保地方百姓生命财产安全，查明矿区地质灾害的成因及危害程度，对地质灾害的防范具有重要的指导作用。

2 地质环境

2.1 地形地貌

调查区位于四川盆地东北部，为构造侵蚀低山沟谷地貌，山坡呈斜坡或宽缓的台阶，河谷较宽阔，谷底多呈不对称凹形。调查区位于南北向山坡的坡肩地带，总体地形南高北低，北、南、西三边高、中间为由西北向东南的地槽，中间较宽阔；西北部为岩石的小山脊，山脊外侧为陡坡，坡度30～60°，采煤巷道起点位于斜坡上；南侧为缓坡，坡度20～40°，地势逐渐升高，直至山顶。

2.2 地层岩性

调查区地层主要有第四系坡洪积（Q4dl+pl）含碎石粉质粘土和三叠系上统须家河组（T3x）泥岩、砂岩互层，各层的工程特性如下：

含碎石粉质粘土：灰色，湿～饱和，可塑～硬塑。主要由粉质粘土和砂岩、泥岩碎石组成，碎石含量10～30%，偶见块石；碎石粒径2～6cm，块石直径20～40cm。层厚2.0～8.0m。

泥岩：灰褐色，泥质结构，薄层～中厚层状构造，层厚2～30m，最厚达50m；主要由粘土矿物组成，含石英、云母、岩石碎屑等细粒碎屑物10～30%，局部夹砂质条带。岩层中见钙质、砂质结核，结核粒径0.3～2.0cm。

砂岩：灰色，细粒～中粒结构，厚层～巨厚层状构造，层厚0.5～30cm。胶结物主要为钙质，碎屑物主要为长石、岩屑、石英，含少量云母；胶结物占10～20%，碎屑物占80～90%。

2.3 地质构造

矿区位于龙门山大巴山台缘坳陷、四川台坳、西秦岭冒地槽褶皱带、巴颜喀拉冒地槽褶皱带四个二级构造单元内，岩层具有单斜构造特征，产状190°∠23°。调查区节理主要有三组，产状为：①125°∠75°、②190°∠78°、③285°∠82°，节理面较平直，节理宽度0.2～2.0cm，长度1.0～4.0m，节理间距0.3～2.0m，将岩层切割成条块状岩块，在岩质相对较硬的砂岩层中表现较为明显，在陡坎处易形成危岩。

2.4 水文地质条件

调查区汇水面积约0.75km2，大气降雨一部分流走，另一部分渗入第四系土层中形成孔隙潜水，赋存于含碎石粉质粘土中；雨季时孔隙潜水较丰富，枯水季节时土层中含水量低甚至无水。

泥岩为相对隔水层，砂岩裂隙中含较丰富的裂隙水。采煤形成的采空区和导水裂隙为地下水的储藏和排泄提供了有利条件，地下水沿裂隙、采空区渗透到下一层煤井或沿采煤巷道排出。

3 地质灾害类型及分布

3.1 地质灾害类型

调查区地质灾害主要表现为房屋变形、开裂、地面裂缝、沉陷、地下水位降低或漏失等不良地质现象，其中调查区南部地势较高的地带建筑物变形破坏较地势较低的地带严重。

1、地面沉降及裂缝：近二十年来，调查区南部个别住户地面上可见裂缝，裂缝宽度0.5～3.0cm，裂缝两侧高差约7.0～10.0cm（见照片1）。地表裂缝系土层向下坡方向沉降、滑移而形成的拉张裂缝。

2、建筑物变形：调查区内建筑物变形表现为墙体开裂、梁柱抽脱、墙面倾斜、墙体错断等，二十年来，随着采煤活动的加强，变形幅度逐渐增大。建筑物裂缝宽度一般0.3～1.0cm，最宽达5cm，长度1～5m，见照片2、3。

3、地下水位及地表水位降低和漏失：二十年前调查区中部的水田可以种植稻谷，附近井泉较多。近二十年来，地下水位降低，水田不复存在，井泉干涸或半干涸，给居民生活带来不便。

3.2 地质灾害分布特征

地表裂缝和房屋变形严重的区域主要集中在调查区南部（采空区平面示意图上两条波浪线之间的区域），地表裂缝的延伸方向与采空区的走向大致相同；调查区中北部建筑物的变形较轻微。地表水漏失严重区为采空区平面示意图上第一层采空区和第二层采空区之间的低洼沟槽地带，走向与采空区走向一致。

4 采空区分布及特征

4.1 采空区分布

调查区采煤巷道和采空区杂乱，可归并为3层，第一层采空区距地面60～80米，第二层采空区距地面100～110米，第三层采空区距地面130～140米。第一层采空区和第二层采空区年代久远，采空区范围较大（见采空区平面示意图和剖面示意图）。

4.2 采空区特征

Y1煤层为调查区的主采煤层，厚度约1.65米，产状190°∠23°。

调查区矿井属小煤窑，主要为手镐采煤、平硐掘进、平巷运输，顶板管理有垮塌法、煤矸石自留充填法及临时支护法。采空区沿煤层延伸，巷道高度1.2～2.0m，局部达3～5m，宽度1～3m。

5 采空区沉降计算

根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中的经验公式及数值，对采空区的沉降进行估算。

1、采空区影响范围及深厚比：对张家湾矿区自上而下的3层采空区的影响半径进行计算，计算公式为

深厚比=采空区至地面垂直高度（H）/采空区高度（m）。采空区高度平均约2.5m。

2、采空区覆盖岩层的破坏高度

（1）冒落带最大高度 （M为煤层开采厚度）

计算得： 8.4（m）。

冒落带高度小于上、下采空区的距离，下一层采空区不会导致上一采空区底板塌陷。

（2）导水裂隙最大高度

计算得： 35.7（m）

导水裂隙高度大于相邻采空区之间的距离，导致上一采空区变形、沉降。

3、采空区最大沉降量

6 地质灾害成因分析

6.1 采空区变形沉降原因

（1）岩性因素：调查区岩层为软硬相间的砂岩、泥岩互层，倾角较大，采空区以上岩层易产生离层现象，同时产生顺层滑移，不利于采空区的稳定。

（2）开采不当：采空区顶板管理主要为自然垮落法、临时支撑法、煤矸石自留充填法，易冒落、溜帮，致使采空区有足够的变形空间。第三层采空区放炮产生的振动促进第一层采空区和第二层采空区变形、沉降，导致采空区上建筑物变形加剧。

（3）雨水：雨季时，坡面面流汇集于中间地势较低的地带，部分地表水渗入岩土内，降低了岩土强度，使岩体节理进一步发展，采空区变形加剧。

6.2 建筑物的变形原因及破坏程度

根据《建筑物下采煤规程》：当深厚比小于80时，一般建筑物将受到严重破坏，若建筑物长度小于10m，且位于采空区形成的移动盆地中央，可能只受轻度破坏；若建筑物位于采空区边界上方最大变形区，则受到严重破坏。所以，移动盆地中央的建筑物受到的破坏程度较低，南部移动盆地边缘建筑物受到的破坏较严重。

采空区的分布与煤层倾向相同，位于倾角23°的不同水平面上，移动盆地叠加。根据井上、井下对比，叠加区域即为本调查区中部地势较低的地带（即移动盆地中央）。第一层和第二层采空区对建筑物造成了较大的破坏，第三层采空区使前两层采空区再次冒落、滑移，变形加剧，致使调查区中部地势较低的地带（移动盆地中央）沉降量加大，大于移动盆地周边的沉降量，南部山坡上的土体在下沉的同时向盆地中间滑移，产生拉张裂缝；盆地中间沉降较均匀，建筑物受到的破坏程度较低，南部山坡上的土体变形幅度较大，建筑物受到的破坏更严重。

7 结论

1、本文估算了采空区的影响范围和地表最大沉降量，分析了调查区地质灾害的成因，计算和分析结果与现状吻合：①采空区岩层变形沉降是造成建筑物破坏的主要因素，地表水下渗降低了岩层之间的粘聚力，加大了采空区的沉降量，是造成建筑物破坏的次要因素；变形破坏范围平面上呈条带状，与采空区走向一致，说明煤矿开采是导致地表建筑物变形破坏最直接的原因。②地表移动盆地内沉降较均匀，建筑物受到的破坏较轻微，地表移动盆地边缘沉降差异较大的区域建筑物受到破坏较严重；倾斜煤层分平巷多次开采，移动盆地多次下沉，导致移动盆地边缘（斜坡上）的土体向移动盆地中间滑移，地表出现拉张裂缝，建筑物被拉裂或裂缝加大，受到的破坏更严重。

2、随着第三层采空区范围逐渐扩大，岩体稳定性进一步遭到破坏，岩层变形加剧，地表沉降变形逐步加大，建筑物受到的破坏将更加严重。根据目前对采空区的处理方法，若对第一层和第二层采空区进行处治，费用昂贵。为了保证地方百姓安居乐业，建议首先对调查区南部的居民进行搬迁。

3、调查区为小煤窑，收集的资料有限，计算数据主要靠经验公式，在理想化、简单化模式下进行的，对倾斜煤层分平台开采的地表沉降还有待进一步研究。