榆神矿区大砭窑煤矿地面塌陷与地裂缝发育规律

★煤炭科技·地质与勘探★榆神矿区大砭窑煤矿地面塌陷与地裂缝发育规律＊彭　捷　李永红　刘海南　向茂西　姚超伟　杜江丽　仵拨云（陕西省地质环境监测总站，陕西省西安市，７１００５４） ＊基金项目：国家重点基础研究发展（９７３）计划（２０１３ＣＢ２２７９０１） 摘　要　调查了榆神矿区大砭窑煤矿地面塌陷及地裂缝现状，以煤矿开采的历史、区域地质概况及煤层开采情况为背景论述并总结了采空区分布范围、地面塌陷和地裂缝分布特征。

研究了大砭窑煤矿以房柱式开采和机械综采两种不同开采方式引发地面塌陷和地裂缝的展布规律，并将矿区划分为高、中两个易发区。

根据地质灾害易发程度和区内地质灾害点险情等级，将矿区划分为地质灾害高危险区和低危险区。

关键词　地面塌陷　地裂缝　高强度采煤　榆神矿区　大砭窑煤矿中图分类号　Ｐ６４２．２　ＴＤ３２５ 文献标识码　ＡＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｌａｗ　ｏｆ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｃｏｌｌａｐｓｅ　ａｎｄ　ｇｒｏｕｎｄ　ｆｒａｃｔｕｒｅｓｉｎ　Ｄａｂｉａｎｙａｏ　Ｃｏａｌ　Ｍｉｎｅ　ｉｎ　Ｙｕｌｉｎ－Ｓｈｅｎｍｕ　ｍｉｎｉｎｇ　ａｒｅａＰｅｎｇ　Ｊｉｅ，Ｌｉ　Ｙｏｎｇｈｏｎｇ，Ｌｉｕ　Ｈａｉｎａｎ，Ｘｉａｎｇ　Ｍａｏｘｉ，Ｙａｏ　Ｃｈａｏｗｅｉ，Ｄｕ　Ｊｉａｎｇｌｉ，Ｗｕ　Ｂｏｙｕｎ（Ｓｈａａｎｘｉ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｇｅｏ－Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ，Ｘｉ＇ａｎ，Ｓｈａａｎｘｉ　７１００５４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｈｅ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｃｏｌｌａｐｓｅ　ａｎｄ　ｇｒｏｕｎｄ　ｆｒａｃｔｕｒｅｓ　ｉｎ　Ｄａｂｉａｎｙａｏ　Ｃｏａｌ　Ｍｉｎｅ　ｉｎ　Ｙｕｌｉｎ－Ｓｈｅｎ－ｍｕ　ｍｉｎｉｎｇ　ａｒｅａ　ｗｅｒｅ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔａｋｉｎｇ　ｔｈｅ　ｍｉｎｉｎｇ　ｈｉｓｔｏｒｙ，ｒｅｇｉｏｎａｌ　ｇｅｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　ｃｏａｌ　ｍｉｎｉｎｇｓｉｔｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｄａｂｉａｎｙａｏ　Ｃｏａｌ　Ｍｉｎｅ　ａｓ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ，ｔｈｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｒａｎｇｅ　ｏｆ　ｇｏｂｓ　ａｎｄｔｈｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｆｅａｔｕｒｅｓ　ｏｆ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｃｏｌｌａｐｓｅ　ａｎｄ　ｇｒｏｕｎｄ　ｆｒａｃｔｕｒｅｓ　ｗｅｒｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ　ａｎｄ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ｔｈｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｌａｗｓ　ｏｆ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｃｏｌｌａｐｓｅ　ａｎｄ　ｇｒｏｕｎｄ　ｆｒａｃｔｕｒｅｓ　ｉｎ　Ｄａｂｉａｎｙａｏ　Ｃｏａｌ　Ｍｉｎｅ　ｗｅｒｅ　ｓｔｕｄ－ｉｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｃｏｌｌａｐｓｅ　ａｎｄ　ｇｒｏｕｎｄ　ｆｒａｃｔｕｒｅｓ　ｗｅｒｅ　ｃａｕｓｅｄ　ｂｙ　ｔｗｏ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｍｉｎｉｎｇ　ｗａｙｓ，ｒｏｏｍ　ａｎｄ　ｐｉｌｌａｒ　ｍｉｎｉｎｇ　ａｎｄ　ｆｕｌｌｙ　ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄ　ｍｉｎｉｎｇ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍｉｎｉｎｇ　ａｒｅａ　ｗａｓ　ｄｉｖｉｄｅｄ　ｉｎｔｏ　ｔｈｅｈｉｇｈ　ｅａｓｙ－ｈａｐｐｅｎｉｎｇ　ａｒｅａ　ａｎｄ　ｍｅｄｉｕｍ　ｅａｓｙ－ｈａｐｐｅｎｉｎｇ　ａｒｅａ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｅａｓｙ－ｈａｐｐｅｎｉｎｇ　ｄｅ－ｇｒｅｅ　ａｎｄ　ｄａｎｇｅｒｓ　ｇｒａｄｅ　ｏｆ　ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｄｉｓａｓｔｅｒｓ，ｔｈｅ　ｍｉｎｉｎｇ　ａｒｅａ　ｗａｓ　ｄｉｖｉｄｅｄ　ｉｎｔｏ　ｈｉｇｈ　ｄａｎｇｅｒ　ｚｏｎｅａｎｄ　ｌｏｗ　ｄａｎｇｅｒ　ｚｏｎｅ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｃｏｌｌａｐｓｅ，ｇｒｏｕｎｄ　ｆｒａｃｔｕｒｅ，ｈｉｇｈ－ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ　ｃｏａｌ　ｍｉｎｉｎｇ，Ｙｕｌｉｎ－Ｓｈｅｎｍｕｍｉｎｉｎｇ　ａｒｅａ，Ｄａｂｉａｎｙａｏ　Ｃｏａｌ　Ｍｉｎｅ 煤炭资源集中连片开采会导致地面塌陷、地裂缝、泉水干涸及河流断流，且开采强度与地质灾害发育程度具有明显的关系。

榆神矿区地处毛乌素沙漠与陕北黄土高原的交接地带，干旱少雨、风沙大、植被覆盖率低、水土流失严重，地质环境脆弱。

随着煤炭资源的大规模持续开采，矿区范围内形成了大面积的地下采空区，诱发产生了地面塌陷及地裂缝等地质灾害，造成了地表建筑物破坏，土地资源、林地资源、地质地貌景观破坏以及地下水、地表水资源污染破坏等严重问题。

因此，选取典型矿区大砭窑煤矿，研究其地面塌陷及地裂缝的发育特征，为矿区居民安全搬迁避让及矿山地质环境恢复治理提供参考。

１　煤炭资源开发现状神木县位于陕西省北部，地处神府—东胜煤田腹地，面积７６３５ｋｍ２，矿产资源主要以煤炭资源为主，全县含煤面积达４５００ｋｍ２，占全县总面积５９％。

根据相关资料和实地调查，神木县目前共有煤矿企业１１７个，主要分布在大柳塔镇、孙家岔镇、店塔镇等。

长期的煤炭资源开发和特殊的气候条件、地理条件、地表物质组成条件使本就脆弱的生态环境、地质环境变得更加恶劣。

截至２０１４年１０月，全县采空区面积达４１４．５ｋｍ２，采空区导致的地质灾害类型有塌陷、崩塌、滑坡、泥石流等，其中最主要的地质灾害为地面塌陷及地裂缝。

大砭窑煤矿位于神木县以东西沟乡一带，矿区面积为２５．４０８８ｋｍ２，截至２０１３年６月，已开采５－２煤层形成的采空区面积达４．５４ｋｍ２。

２　地面塌陷及地裂缝发育规律２．１　地质概况大砭窑煤矿位于榆神矿区东部，地貌单元以黄土梁峁区为主，有少量沙土沉积，地表基本被第四系黄土所覆盖。

除较大沟谷两侧有基岩出露外，煤矿范围内地表均被第四系、新近系沉积物覆盖。

地层由上到下依次为全新统风积沙（Ｑ４ｅｏｌ）及冲积层（Ｑ４ａｌ）、第四系中更新统离石黄土（Ｑ２ｅｏｌ）、新近系上新统保德组（Ｎ２ｂ）、侏罗系中统延安组（Ｊ２ｙ）、三叠系上统永坪组（Ｔ３ｙ）。

大砭窑矿区含煤地层为侏罗系中统延安组，共含３层煤层，自上而下编号依次为４－３、４－３下、５－２煤层，其中５－２煤层为全区可采煤层，其余为不可采煤层。

可采煤层平均厚度为２．４６ｍ左右，呈现北厚南薄的趋势。

２．２　地面塌陷或地裂缝的发育特征２．２．１　采空区分布范围５－２煤层埋深为５６～１６６ｍ，矿井原以房柱式开采，对于顶板稳定性较差的煤层，开采３．５ｍ，预留６ｍ；对于顶板稳定性较好的煤层，开采５ｍ，预留５ｍ，房柱式开采形成的采空区面积较小。

近年来，矿井以机械化综采为主，形成了大面积的采空区。

根据收集资料与野外调查，大砭窑煤矿开采所形成的采空区主要位于井田的东北部，面积约为４．５４ｋｍ２。

２．２．２　地面塌陷或地裂缝的发育特征矿区地面塌陷的表现形式以地面裂缝为主，无明显的塌陷坑。

大砭窑煤矿地面塌陷范围较大，分３个区进行调查，各区的地裂缝发育特征分述如下：（１）杨桃峁变形区。

该区煤矿开采时间较早，开采方式为房柱式开采，最早变形塌陷的时间为２００１年。

该区域内变电站旁发现有一条裂缝，一直延伸到庙圪垯的山顶龙王庙旁，整体呈弧形，走向为３０°～１００°，长度约２ｋｍ。

（２）火烧界变形区。

该区煤矿开采时间为２００１－２００２年，开采方式为机械化综采，最早变形塌陷时间为２００３年。

该区域内大部分裂缝都已被掩埋，调查只见部分裂缝，走向为９０°。

（３）四道沟—六道沟变形区。

四道沟村附近地区煤矿开采时间为２００４～２００８年，开采方式为机械化综采，最近发生塌陷的时间为２０１３年。

塌陷区域内发育多条裂缝，其中最大的裂缝走向９０°～２７０°，长５００～１０００ｍ，宽０．２ｍ，深０．３～２ｍ不等。

六道沟村附近地区煤矿开采时间为２００９年，开采方式为机械化综采，最近发生塌陷的时间为２０１３年。

塌陷区域内可见多条裂缝，其中变形最大的裂缝走向２０°～５０°，长３００ｍ，宽０．２ｍ，深２ｍ。

在沟壑边可见由塌陷引发的次生滑坡、崩塌灾害。

２．２．３　不同开采方式下地面塌陷和地裂缝的展布规律（１）房柱式开采引发地面塌陷或地裂缝的展布规律。

大砭窑煤矿开采历史较长，２０世纪５０年代已经开始开采，开采方式为房柱式，主要集中在矿区的北部。

煤矿开采形成了一定面积的采空区，但留有保护煤柱，早期未形成明显的地面塌陷，近年来下覆煤柱逐渐垮塌，其支撑能力下降，地面变形有加剧态势，表现为地面裂缝、塌陷坑等。

本矿区杨桃峁村附近区域为早期房柱式开采形成的采空区，根据本次调查，该区域内变电站旁于２００１年发现一条裂缝，长度约２ｋｍ，最宽处约２ｍ，深度约５ｍ，部分区域可见到２ｍ×２ｍ的小型塌陷坑。

可发现房柱式开采形成的地面塌陷具有滞后效应，为采空后长时间间隔的突发性塌陷，形成的裂缝一般较长，宽度与深度均较大。

（２）综采区地面塌陷或地裂缝的展布规律。

综采工作面采空区面积大，塌陷面积也大。

结合矿区１∶１００００地形底图、井上井下对照图、矿山地质环境恢复治理方案及综合勘查成果等资料，以北部两个工作面的采空区为重点研究对象，全面追踪地面裂缝的走向、宽度、深度及下错高度等。

本次调查在两个工作面共布设探槽２０个，通过槽探工程揭露地表３ｍ内裂缝的倾向等特征。

根据探槽揭露的情况可知，裂缝均垂直于地表，未见明显的倾斜面；探槽挖好后，用钢尺探测裂缝深度，受土埋及尺长影响，裂缝底部多数未揭露；裂缝多呈上窄下宽状。

根据裂缝的走向及布设探槽的位置，本次共跟踪裂缝３０条，控制点主要布设在拐点及裂缝相交的节点位置处，共布设控制点１７６个，如图１所示。

从图１可以看出，顺着工作面推进方向，裂缝多呈弧形展布，位于工作面间的裂缝走向多与工作面推进方向一致。

２．３　裂隙发育高度预测根据“三带”理论，导水裂隙带发育高度为采高的１８～２８倍，重点地段５－２煤层采厚为３．１６ｍ，导水裂隙带发育高度为５６．８８～８８．４８ｍ，在沟谷地区裂隙带已沟通至第四系地表。

采空区地表最高点高程为１２５３．５０ｍ，５－２煤层底板标高为１１１１．３３ｍ，在地层较薄地区，呈现明显非连续移动变形，即开采后地表形成塌陷坑、大的裂缝切割和台阶状沉陷（随工作面开采的动态裂缝和开采边界以外形成一组永久裂缝）和开采引起滑坡坍塌等地质灾害。

图１　重点地段综采工作面上地面裂缝分布示意图３　地质灾害易发程度评价地质灾害易发程度分区的目的是正确认识地质灾害发育分布现状，科学地预测地质灾害未来发展趋势。

３．１　评价方法根据多种方法的比选，调查区地质灾害易发区的划分采用综合指数评价方法。

将地质灾害影响因子按其不同分类对地质灾害的影响程度进行量化赋值１、２、３、４，叠加求和，确定地质灾害易发程度。

计算公式如下：ＳＩ＝∑ｎｊ＝１∑ｍｉ＝１Ｆｉｊ（１）式中：ＳＩ———综合指数；Ｆｉｊ———影响因素及分类，ｉ———影响因子的数量，本次评价共有７个影响因子，ｉ＝（１，２，３，……，７）；ｊ———影响因子的分类数量，本次评价共分４类，ｊ＝（１，２，３，４）。