斷裂（帶）對采空塌陷及地裂縫地質災害的影響——以山東新泰市河山子村為例

常允新，王振濤，馮在敏

（山東省地質環境監測總站，山東濟南 2 50014）

0 引言

在礦山開采過程中，斷層可引起底板突水、斷層突水甚至微地震［1-2］，已得到充分重視并有較多研究。但有關斷層引發和加劇地裂縫地質災害方面的研究尚不多見。本文以新泰市河山子村地裂縫為例，指出斷層可使采空塌陷、地裂縫地質災害的影響范圍較傳統預測結果大為增加，期望通過本文的探討，能夠進一步豐富采空地面塌陷、地裂縫地質災害防治的理論研究。

1 地質背景

河山子村地勢東北高，西南低，邁萊河位于村莊西北沿地勢由東北向西南徑流。蓮花山斷層由村莊東部呈北西—南東向穿過，該斷層屬區域控制性斷裂，控制了新泰盆地的北部邊界，走向NW-SE，傾向SW，傾角60°～70°，為一正斷層，斷距大于 2000m。斷層東側（下盤）為泰山群變質巖，西側（上盤）分布古近紀石灰質角礫巖，下覆石炭系山西組煤系地層。村莊中部及以西被第四系覆蓋，由西向東逐步變厚，一般2～10m。某煤礦位于村莊西部，礦區東邊界于村莊西部貫穿南北，距離東側的蓮花山斷層340m（圖1）。

2 工程活動

2.1 礦山開發活動

煤礦主要開采二煤和四煤。二煤已形成采空區面積 0.193km2，其中 2000年以前的采空區0.049km2；四煤采空區面積0.185km2，其中2000年以前的采空區0.088km2，除此以外村莊附近沒有其他采空區。

圖1 礦山地質環境及地質剖面示意圖Fig.1 Mine geological environment and geological section map

2.2 地下水開采

該地段第四系松散巖類孔隙水富水性500m3/d，水位埋深4m左右，開采量很小。古近紀朱家溝組裂隙巖溶水富水性1000～2000m3/d，水位埋深6～7m，開采井動水位9～11m，是當地居民生產、生活用水來源。

礦山企業于1993年4月開始在邁萊河東側開采古近紀朱家溝組裂隙巖溶水，四個開采井總開采量為5000m3/d。2002年保留一眼供水水井，其余封閉，開采井井深約200m，供水量150m3/d。在邁萊河西側有鎮供水站水井一眼，井深107m，2005年開始開采古近紀朱家溝組裂隙巖溶水，供水量約900 m3/d。

3 房屋（地）裂縫地質災害特征

自2000年開始，河山子村開始產生地裂縫和房屋裂縫，逐年加重，延續至今，共有17戶居民房屋發生裂縫，裂縫點呈東南-西北方向沿蓮花山斷層帶展布，斷層帶中心較兩側更為嚴重，南部較北部更為嚴重，均表現出南盤下降且向南西拉張位移的特征，下降位移量約20～50mm，向南西拉張位移約20mm，最大裂縫寬度70mm。而蓮花山斷層以西至礦區之間房屋開裂和地面裂縫不嚴重，房屋斑裂現象不明顯。斷層北部房屋未見斑裂現象。

4 房屋（地）裂縫成因分析

結合河山子村地質環境條件和工程活動特點，引起地裂縫的原因有3種可能，一是區域性構造活動，即蓮花山斷層復活；二是地下水開采造成巖溶塌陷；三是采空塌陷伴生地裂縫，各種原因分析如下。

4.1 區域構造活動

除河山子村以外，該斷層分別從王家寨、上石灰峪等村莊居民區穿過，未見活動跡象，沒有地裂縫或房屋裂縫發生，可排除區域構造活動引發地裂縫的可能性。

4.2 地下水開采

從地裂縫持續發展的過程分析，2002年礦山企業水源井關閉前，斷裂帶內發現房屋裂縫寬度2mm，2002年水源井關閉，之后房屋裂縫持續發展，至現狀最寬已達70mm，2005年的新建房屋也逐漸發生裂縫，寬度30～40mm。在地下水開采量調整過程中，房屋裂縫一直處于發展、加劇過程。房屋裂縫地段基巖大部裸露，槽探資料排除巖溶塌陷的可能。

4.3 采空塌陷

4.3.1 房屋裂縫與煤礦開采的時間、空間關系

礦區北部的Ⅰ號采空區形成于1998～2000年，南部的Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ號采空區形成于2000～2007年。而斷層帶房屋裂縫發現于2000年，之后逐年加重，且南部的房屋裂縫較北部嚴重，兩者在空間、時間分布上具有明顯的對應性。

已開采的4層煤埋深550m，該地區巖性為煤系地層砂巖、泥巖和古近紀石灰質角礫巖，按經驗值，沉陷盆地影響角一般為65°［3］，采空塌陷（沉陷盆地）影響范圍（半徑）為257m（圖1）。現斷裂帶及裂縫房屋點處于沉陷盆地傳統理論預測影響范圍之外243m。

4.3.2 影響程度分析

地下煤層被采出形成采空區以后，上覆巖層中的應力平衡狀態被破壞，隨著采空區的擴大，巖層應力不斷改變，上覆巖層在重力作用下產生裂隙、變形、下沉和塌陷，變形特征取決于地質構造條件、煤層埋深、厚度、產狀、上覆地層巖性及組合等。在整體沉降時，盆地外圍及邊緣受拉伸，在巖性相對均質的條件下，越接近盆地邊緣，所受拉伸越小［4］。巖層節理裂隙發育，會促進變形加快，增大變形范圍，擴大地表裂縫區，斷層會破壞地表移動的正常規律，改變移動盆地的大小和位置［5］，有研究表明，斷層帶的抗剪切強度只有周圍完整巖層的30％［6］。根據以上分析，由于蓮花山斷層為張性斷層，加之支斷層、裂隙的存在，破壞了上覆地層的完整性和抗拉強度，在拉應力作用下，更容易使其結構遭到破壞，因此，斷層帶上的地表變形更加劇烈，采空塌陷范圍及地裂縫的實際范圍遠大于傳統理論計算預測范圍。就本區而言，實際變形、裂縫的影響范圍比傳統理論計算范圍擴大了243m，相當于采空地面變形影響角減小為48°。

5 結語

礦山采空塌陷和地裂縫，是主要的礦山地質災害，對其預測的結果直接關系到礦山自身的生產安全、周邊居民的生產、生活安全穩定和可持續發展。礦區周邊斷層（帶）的存在，將會嚴重影響采空塌陷的范圍和特征，可能顛覆概率積分法等傳統預測理論的可靠性。這種規律應該在同類地區地質災害防治工作中引起重視。

［1］卜萬奎，徐慧.某礦區帶壓開采逆斷層活化級突水性分析［J］.煤炭學報，2011，36（7）：1177-1183.BU Wankui，XU Hui.In some mining area mining with pressure reverse fault activation level of Water Bursting Analysis［J］.Journal of China Coal Society，2011，36（7）：1177-1183.

［2］郭曉強，竇林明，陸菜平，等.采動誘發斷層活化的微震活動規律研究［J］.煤炭安全，2011，42（1）：26-29.GUO Xiaoqiang，DOU Linming，LU Caiping，et al.Mining induced microseismic activity of fault activation［J］.Safety in Coal Mines，2011，42（1）：26-29.

［3］國家煤炭工業局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程［M］.北京：煤炭工業出版社，2000：259-280.State Bureau of coal industry.Buildings，water bodies，the railroad and the main roadway of coal pillars and mining rules［M］.Beijing：Coal Industry Press，2000：259-280.

［4］方寶明，常允新.西港煤礦采區地面變形分析［J］.水文地質工程地質，2006，33（4）：13-15.FANG Baoming，CHANG Yunxin.Xigang coal mining ground surface deformation analysis［J］.Hydrogeology and Engineering Geology，2006，33（4）：13-15.

［5］張蘇民，楊耀坤.工程地質手冊［M］.北京：中國建筑工業出版社，1982：781.ZHANG Sumin，YANG Yaokun.Manual of engineering geology［M］.Beijing：China Building Industry Press，1982：781.

［6］卜萬奎，茅獻彪.斷層傾角對斷層活化及底板突水影響的研究［J］.巖石力學與工程學報，2009，28（2）：386-394.BU Wankui，MAO Xianbiao.Fault dip on Fauinfluence research［J］.Chinese Journal of rock mechanics and Engineering，2009，28（2）：386-394.