霍州礦區地裂縫形成機理及防治措施研究

顧江海，周長松，張相財，劉冬梅

(1.廣東省深圳市坪山新區城市建設局，廣東 深圳518118;2.太原理工大學水利科學與工程學院，山西 太原030024;3.北京巖土工程勘察院，北京100083)

霍州市位于山西省中部，臨汾–運城裂陷盆地北部。煤炭為霍州的主要礦產資源，主要分布于市境中部中低山區。隨著近三十年煤炭開采力度的不斷加大，采煤在帶來巨大經濟效益的同時，也帶來了一系列的環境地質問題。從1988年開始，在師莊鎮、白龍鎮、辛置鎮、大張鎮等鎮的耕地或山坡上陸續發現寬0.1～1.5m、長200m～2 000m的地裂縫。地裂縫的空間分布基本與煤炭資源的分布相一致。地裂縫災害已經對人民的生產生活造成嚴重影響，成為當地社會經濟可持續發展的瓶頸之一。本文以研究區地裂縫的現狀調查為基礎，分析近年來煤炭開采與地裂縫地質災害之間的關系，探討采空區的類型及采空地裂縫的分布特征與形成機制，并提出切實可行的防治對策，為國民經濟的協調發展提供科學依據。

1 區域地質環境背景

1.1 區域地質特征

霍州礦區地處霍山與呂梁山之間，地跨霍州、汾西及洪洞三市縣，在地貌上以低山和黃土丘陵為主，地形起伏大，總體地勢由東北向西南、由山區向河谷逐漸降低;研究區最高點地面標高為1 225m，最低點地面標高為400m，相對高差825m;區內大部分區域被中、上更新統黃土地層覆蓋，在河谷或沖溝底部有小面積石炭系、二疊系地層出露。整個研究區含水層按地層時代來分可分為石炭系含水層、二迭系含水層、第四系含水層。其中石炭系含水層地下水位埋深大約為215.10m，含水層由石灰巖組成，總厚度約15m，單位涌水量為0.001 L/s·m，滲透系數為0.003m/d，水華學類型為HCO3－Na型，富水性較弱;二迭系含水層地下水位埋深大約在116.25m，含水層由砂巖組成，總厚度大約14.0m，單位涌水量0.019 L/s·m，滲透系數為0.029m/d，水化學類型為HCO3－Na型，富水性較弱;第四系含水層主要分布在近代河谷附近，厚度在5～30m之間，含水層由沖洪積礫石組成，富水性較好。

從板塊構造理論的角度來看[1]，霍州礦區處于洪洞區塊的北部，霍西區塊、泰岳山區塊的南部，是第四紀典型的伸展構造發育區(見圖1)。區域內斷裂、褶皺構造發育，工程地質條件復雜，如羅云斷層、霍山斷層、赤峪斷層等大小斷層相互交錯，NNE向的霍山背斜和EW向的趙城向斜橫貫礦區。

1.2 煤田地質特征及煤炭開采現狀

霍州礦區含煤地層面積約843 km2，煤炭資源地質儲量為77×108t[1]。礦區含煤地層以石炭系上統太原組和二疊系下統山西組為主，煤系地層主要巖性為砂質頁巖、頁巖夾薄層灰巖、泥巖、砂巖和煤層。本區的可采及局部可采煤層共 11 層，其中山西組的 3#及太原組的 4#、5#、6#、7#、8#為局部可采煤層，山西組 1#、2#及太原組 9#、10#、11#為全區可采煤層(主煤層)，11層煤層總厚超過10m。

圖1 礦區構造位置圖

自新中國成立以來，鄉鎮煤礦業得到迅速發展，到“八五”期間，霍州的煤炭生產企業數量由建國初期的5個增至89個，煤炭總產量達到3.14×107t/a，隨著2009年全縣煤礦企業兼并重組工作順利推進，全縣保留6座大型煤礦，產能已達到2×107t。在煤炭開采的過程中，開拓方式一般為豎井式，個別為斜井式;采煤方法以短壁式、倉房式、高落式為主，采深110～390m，煤層厚在1.88～6.11m，深厚比18.0～63.8。目前山西組1#、2#已基本采完，正在開采太原組9#、10#和 11#煤層。

2 采空區分類及采空區地裂縫發育特征

2.1 采空區分類

以煤炭開采區區域地質環境背景為基礎，結合采空區的埋深、深厚比、地表荷載大小及地下含水層分布特征，將研究區采空區分為四種基本類型[2－5]:潛伏突出型、潛伏一般型、深埋型和老空區型。

1.潛伏突出型。這種類型一般發育在采深在210m以下，累積采厚達3.7～6.11m的地層，地面變形的特點是地表的移動和變形在時空上是不連續的，不具有明顯的規律性;由于采空區埋深淺，深厚比相對較大，容易在地表形成比較大的裂縫或者塌陷坑。

2.潛伏一般型。這種類型一般發育在采深在110～210m，累積采厚在3.7m以下的礦區，地表出露的巖層主要有二迭系的上石盒子組、下石盒子組，地面變形的特點是地表的移動和變形在時空上是連續和漸變的，具有明顯的規律性;由于巖土差異沉降不明顯，在地表一般不產生地裂縫。

3.深埋型。這種類型主要發育在大張鎮以東煤礦采深在210m以上的地區。地表出露的巖層主要有二迭系的石千峰組、上石盒子組，采煤過程中埋深在215m左右的石炭系上統太原組地層中賦存的地下水被部分輸出或全部疏干，當多層累計采厚超過7m以上時在地表產生緩慢蠕變。短時間內變形不明顯，持續較長時間后會在地表產生明顯的變形，并有可能形成具有較大危害的地裂縫。

4.老空區型。這種類型分布在老采空區，老空區在采礦過后應力重新分布并達到新的應力平衡，隨著下部采煤活動的加劇，應力平衡被重新打破，老空區出現不均勻地面塌陷和地裂縫。

2.2 采空地裂縫發育特征

在1984年之前，研究區煤炭開采量小，地裂縫等地質災害并不明顯。之后，隨著煤礦開采范圍逐步擴大，在礦區形成了大面積采空區。據調查，到2006年底采空沉降面積已達98 km2，占礦區面積的11.6%，局部出現了地面塌陷、地裂縫。在地表具一定規模和危害的地裂縫共60處，372條，分布于師莊、退沙、大張鎮、白龍鎮辛置鎮、陶唐峪鄉等煤炭開采區[7]。由于采空塌陷和采空地裂縫的形成，導致近2560 hm2耕地受到不同程度的破壞，造成近4015間房屋出現裂縫、變形，部分房屋已成為危房;同時地下含水層遭到破壞，山西組以上含水層已基本疏干，地表水向下漏失，目前40多個村莊普遍存在人畜吃水困難的現象。采空地裂縫災害已造成直接經濟損失4115萬元，對當地社會經濟的發展造成了嚴重影響，采空區地裂縫平面分見圖2。

圖2 霍州市地裂縫分布圖

2.2.1 空間分布特征

霍州礦區地裂縫主要分布在區內煤礦采空區內。從地裂縫在整個采空區的分布位置看，白龍鎮地裂縫位于潛伏突出型采空區，師莊鎮地裂縫位于深埋型采空區，辛置鎮地裂縫位于老空區型采空區;從地裂縫形態特征上看，采礦塌陷地裂縫呈折線、鋸齒狀，長度在200～2 000m，最長的4 000m位于師莊鄉楊家山[7];寬度在0.1～1.5m，影響寬度在10m以內;最寬的3m位于陶塘峪南王村;從地裂縫展布與采空區空間位置看，采空地裂縫走向一般與采掘方向相同，沿采空區周界開裂，目前發現的地裂縫在展布方向上主要有EW、N－S兩種;從地裂縫剖面特征看，剖面上寬下窄呈楔形，最大可測深度為15m;從地裂縫的出現形式看，采空地裂縫以群縫式排列組合出現較為普遍，一般每處地裂縫由4～6條單縫構成，最多的陶塘峪南程村裂縫群出現達18條。

2.2.2 時間變化特征

從時間上看，研究區采空地裂縫的發生發展與采煤活動有明顯的相關性。20世紀80年代在師莊鎮首次發現地裂縫;隨著煤炭開采活動的增強，90年代以后在白龍鎮、辛置鎮、大張鎮等地也陸續出現地裂縫。根據野外調查，已出現的60處372條地裂縫中有19處正處于發展階段，25處仍然在活動，26處已基本趨于穩定[3]。其中白龍鎮、辛置鎮的地裂縫較以往均有較大發展，這說明采空塌陷型地裂縫一旦形成，必然受到后期環境的改造，隨著時間的推移、環境的改變，地裂縫的穩定性及規模也會隨之發生變化。

3 地裂縫形成機理及影響因素分析

3.1 礦區地裂縫形成機理

礦區地裂縫的特征表明，礦區地裂縫均屬采空塌陷的派生裂縫，地下煤炭開采是地裂縫形成的主要原因，地震、地質構造及地下水疏干對地裂縫形成亦產生一定的影響。

對于采空塌陷地裂縫，其力學形成機理是地下礦層大面積被采空后，原有的應力平衡遭到破壞，此時采空區主要由礦柱支撐上覆巖體的重量(圖3)[8]。如果礦柱設計合理，則礦柱系統穩定，從而整個井巷穩定;若礦柱設計尺寸偏小，當某一礦柱受到某些必然或偶然因素影響時，該礦柱由于應力超過其允許強度而首先遭到破壞，被破壞礦柱所承載的荷載將轉移到相鄰礦柱上，從而使它們亦遭破壞，其結果必將導致整個礦柱系統失穩，頂板巖層向采空區垮落沉降。由于塌陷區內巖土體工程地質條件存在差異，使地面發生不均勻下沉變形和水平移動，這些變形的發展通常使塌陷坑產生不同的拉壓應力分布(圖4)形式，即在塌陷邊緣處出現拉應力，中間部位出現壓應力，地表的最大拉應力分布區出現張性裂縫，如圖3中的 a、d兩點易出現裂縫[2]。

圖3 采空區礦柱系統示意圖

3.2 礦區形成地裂縫的影響因素

根據對礦區地裂縫的現場勘察[7]，分析得出影響霍州礦區地面變形與塌陷的主導因素有以下五種:開采規模及開采方式、煤層埋深與層厚、頂板管理方式、含水層疏干、地表水作用。其中開采規模及開采方式、礦層埋深與層厚是控制因素。

3.2.1 開采規模及開采方式的影響

不同開采規模與開采方式下，采空地裂縫的規模是不同的[9－10]。原縣營煤礦(中型煤礦)，使用短壁式采煤，開采技術先進，開采規模較大，回采率大于50%，因此在采空區上方形成規模較大、與采空區走向相一致、沿采空區周界開裂的地面地裂縫，地裂縫長度一般在100m以上;相對而言，采用倉房式、房柱式等采煤方法的小型煤礦，開采規模較小，技術落后，地表變形以及形成的地裂縫規模較縣營煤礦要小。2009年后，全市煤礦企業兼并重組，開采規模將隨之擴大，煤炭采空區的范圍也隨之擴大，留設的安全煤柱所承受的應力將會增大，當煤柱受到的荷載超過煤柱強度時，頂板巖層在自重和上覆巖土體壓力的作用下向采空區垮落沉降，進而誘發新的開裂變形直至地表，這為老地裂縫的進一步發展和新地裂縫的形成創造了條件。根據2010年3月份的觀察，白龍鎮、辛置鎮的地裂縫均在進一步擴展之中，其中辛置鎮曹村地裂縫已發展成地面塌陷。

圖4 采空區地面下沉壓應力、拉應力分布圖

3.2.2 煤層埋深與層厚的影響

通過對研究區采空地裂縫進行數值模擬實驗[8]，發現在同一地區開采層數越多、采深采厚比越大，對地面變形的影響也越大。通過對372條采空地裂縫的綜合分析，當采空區采深與采厚比大于30的時候，地表的移動和變形在時空上是連續的和漸變的，地表不易形成地裂縫，此時的采空區類型主要為潛伏一般型、深埋型;當采深與采厚比小于30的時候，地表的移動和變形在時空上是不連續的，不具有明顯的規律性，地表易出現比較大的裂縫或者塌陷坑，此時的采空區類型屬于潛伏突出型。根據2005以后的觀察，師莊鎮、大張鎮的地裂縫較以往均有較大發展，其中師莊鎮楊家山的地裂縫與1999年剛出現時相比，數量上由3條發展成5條，長度上由平均150m變為200m。這表明:一方面隨著采厚的增加，采煤深厚比變小，地表的塌陷變形也就隨之增大，進而在地表最大拉應力分布區形成張性裂縫;另一方面地裂縫的形成具有滯后于煤礦開采時間的特點，滯后時間從幾個月到幾年不等。

3.2.3 頂板管理方式的影響

頂板管理方式是指在煤炭開采過程中，根據頂板的性質和煤層的厚度等條件處理采空區的辦法，通常有垮落法、煤柱支撐法、充填法、緩慢下沉法四種方式[11－13]。隨著頂板管理方式的不同，地表形成的塌陷、地裂縫規模也不一樣。研究區煤炭在開采的過程中，主要采用垮落法這一頂板管理方式，讓直接頂板自行垮落，垮落下來的巖塊在一定程度上充填了采空區，減小了工作頂板壓力，在小范圍的采空區起到了阻礙地表形成地裂縫的作用;但隨著采煤深度的加大，開采范圍的擴大，這種方式反而加速了地表地裂縫的形成，如白龍鎮、辛置鎮的地裂縫進一步擴展與這種方式有關。

3.2.4 含水層疏干的影響

含水層疏干導致地面變形的主要機理是隨著礦坑排水量的加大，地下水水位不斷下降，孔隙水壓力逐步消散，有效應力逐步增加，在水位下降區形成圓形降落漏斗，最終導致含水層壓密沉降，在沉降帶周圍形成裂縫[2]。對于所研究的礦區，地下采空區頂板所承受的荷載主要由上覆地層的自重構成。在煤層開采過程中，煤系地層及其附近的含水層逐步疏干，與上覆應力向平衡的孔隙、裂隙水壓力減小，加速了上覆地層的坍塌、地表變形和地裂縫的形成和發展。

3.2.5 地表水的影響

地表發生變形或形成地裂縫之后，當后期降雨、生活廢水、農業用水向變形裂縫區滲透、沖刷、淋濾，地表土體被軟化、松動、搬運，從而促使地面變形的加劇，地表裂縫在原有的基礎上進一步加深和擴大。

4 防治對策

霍州礦區地裂縫主要由煤炭開采引起，根據實際情況可采取如下措施加以防治。

(1)回填采礦法。煤礦開采后，矸石不運出礦井或洞，而將其充填到采空區，從而保證采空區圍巖的穩定性，避免產生地裂縫。

(2)灌漿回填法。對于一些老礦區，特別是已閉坑的礦區，為了避免地面產生塌陷，可采用灌漿方法治理，灌漿材料可選粉煤灰、超高水材料。

(3)改建水庫法。對于一些面積比較大的采空區，區域地質條件和水文地質條件穩定的，可考慮將地下采空區改造成地下水庫。

(4)開采預防法。在礦區開采中，增大、增多預留保安柱，限制開采區域等。在進行煤炭開采時，應盡量減少對含水層的破壞，盡可能地維持地下含水層結構狀態;對地下水資源應“堵漏為主，疏導為輔”的方式進行處理。

(5)加大法律宣傳力度，提高廣大群眾自我防范意識，做到群眾知法，礦山企業守法。

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