湖南省礦山采空地面變形現狀及發展趨勢研究

黃鳳寸 蘭建梅 周光輝 李劍

摘 要? 礦業開發為湖南省社會進步和國民經濟的發展做出了很大的貢獻，但同時，在很大程度上礦山開采也對礦區環境造成了一定的破壞，特別是采空區地面變形地質災害對生態環境的影響廣而深遠，因此有必要開展全省采空區地面變形的趨勢研究，為未來礦業的開發及環境保護提供理論指導。本文以湖南省礦山采空地面變形現狀為基礎，結合地質環境條件，綜合分析全省礦山采空地面變形發展趨勢。

關鍵詞? 采空地面變形;現狀;發展趨勢

中圖分類號：TD327? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Abstact： Mining has made a great contribution to the social progress and national economic development in Hunan Province， but at the same time， mining has also caused some damage to the environment of mining areas to a large extent. Especially the geological disasters of goaf ground deformation have a wide and far-reaching impact on the ecological environment， so it is necessary to study the trend of goaf ground deformation in the whole province， and provide theoretical guidance for future mining development and environmental protection. Based on the present situation of goaf ground deformation of mines in Hunan Province and combined with the geological environment， this paper comprehensively analyzes the development trend of goaf ground deformation of mines in Hunan Province.

Keywords： ground deformation in goaf; present situation; developing trend

0? 引言

湖南省礦產資源豐富，開發利用程度高，素有 “江南煤海”和“有色金屬之鄉”的美譽，礦產資源的開發利用為國民經濟的發展做出了巨大貢獻，然而，由于歷史遺留問題、開采技術、保護措施的限制或不到位，引發了大面積采空區地面變形地質災害，對人民的生命財產、人居環境造成了巨大損失。分析礦山采空地面變形發展趨勢，研究防治對策，具有重大意義。

1? 礦山采空地面變形現狀

湖南省因采礦活動而引起的采空區地面變形（包括采空區地面沉陷、地面塌陷、地裂縫）分布較廣，據調查，全省因礦業活動引發采空區地面變形708處，變形總面積約9571公頃。

1、形態特征

地面沉陷：全省共發生此類地質災害354處，占地面變形災害總數的一半。不均勻沉陷多呈圓形、橢圓形、長條形，少數為不規則多邊形，累計沉陷面積約8256公頃;地面塌陷：全省采礦引起的采空地面塌陷共有192處，占災害總數的27%左右，塌陷坑約1400個，陷坑群以群集式為主，累計塌陷面積約857公頃;地裂縫：全省采礦引起的地裂縫共有162條，占災害總數的23%，變形面積合計458公頃（圖1）。裂縫形態以弧線和直線為主，以拉張裂縫為主。

2、分布特征

從地域分析，婁底市范圍最大，分布面積約5300公頃，占全省采空區地面變形分布面積的55%。次為長沙市，分布面積1444公頃;從礦產類別分析，能源礦產變形范圍最大，分布面積8575公頃，其中煤礦山變形面積8575公頃，占全省采空地面變形面積的89.6%（圖2）;從時間上看：20世紀90年代末至2010年前這二十年間是我省采空區地面塌陷災害高發期，共發生地面變形469處。

2? 采空區地面變形發展趨勢分析

1、繼續開采條件下發生采空區地面變形災害的可能性預測

（1）繼續開采條件下地質環境變化趨勢分析

①地質、構造條件不變：地質、構造條件是地質歷史時期形成，不受人為因素的影響。礦層的傾角頂板的巖石力學性質、第四系的覆蓋厚度、地形地貌等，無論繼續開采條件還是閉礦條件下對這些地質環境條件均不會發生多大改變。

②礦層埋深變大：隨著淺部資源的開采殆盡，未來的礦山會向深部開采。前已述及地表的各項變形值是與采深成反比的，即在其它條件相同的情況下，采深越大，對地表的破壞也越小。在充分采動的條件下，則影響范圍更大，但破壞的烈度會變小。

③開采方法與頂板管理工藝基本不變：目前全省煤礦基本采用走向壁式采煤法、全部陷落法管理頂板，鑒于湖南省煤礦的賦存條件，在未來的繼續開采中仍將采用相同的采煤方法及頂板管理方法;金屬礦非金屬礦一般采用充填法、房柱法采礦、留礦法采礦，在未來的繼續開采中也將采用以上方法采礦;目前全省石膏礦全部采用房柱式開采，未來繼續開采也將沿用此方法。

④采空區面積逐漸變大：目前全省采用充填法開采的礦山占很小的比例，大部分礦山開采完后均留下了大量的采空區。隨著礦山的繼續開采，礦石與廢石的不斷出窿，下地采空區的范圍也將越來越大。

因此全省范圍內在未來繼續開采的情況下，除了采深和采空區面積有變大的趨勢外，影響采空區地面變形的其它因素基本沒有大的變化。

（2）引發、加劇采空區地面變形的可能性預測總的來說，未來全省采空區地面變形的發展趨勢為，主要變形區為婁底市及郴州市，全省地面變形的破壞程度及變形速度將有所減緩，但變形范圍在一定時期內仍呈上升趨勢。目前全省采空區地面變形主要分布在婁底市、邵陽市（尤以邵東為主）、長沙市及郴州市。繼續開采過程中，各種地質環境因素變化不大，但礦山開采深度會有所增加，則采空區地面變形的程度減弱、發展趨勢將有所減緩;采空區面積逐漸變大，會導致地面變形的范圍有所變大，但長沙及邵陽兩市的煤礦已經全部關閉，因此變形將會大幅降低。

2、資源枯竭閉坑后采空區地面變形地質災害發生預測

（1）煤礦山

我省煤炭賦存條件普遍較差，礦山開采又采用全部陷落法管理頂板。當開采空間面積過大，頂板圍巖所受的拉應力超過巖體的抗拉強度極限時，就會發生破壞、冒落，當陷落的巖土體填滿采空區后冒落停止。在冒落過程中地表會因巖層移動后下沉開裂。當工作面回采完畢后的8～12個月為地表的劇烈變形期，2～3年為緩慢變形期，也即當礦山資源枯竭閉坑后8～12個月時，采空區地面變形會出現一個明顯增長加劇的趨勢，2～3年后采空區地面變形變緩至停止。據《湖南省地質災害》，湖南的煤礦山由于條件復雜、變化大，故變形延續時間變化也大，當采深在270m以上時，移動活動總時間一般為173天～840天，也即湖南省煤礦山在停止開采后半年到2年半的時間內地面變形基本穩定。

（2）金屬礦山與非金屬礦山

全省金屬非金屬礦山大多采用房柱法、崩落法、留礦法采礦，而發生采空區地面變形災害的礦山多為房柱法、崩落法開采礦山。如果嚴格按規范開采，則地表不容易發生變形，但上世紀80年代以來，礦業開采秩序混亂，非法、無規劃的亂采濫挖，導致礦柱留設隨意、開采淺、采空比大等問題增大了采空區的安全隱患程度，一部分老礦山由國有改為私有時，新企業對留設的礦柱進行回采的情況非常普遍。導致部分礦山在生產時期采空區變形不明顯，但在閉坑以后，地下水位逐漸恢復，在地下水對礦柱的溶蝕等作用下反而出現大量的變形災害，如邵東石膏礦區。目前我省已對大部分石膏礦進行了關閉，但由于原來開采的不規范等因素，這些已經閉坑的礦山仍然有發生地面變形的可能，且以突發性為主，在季節上與全省雨季相吻合。目前全省對生產的石膏礦正在進行整頓，規范其開采方式，因此未來石膏礦閉坑后發生大范圍地面變形災害的可能性會逐漸降低;目前絕大部分的金屬礦山對采空區未進行處理，因此閉坑后，當采空區頂板的巖石抗拉強度達到極限時，會發生整體冒落，導致地面發生形變。因此金屬礦山閉坑后，仍有發生采空區地面變形的可能性，但較生產時期會有所減少。

3、發災時間規律分析

地下水對地面變形的影響非常重要，有關實驗表明，巖石單軸抗壓強度隨著含水率的增加逐漸降低，降低到一定程度后處于穩定的狀態。同時含水率隨著浸水時間增加逐漸增加達到飽和后處于穩定的狀態。巖石的彈性模量與含水率的關系基本上與單軸抗壓強度與含水率的關系是一致的，因此地下水活動會加快變形速度，擴大變形范圍，增大地表變形值。故有地下水參與作用的礦山，頂板巖層變形破壞往往較強烈。湖南省絕大部分礦山都有地下水的參與，尤其是煤礦山及石膏礦山。而采空區地下水充水來源主要為大氣降水與地表水，地下水位受大氣降水影響較大，一般來說雨季水位高，旱季水位低，地下水位波動變化大。

據對已查明發災時間的411處采空區地面變形災害進行統計分析，湖南省地面變形災害發生時間在月份上呈一個近拋物線（開口向下）走勢，主要集中發生在3～8月，共計發生325處，占已查明發災時間地面變形總數的79.08%。5月份發災數量最多，為72處，占總數的17.52%。這和湖南省的雨季基本吻合。因此預測未來湖南省采空地面變形災害的高發期為每年的3～8月（圖3）。

從對已發生的采空區地面變形的時間分布統計來看，從對已發生的采空區地面塌陷的時間分布統計來看（圖4），我省采空區地面塌陷災害從20世紀50年代至2010年間呈現一個上升趨勢，特別是20世紀90年代末至2010年前這二十年間是我省采空區地面塌陷災害的高發期，塌陷災害呈迅速增長的勢態。到了2010年后，采空區地面塌陷災害的數量急劇減少，上世紀80年代的亂采亂挖現象造成對地表的破壞能量已經基本釋放，預測未來全省采空區地面塌陷災害的發生將呈現一個減弱的趨勢。

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