小關河邊礦區地質災害成因與啟示

姚國川，張成時，程 杰

（貴州省有色金屬和核工業地質勘查局二總隊，貴州 六盤水 553000）

小關河邊礦區位于貴州省六盤水市，2019年4月，位于礦區內的小關村一組民房屋突現開裂，并在村寨北西側山體斜坡地帶發生多處崩塌，當地村民認為與附近某煤礦采礦活動有關，118戶村民聯名向當地政府申請對民房開裂成因進行分析，我單位受當地政府部門委托，承接該項任務。

1 礦區地質環境

1.1 地形地貌

礦區屬云貴高原低山侵蝕-剝蝕地貌類型，地形起伏變化較大，總體地勢為北東高南西低，最高點位于調查區北側山頂，高程為+2135m，最低點位于礦區西側河溝處，高程為+1800m，相對高差為335m。地形坡度在10°～50°之間。

1.2 地層巖性

第四系（Q）：主要為殘坡積粘土、碎石土，局部為卵石土、淤泥質土，表層土體為耕植土，結構松散，厚度0m～6.0m。二疊系上統龍潭組（P3l）：由薄至中厚層粉砂質泥巖、粉砂巖、泥巖含煤層組成。按煤巖性組合、含煤特征及標志層可分為上、中、下三段。厚233m～263m。

1.3 煤層特征

調查區二疊系上統龍潭組（P3l）含煤層27～44層。北部平均含煤總厚度36.24m，南部平均含煤總厚度48.11m，含煤系數分別為14.9%和21%，南部含煤系數稍高。全區含可采煤層15層，平均總厚21.86m，其中全區可采6層：1、 3、7、9、17、18號，均屬較穩定煤層；大部可采5層：10、12、13、18-1、22號，10、18-1、18號屬較穩定煤層，12、13、22號屬不穩定煤層；局部可采4層：5、6、24、29號，均屬不穩定煤層。在垂向上，龍潭組上段和中段含煤性總體上較好，下段較差。根據收集的《煤礦資源儲量核實報告》，各煤層特征見表1。

1.4 地質構造及地震

調查區位于亦資孔向斜南東翼，區內斷層不發育，總體構造形態為單斜構造，地層走向北東～南西，傾向北西，傾角16°～22°。根據《中國地震動參數區劃圖》（GB18306-2015），區內基本地震動峰值加速度為0.05g，基本地震動反應譜特征周期為0.45s，調查區地震烈度為6度區，區域地殼穩定性相對較好。

表1 可采煤層特征一覽表

1.5 水文地質條件

（1）地下水類型、含水巖組及富水性。根據調查區出露的地層巖性，含水介質特征及地下水動力條件，劃分區內地下水類型為基巖裂隙水和松散巖類孔隙水兩大類型：一是基巖裂隙水，主要賦存于龍潭組（P3l）粉砂質泥巖、粉砂巖、泥巖的構造裂隙及風化裂隙中，富水性貧乏～中等；二是松散巖類孔隙水，賦存于第四系松散層中。

（2）地下水補給、逕流、排泄條件。地下水的補給來源主要為大氣降水的滲入補給，補給量受降水及季節的控制。當大氣降水到達地表后一部分沿地表向低洼處徑流，一部分通過基巖風化裂隙及構造裂隙滲入地下，賦存運移于基巖節理、裂隙中，于地勢低洼或臨近河谷處以井泉的形式排泄。地下水總體自北東向南西流入竹清河，當地最低侵蝕面標高為1775.0m。

1.6 巖土工程地質特征

根據巖土體性質、結構特征及力學強度可將區內巖層劃分為軟質巖類工程地質巖組和松散巖類工程地質巖組兩種類型。軟質巖類工程地質巖組：由區內二疊系上統龍潭組（P3l）粉砂質泥巖、粉砂巖、泥巖及煤層等組成，其巖體較為破碎，抗風化能力弱，力學強度總體較低；松散巖類工程地質巖組：為區內第四系（Q）松散堆積殘坡積、礫石等組成，其結構松散，孔隙度大，透水性強，力學強度低。

1.7 人類工程活動

調查區主要的人類工程活動為煤礦開采，其次為民房和道路建設。在煤礦北東側為小關一組村民聚居區，村民房屋總體呈片狀分布。

2 地質災害現狀

根據現場實地調查，礦區范圍內主要發生崩塌5處（BT1～6）、地面變形裂縫3條及部分民房開裂，基本特征如下：

（1）崩塌。礦區崩塌集中發生在2019年3～4月，據現場調查，BT1、BT2位于礦山主平硐北側山體坡面，崩落方向190°，BT3、BT4、BT5位于村寨北西側上方斜坡面，崩落方向150°～170°，BT6位于采空區北西側上方陡崖處，崩落方向180°。6處崩塌體巖性均為二疊系上統龍潭組粉砂巖、泥巖。其中BT1崩塌：崩落處原巖高17.0m，分布標高為+1915m～+1932m，寬平均4.0m，厚度平均2.0m，崩塌體積約136.0m3，崩落巖塊大部分堆積在山體斜坡上，個別到達煤礦工業廣場，曾毀壞一輛汽車。BT2崩塌：崩落處原巖高35.0m，分布標高為1935m～+1970m，寬平均3.0m，厚度平均2.0m，崩塌體積約210.0m3，崩落巖塊堆積在山體斜坡上。BT3崩塌：崩落處原巖高12.0m，分布標高為+1930m～+1942m，寬平均8.0m，厚度平均3.0m，崩塌體積約288.0m3，崩落巖塊小塊體堆積在崩落崖腳斜坡上，大塊體崩落至下部緩斜坡耕地內堆積，最大塊徑可達20.0m3。BT4崩塌：崩落處標高為1975m，為單一塊體崩塌，體積約1.5m3，崩落巖塊崩落至崖腳民房附近。BT5崩塌：崩落處原巖高12.0m，分布標高為1970m～+1982m，寬平均3.0m，厚度平均2.0m，崩塌體積約72.0m3，巖塊崩落至下部緩斜坡耕地內堆積，最大塊徑可達2.0m3。

（2）地面變形裂縫。DL1地面裂縫：位于村寨西側道路交叉口處，穿過3戶民房。裂縫走向162°，長40m，最大寬度6cm，下沉方向135°，最大下沉量1.0cm。 DLF2地面裂縫：位于小關村一組北西側約380m處，初現時間2019年4月。裂縫走向約82°，長90m，最大寬度25cm，地裂縫南側下沉約10cm。

（3）民房開裂特征。本次調查的小關一組118戶村民房屋，均分布于山腰至山腳斜坡地帶，有一條鄉村公路經煤礦工業廣場自南西向北東穿過村寨，大致以公路為界，公路以北地形較緩，總體地形0°～10°，公路以南地形較陡，總體地形10°～30°。據現場調查，當地民房多為1～3層淺基礎磚混結構，地基持力層為土層，且部分民房未設置地圈梁。公路以南民房開裂特征不明顯，多為細小裂縫或發絲裂紋；公路以北部分民房開裂變形嚴重，一是其中2戶民房發生擠壓變形，導致房屋變形嚴重，裂縫錯動約1cm～4cm。二是部分民房墻體及地面開裂，裂縫寬2cm～5cm（見照片1、2）。另外，在公路后壁多處見擋土墻出現豎向裂縫，寬1cm～3cm。

3 礦山開采現狀

根據小關河邊煤礦提供的井上井下對照圖，小關河邊煤礦在2019年3月形成的1104采空區，開采標高為+1720m～+1750m，開 采1號 煤 層。2018年7月2019年4月 形成1302采空區，開采標高為+1750m～+1785m，開采3號煤層。采煤方式為八字型柔性掩護支架支護，炮掘炮采，全部頂板跨落法。自2018后7月至2019年4月，該礦在礦區北側開采1102、1104和1302、1304采面后，共形成長390m～406m，寬212～240m的采空區。

圖1 民房擠壓變形

圖2 民房墻體開裂

4 地質災害成因分析

經現場調查，礦山生產曾采用過炮掘炮采工藝，現采用炮掘綜采，礦山水倉標高約1700m。考慮礦山北部采空區距小關村一組村寨平距250m～400m，炮震影響較小，同時，煤礦采礦抽水近年來一直在進行，未發生地下水位劇烈下降，抽水影響不足以引發民房發生變形開裂，故采用采空區覆巖移動變形方法進行分析。根據《煤礦采空區巖土工程勘察規范》（GB51044-2014)(2017年版)附錄J淮南煤礦來選取量角參數，即：走向邊界角(δ0)=上山邊界角(γ0)=50°； 下山邊界角(β0)=走向邊界角(δ0)－15°sinα。β0=50°～15°sin22°≈44.4°

分別在采空區地表影響范圍剖面圖上，由采空區邊界按走向、上山、下山邊界角δ0、γ0、β0作移動邊界線，分別得采空區走向、上山方向和下山方向的地表變形邊界點，將其投影到平面圖上連接，即為煤礦采空區地表影響范圍。通過以上方法分析，BT1～BT5崩塌點、DLF2、DLF3地裂縫均位于煤礦采空區覆巖變形影響范圍內，可以合理解釋其發生原因。但DLF1地裂縫和村寨民房均分布于上述方法圈定的煤礦采空區覆巖變形影響范圍外，而DLF1地裂縫和公路北側部分民房開裂的事實又客觀存在。通過反復研究分析發現，大致以公路為界，公路附近及北側部分民房具有明顯的開裂變形特征，在沿地層傾向方向剖面上自公路向采空區最低開采煤層（3#煤）連線，該斜線的傾角大致與地層傾角相當，斜線大致與3#煤層面吻合，是否巖層沿3#煤發生了滑動或變形？其動力從何而來？經過調查組研究并查詢相關資料，一致認定，采空區沉陷引發了上山方向巖體產生順層“牽引式”滑動。分析其形成機理和過程如下。

（1）傾斜煤層開采形成大面積傾斜采空區后，由于巖層自重力方向與層面不垂直，采空區上覆巖體在自重力作用下發生采空塌陷時，一方面產生沿法線方向的塌落和彎曲；另一方面采空區上覆巖體塌落過程中對采空區兩側的巖體產生拉張和牽引作用，牽引兩側巖體向采空區中心滑移。

在巖層傾向方向采空區的上方側，當巖層拉張作用應力高度集中的某一時刻或一定時段，這種牽引作用極易破壞控制性軟弱結構面固有的穩定狀態，而使上部巖體沿軟弱結構面向下方側采空區滑移。由于采空區并非真正意義上的臨空面，隨著采空區垮落，應力釋放、減小的某一時刻，滑移立刻停止。這種因采空區沉陷引發“牽引式”滑動影響的最大范圍包括采空區上方側軟弱結轉構面（滑動面）以上的整個區域。

（2）小關河邊煤礦煤層傾向北西，平均傾角18°，屬傾斜煤層。2018～2019年4月，礦區北西側開采1102、1104和1302、1304采面后，形成長390m～406m，寬212m～240m的采空區，其上覆巖體厚140m～230m。根據《煤礦采空區巖土工程勘察規范》（GB51044-2014)(2017年版)附錄L表L.0.1-2，計算垮落斷裂帶高度為=44.6m，其垮落斷裂帶巖體體積較大，在垮落前的某一時刻，拉張應力高度集中且能量巨大，而開采的3#煤層一般較頂底板軟弱，屬于巖體的軟弱夾層，其層面屬軟弱結構面，隨即引發沿3#煤層“牽引式”滑移，其最大影響范圍包括滑移面（3#煤層底板）上部的全部巖土體（見采空區垮落影響分析剖面圖）。

根據上述方法推理，得出如下結論：

（1）滑坡HP1～HP5及地裂縫DL2～3處于小關河邊煤礦采煤工程活動影響范圍內。因此，滑坡HP1～HP5及地裂縫DL1系小關河邊煤礦采煤工程活動造成。

（2）小關一組118戶中公路附近及以北60戶居民房屋開裂變形系小關河邊煤礦采煤工程活動所致；公路以南58戶民房開裂是由于地基的不均勻沉降、結構的不合理、自然溫度的熱脹冷縮等原因形成，與小關河邊煤礦采煤工程活動無關。

5 認識與啟示

（1）當采空區上覆巖體垮落規模較大，在垮落前的某一時刻或一定時段，巖層拉張作用應力高度集中，易引發傾向方向采空區上方側巖體發生“牽引式”滑移。

（2）采空區垮落斷裂帶高度內巖層傾向采空區的軟弱結構面，有利于采空區上覆巖體垮落引發“牽引式”滑移。文中1#、3#煤層即為具有潛在滑動性質的軟弱結構面。

（3）采空區垮落斷裂引發山體“牽引式”滑動的影響范圍與利用邊界角圈定的采空區覆巖變形影響范圍不同。在巖層傾向方向上，當地層傾角陡時，邊界角圈定的采空區覆巖變形影響范圍較大，當地層緩傾時，邊界角圈定的采空區覆巖變形影響范圍較小。總體上，垮落斷裂引發山體“牽引式”滑動一般沿巖層傾向采空區上山方向發生，其可能影響范圍自采空區底部向上山方向沿巖（煤）層傾角至地表以上的范圍。

（4）在煤礦地質災害成因分析過程中，由于煤礦地質災害成災機理的復雜性，在結合相關規程規范的同時，還要具體問題具體分析，才能透過現象解釋其本質原因。

（5）本例在煤礦區進行工程選址、地質災害危險性評估、壓覆礦產資源評估、煤礦地質災害動態管理等方面，可提供借鑒與參考。