唐山市馬家溝礦開采沉陷損壞特征研究

馬丙太 王 穎 周錦華 龐國興 王樂杰

（1.河北省地質環境監測院，河北 石家莊 050000；2.大地工程開發（集團）有限公司，北京 100102）

因礦山資源位置的不可選擇性、資源賦存獨特性以及開采技術條件的限制性，采礦活動不可避免對地面建（構）筑物產生損壞，易打破原有的景觀生態系統平衡，使得礦區環境不斷惡化。由于資源賦存特點不同，采礦活動對地面的破壞特點也不盡相同，因此深入分析礦山開采沉陷變形損壞特征，是進行礦區生態環境修復與治理的前提與基礎。

唐山馬家溝礦位于唐山市城郊、開平城區西部，始建于1908年，2016年因政策性去產能關閉，開礦至閉坑時間跨度達108 a，長期的地下開采活動導致地面建（構）筑物、農田、交通等基礎設施受損嚴重，成為垃圾堆放場，生態環境日趨惡化。如何治理修復和開發利用好閉坑后的馬家溝礦采煤塌陷地，已成為改善唐山市生態環境，促進城市建設發展，提升居民幸福指數亟待解決的難題。該類問題在我國60余座資源枯竭型城市（如平頂山、撫順、鶴崗等）也普遍存在。本研究以唐山市馬家溝礦為例，結合該礦歷史開采資料、開采塌陷歷史觀測數據、塌陷裂縫測量、調查及物探等資料，分析其開采塌陷損壞特征，為礦區塌陷廢棄地的開發和利用提供科學依據。

1 礦區概況

馬家溝礦位于河北省唐山市東北9 km處，行政區劃屬唐山市開平區管轄，井田走向長8.99 km，礦區面積為25.316 2 km2。該礦所處地貌單元為山前傾斜平原沖洪積扇中部，中間部分區域位于低山丘陵剝蝕殘丘，地勢起伏較大，地面標高+8～+44 m，地貌類型較復雜。

1.1 煤層賦存特征

開平煤田除了煤為主要礦產以外，沉積有若干層有工業利用價值的耐火黏土，馬家溝礦區有陸相沉積鋁土礦4層。馬家溝礦井田位于開平向斜西北翼中部，開平煤田地層屬華北型沉積。煤田古生代地層廣泛分布，石炭—二疊系為含煤地層，含煤20余層，總厚度達540 m，含煤總厚24 m，含煤系數4.72%，主要可采煤層集中在含煤地層中部。含煤地層各統、組間連續沉積。

該礦工業廣場將井田分為東西兩翼，井田東部實際可采煤層兩層，分別為9-2煤和12-1煤。井田西翼在8水平以上，實際進行過開采活動的煤層有8、9-1、11、9-2和12-1煤，8、9、10水平僅將9-2煤及12-1煤，11煤與12-1煤的合區部分采出。主要煤層開采厚度見表1。

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區內礬土礦賦存特征為：①G層鋁土礦位于奧陶系灰巖之上，厚度為1～3 m，可作為制耐火磚原料，該礦層較薄，且不穩定，在此區域內無開采價值；②A層鋁土礦位于二疊系下統頂部，厚約10 m，質量相對較高，前期在淺部曾大量開采，用作耐火磚燒制原料和化工原料。

1.2 地質構造特征

馬家溝井田古生代煤系為半暴露式，其煤層與基巖露頭在井田西北部邊界出露地表，在露頭東南大部地區被0～32 m（一般為10～30 m）厚的第四紀沖積層覆蓋，與基巖呈不整合接觸。根據對井田地質構造性質和成因的分析，以塊段內構造的成因相同、含煤地層的含煤系數相近為原則，將井田分為西區、中區和東區3個構造塊段，各構造塊段內第四系厚度、地層走向和巖層傾角見表2。

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1.3 礦區歷史采礦情況

馬家溝礦區除了馬家溝煤礦開采活動外，歷史上還有多個地方煤礦、子母階礦以及礬土礦開采活動。

1.3.1 馬家溝煤礦

馬家溝煤礦開拓方式采用立井，分水平、分石門的開拓方式，采用落垛、偽傾斜和走向長壁采煤法，全部陷落法管理頂板。礦區主要開采9-2煤層和12-1煤層，開采上限標高-10 m，開采下限最大標高-900 m，開采水平分為10個水平，各水平標高見表3。

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1.3.2 周邊小煤礦

馬家溝礦區范圍內歷史上存在地方煤礦、開采礬土及子母階礦百余座，地方煤礦主要開采馬家溝礦區-260 m水平以淺的資源，基本在2008年全部停產關閉，馬家溝礦與地方礦井的相對位置關系如圖1所示。

1.3.3 礦區四號礬土井開采史

礦區1958年開始建井，1968年改擴建為生產硬質耐火黏土的礦井，1970年正式投產，2007年關閉，開采深度為30～-390 m，采用立井（暗立井）多水平開拓方式，采礦方法為中深孔留礦法，頂板大巷集中運輸。礦區主要開采A層耐火黏土礦床，厚度為4～10 m，井田范圍如圖1所示。

2 開采沉陷損壞特征

急傾斜煤層開采其地表損壞特征主要表現為：下山方向地表顯現為臺階裂縫的非連續變形［1-2］和露頭處地表出現抽冒塌陷抗［3］，另外廢棄豎井井筒未進行嚴格回填處理后，也易在地表發生抽冒塌陷坑現象。

2.1 地表顯現為臺階裂縫的非連續變形特征

2.1.1 裂縫調查與勘測

通過現場調查實測資料分析，馬家溝礦西區急傾煤層開采時，在原半壁店鋼鐵公司附近地面出現8條地面臺階非連續變形集中裂縫帶［4］，開采與裂縫相對位置關如圖2所示。

圖2中裂縫1～3發生在1996以前，與工作面距離634 m，井下開采深度為637 m，裂縫形態為正臺階，最大縫寬400 mm，最大落差600～800 mm。裂縫4～6發生時間在1996以前，與工作面距離1 088 m，井下開采深度637 m，裂縫形態為倒臺階，最大縫寬400 mm，最大落差150 mm。裂縫7發生時間在1998年，與工作面距離1 177 m，井下開采深度713 m，裂縫形態為倒臺階，最大縫寬90 mm，最大落差110 mm。裂縫8落差約0.8m，實測裂縫長度約420 m，與工作面距離765 m，井下開采深度711 m（圖3）。

根據地裂縫與開采工作面的相對位置關系以及開采深度等要素，通過計算與分析可知，馬家溝礦急傾斜煤層開采在下山方向地表形成裂縫的最外裂縫角為30°～45°［2］，在地裂縫處出現落差0.1～0.8 m、寬0.09～0.40 m的臺階狀非連續變形，隨著采深不斷加大，裂縫仍向外延展。現場調查發現，處于裂縫處的建（構）筑物破壞嚴重，位于裂縫以外的建（構）筑物破壞較輕，說明開采沉陷在裂縫處發生了集中變形［5-6］。

2.1.2 采動地裂縫現狀地球物理探測

開采過程中產生的地面裂縫對農田、建（構）物以及基礎設施等破壞嚴重，開采結束若干年后采動地裂縫是否仍存在，對今后地面建設是否仍產生影響，亟需深入分析。為詳細查明采動地裂縫是否已閉合密實，為今后礦區開發建設提供科學依據，本研究采用地震映像、淺層地震、高密度電法和瞬態面波4種地球物理勘探手段進行了探測，勘探工作布置見圖4和表4。

通過對不同物探資料進行解譯，發現采動地裂縫1～7區域地震映像法、瞬態面波法解譯反映該區域波組可連續追蹤，無反射波異常特征；高密度電法電性特征也未發現異常，表明因采動產生的地裂縫，在開采結束10 a后已閉合密實，對今后采空區的利用影響小（圖5）。地裂縫8區域通過淺層地震反射法和高密度電法探測均存在異常反應，現場調查發現該地表裂縫仍然存在，該區域在進行采空區場地利用時應加以重視，建設建（構）筑物時應采取避讓措施。

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2.2 抽冒塌陷破壞

急傾斜層開采使得在地表或者急傾斜煤層露頭及露頭兩側50 m地表易斷斷續續地出現大大小小的漏斗狀圓形或橢圓形塌陷坑，一般稱為塌陷漏斗或抽冒塌陷坑［7-8］。抽冒塌陷體位于所采煤層或礬土礦的露頭正上方或稍向頂板方向偏移。偏離煤層或礬土露頭的距離與煤層傾角、頂底板巖性及基巖表面因風化作用而破碎的深度不同有關［9-11］。

通過對馬家溝礦和地方煤礦急傾斜煤層開采形成抽冒塌陷的位置、時間及分布情況的綜合分析，發現該區域塌陷漏斗均位于開采煤層采深小于160 m的煤層露頭一側，不僅在開采過程中易出現抽冒塌陷，而且停采若干年后，再次發現抽冒塌陷現象，其原因可能是由于地下水的潛蝕等外力作用，導致采空區活化。這一破壞特征一般無征兆，時間和發生地點難以通過計算分析確定［12-15］。馬家溝礦區開采過程中形成的抽冒塌陷坑如圖6和圖7（a）所示。

2.3 地面抽冒塌陷

馬家溝礦區范圍內存在上百座地方煤礦和礬土礦廢棄豎井，根據本研究調查分析，豎井雖然已經回填多年，但是仍發生個別井筒地面抽冒塌陷事故。分析其原因為：部分豎井進行了全井筒回填，部分采用中間設置擋板對20～50 m上部井筒段進行回填，其深部未進行回填，但均因回填不密實，存在豎井與井下采空區的導水通道，在地表水及地下水的長期潛蝕作用下，易造成豎井地面抽冒塌陷，如圖7（b）所示。

3 結論

（1）唐山市馬家溝礦急傾斜煤層開采使得在下山方向地表出現了臺階狀裂縫的非連續集中變形現象，裂縫角為30°～45°，處于裂縫處的建（構）筑物破壞嚴重，裂縫區以外的建（構）筑物破壞輕微。

（2）通過地震映像法、淺層地震反射法、高密度電法和瞬態面波法4種地球物理勘探手段對采動地裂縫區域進行勘測發現，因采動引起的地裂縫大部分基本密實閉合，對采空區場地利用影響小，但個別地裂縫仍存在，需加以重視。

（3）急傾斜煤層與礬土礦在采深160 m以淺的露頭一側，在開采過程中地面出現多處突然性抽冒塌陷坑，且在該區域停采數年后，依然出現零星的抽冒塌陷，這對該區域的土地整治及利用極為不利，應在整治過程中引起重視。

（4）馬家溝礦區內存在上百個已回填的小煤礦及礬土礦廢棄豎井，個別已回填豎井地面出現突然抽冒破壞。因此在開發利用豎井區域時，應嚴格做好豎井勘查工作，根據勘查結果采取必要的防治措施，確保地面建設安全。