大冶市還地橋煤礦采空區穩定性評價與防治措施建議

陶海寧，馮小波，許匯源，潘天錄

大冶市還地橋煤礦采空區穩定性評價與防治措施建議

陶海寧1，馮小波2，許匯源3，潘天錄1

（1.湖北省地質局冶金地質勘探大隊，湖北 黃石 435000；2.黃石市自然資源和規劃局，湖北 黃石 435000；3.湖北省地質局第七地質大隊，湖北 宜昌 443000）

大冶市還地橋區域煤礦開采形成采空區變形及塌陷；造成區內居民房屋出現不同程度開裂變形、地面設施破壞。依據該區煤礦采空區勘查成果，對成因機制及穩定性、發展趨勢進行分析評價，判斷勘查區內的采空區及地表變形處于殘余變形階段，按今后50年地面累計變形情況計算結果將勘查區采空區劃分為不穩定區、基本穩定區和穩定區并提出防治措施建議。

煤礦采空區；地面塌陷；成因機制；變形趨勢

大冶市還地橋區域煤礦開采始于上世紀60年代，由國營黃石礦務局（現黃石工礦集團）籌建松屏煤礦、秀山煤礦等大型礦山企業進行規模化開采。上世紀八十年代后，村鎮集體煤礦最多時近百家，均采用爆破落煤，棚式支護，走向短壁采煤法，頂板管理為全垮落法。至本世紀初，黃石市對小煤礦進行了閉坑、合并整合，煤礦已關停。采空區變形及塌陷造成區內居民房屋出現不同程度開裂變形，部分村莊道路及戶戶通破爛不堪，農田池塘塌陷造成土地資源毀損。本文依據煤礦采空區勘查成果，分析成因機制、穩定性、發展趨勢，提出防治措施建議。

1 地質環境條件

1.1 地形地貌

礦區屬丘陵地形，北高南低，海拔30～40m左右，最高高132.80m，最低25.0m，高差97.8m；地形坡度15°～25°。由三疊系大冶組灰巖及燕山期巖漿巖形成屏峰山、秀山構成近東西向分水嶺，分水嶺北大部分山體巖石裸露，山坡植被覆蓋率較低；分水嶺南側由第四系殘坡積粉質粘土組成，地形較為平坦，植被覆蓋率較高。

1.2 地層巖性及構造

出露第四系人工填土和殘坡積土層、三疊系下統大冶組灰巖和白云質灰巖、二疊系上統大隆組硅質泥巖及硅質巖、二疊系上統龍潭組、二疊系中統茅口組硅質巖和燕山期石英閃長玢巖。二疊系上統龍潭組為含煤地層，自上而下分為灰巖段（P32）和含煤段（P31）。

灰巖段（P32）：為灰—深色中厚層狀含燧石結核灰巖及條帶灰巖，層間夾炭泥質物，巖體巖溶、裂隙發育，層厚10～30m，一般20m。

含煤段（P31）：由泥質粉砂巖、粉砂巖、細砂巖、炭質泥巖、泥巖及煤層組成，含黃鐵礦結核，厚度1.63～20.71m，一般10m。

本區處于揚子準地臺下揚子臺褶帶西段，大冶凹褶斷束的次級構造大冶復式向斜北翼之松山背斜南、北兩翼。受區域構造影響，斷裂發育，褶皺次之。

1.3 水文地質條件

屬鄂東南褶皺山地巖溶裂隙水為主的水文地質亞區，位于松山背斜兩翼，灰巖零星出露，主要含水層有茅口組，龍潭組灰巖段，大冶組第二、四段灰巖，相對隔水層有龍潭組含煤段、大冶組第一段，透水層為大隆組，特征詳見表1。由于工程活動及構造破壞，龍潭組含煤段及大冶組第一段相對隔水層未起到隔水作用，使上部各含水層產生水力聯系，成為礦井主要充水含水層。根據勘查鉆孔揭露，僅有7個鉆孔在第四系中存在孔隙潛水，埋深5m以內，其余鉆孔均漏水嚴重，無穩定地下水位。

礦區地下水補給主要源自區域地下水含水層，次為大氣降水。大氣降水主要通過溶洞、溶隙補給及賦存；灰巖、硅質層地段分布地表水，沿裂隙滲入補給。地下水流向為由東向西運移，由于早期區內松屏煤礦、秀山煤礦礦井開采達-350m水平，影響范圍較遠，礦井排泄地下水，流向為由南北向區內中部。地下水早期一般由礦井排泄，現深部地下水處于恢復中，第四系潛水排泄至地表水體。

表1 含（隔）水層特征一覽表

1.4 工程地質條件

根據巖土體巖性、結構特征及物理力學性質，劃分四個巖土體類型七個工程地質巖組：第四系人工填土、第四系粉質粘土、軟弱的薄層狀碎屑巖組、軟—較堅硬的薄層狀碎屑巖巖組、軟弱—較堅硬的薄層狀碳酸鹽巖巖組、堅硬的中厚—厚層狀碳酸鹽巖巖組、堅硬—較堅硬侵入巖巖組。

2 采空區發育區分布特征及危害

2.1 采空區分布情況

煤礦開采形成采空區面積1026.0893公頃，綜合工程地質測繪、物探、收集資料和鉆探驗證結果，以收集采空區和巷道平面位置，結合物探異常和鉆探結果，采空區分布見表2。

表2 推測采空區及巖溶發育區分布特征表

2.2 采空區危害

礦山開采形成采空區土地資源毀損壓占、含水層疏干、水利設施嚴重損毀，房屋出現開裂變形，部分村莊道路及戶戶通破損，導致區內生態與地貌景觀改變，礦山地質環境問題突出（圖1～2）。上述地質環境問題一般發生于礦山開采期間和閉坑后5年內，近年已逐步減緩，趨于穩定。

圖1 區內采空區塌陷

圖2 采空區造成房屋開裂

3 采空區穩定性評價及變形趨勢分析

3.1 采空區地表穩定性現狀計算

采空區導致地表沉陷、坍塌是一個物理和力學變化的復雜過程（周杰等，2020），依據《巖土工程勘察規范》（GB50021-2001）（2009版）5.5.7條的規定，當采深采厚比小于30時，可根據建筑物基地壓力、采空區埋深、范圍、和上覆巖層性質等評價地基穩定性（尹述榮等，2021）；結合礦區經驗提出處理措施建議。還地橋片區為短壁陷落法開采小窯采空區，大多數已經停采超10年，可采用開采深厚比和建（構）筑物允許變形值來判定地表穩定性（宋博，2014）。

圖3 還地橋礦區地面塌陷破壞模式示意圖

煤礦淺部采空區埋深在50～130m，煤層平均厚2m，最大厚5.2m。采空區上覆巖層以炭質頁巖、泥質灰巖、硅質灰巖、灰巖等軟弱-中硬-堅硬工程地質巖體組成，受采空區及斷裂擠壓切錯影響，采空區上覆巖體更為破碎，極易垮落，極不穩固（闞甲廣，2009），見圖3。

依據原煤炭部制定《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》，結合《高速公路采空區（空洞）勘察設計與施工治理手冊》（姜希印等，2021），采空區地表最大移動、變形、傾斜值計算公式如下：

式中：m為煤層真厚度（m），取平均厚度2m；q為下沉系數，其取值與頂板管理等因素有關，在0.015～0.85之間，還地橋片區內礦山頂板管理為全跨落法，根據《采空區工程地質勘察設計實用手冊》表-2.2.7推薦的經驗值，取0.8；α為礦層傾角；R為地面影響半徑（m）；H為開采深度（m）；β為移動角，本地取65°；b為水平移動系數，取值0.3（見《礦山開采沉陷學》）。

計算6個自然村采空區地表變形參數見表3。

表3 采空區地表主要變形參數估算表

備注：煤層厚度取還地橋區平均值，開采深度按等值線圖取平均值，傾角按采空區（或者煤層）附近區域傾角取平均值。

3.2 采空區地面變形趨勢

按照《高速公路采空區（空洞）勘察設計與施工治理手冊》推薦的經驗公式（劉健，2021）：

殘余移動期極限下沉量：ωj=（1-q）·m·cosα（mm）

式中：q為下沉系數，其取值與頂板管理等因素有關，其下沉系數為0.015～0.85，取0.8；α為礦層傾角；t＇為以移動延續期T為單位的殘余時間變量（年）；T=（2.4～2.6）H（d），H為平均采深（m）。

6個自然村采空區計算地表殘余移動期相關變形參數（水平變形、傾斜、曲率）累計值等值線圖見圖4。

綜合分項變形趨勢及分布，治理區按今后50年地面累計變形趨勢可分為不穩定區、基本穩定區及穩定區。不穩定區有2處（郭橋村徐新臺煤礦至松山村下黃煤礦一線兩側的區，紅峰村趙德益老井煤礦以南、團山陸小區以北、紅峰新一井煤礦以西的區）；基本穩定區5處，有2處位于上述2處不穩定區外圍100～150m區域，1處位于秀山村新廟煤礦至蓮花煤礦一線以南，松山村張畔霞小區至陳德功小區一線以北區域，還有2處分別位于上王小區東部和柯家洞小區；其他區域為穩定區。

圖4 還地橋片區采空區變形趨勢分區示意圖

4 防治措施建議

還地橋片區的采空區分布地段地形相對較平緩，交通條件較好；地面以下80m范圍采空區地基處于穩定性差—不穩定狀態。區內煤層平均傾角25°左右，局部10°～15°，產狀較平緩，礦山關閉時間較長。防治措施宜結合土地利用用途及價值區別對待，對居民、建筑比較集中的區域，可采用全充填壓力注漿法治理；對于農業用地、果園等區域，考慮經濟性，建議以修復因采空區變形破壞的溝渠、道路等設施為主，輔以變形監測手段。

周杰，董建輝，朱要強，鄒銀先．2020．多層開采沉陷預計數值計算分析[J]．四川地質學報，40(02):255-257+262．

尹述榮，李治，楊元強，曹凱．2021．采空區高層建筑的基礎設計實例[J]．建筑結構，51(S2):1474-1477．

宋博．2014．煤礦塌陷區路基沉降規律及預測方法研究[D]．河南理工大學．

闞甲廣．2009．典型頂板條件沿空留巷圍巖結構分析及控制技術研究[D]．中國礦業大學．

姜希印，王青海，周恒心，田迎斌，李幸麗．2021．太白湖下壓煤開采方案設計及評價[J]．礦山測量，49(02):25-32+62．

劉健．2021．高速公路路基工程特殊路段處理——煤礦采空區治理[J]．四川水泥，2021(10):269-270．

Stability Evaluation and Control Measures of Mined-Out Area of Coal Mines in the Huandiqiao Region, Daye, Hubei

TAO Hai-ning1FENG Xiao-bo2XU Hui-yuan3PAN Tian-lu1

(1-Metallurgical Geological Exploration Party, Hubei Bureau of Geology and Mineral Resources, Huangshi, Hubei 435000; 2-Huangshi Bureau of Natural Resources and Planning, Huangshi, Hubei 435000; 3-The 7th Geological Party, Yichang, Hubei 443000)

Mining activity results in ground deformation and collapse of mined out area of coal mines in the Huandiqiao region, Daye, Hubei. This paper has a discussion on genetic mechanism and development trend of the ground deformation and collapse and evaluates stability of the mined-out area based on field survey and divides the mined-out areas intounstable zone, basically stable zone and stable zone based on calculation of cumulative ground deformation in the next 50 years. Some control measures are put forward.

mined-out area; coal mine; ground deformation and collapse; deformation trend; genetic mechanism; Huandiqiao region, Daye, Hubei

TD325.3；P642.4

A

1006-0995（2022）01-0104-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2022.01.021

2022-01-18

陶海寧（1989— ），男，安徽當涂人，水工環工程師，研究方向：地質災害勘查與礦山環境治理