杉橋煤礦地面變形特征及采空區穩定性評價

楊 青* 鄒 繼 宋建貴 梅 軍

（湖南省工程地質礦山地質調查監測所，湖南 長沙 410000）

煤礦開采不僅為我國的國民經濟做出了巨大的貢獻，同時也帶來了一定的環境問題[1-4]，隨著國民經濟的高質量發展，為推動國家能源改革，使煤炭產業走上“減、優、綠”之路，政策性的關閉了一些煤礦，關閉煤礦后續的地質環境治理和土地資源開發利用問題仍然是當地政府的重點工作。

本次工作以杉橋煤礦開采歷史為研究背景，在資料收集及環境地質調查成果的基礎上，以終采時間為主要因素，結合地面變形特征和采深采厚比對采空區穩定性進行綜合評價及分區，為當地政府對土地資源的開發利用提供地質依據。

1 研究區概況

1.1 地形地貌

研究區地處衡陽盆地中北部，歸屬湖南省衡陽縣東南的杉橋鎮管轄，面積2.95km2。區內以丘陵地貌為主，地勢總體上為北高南低，中部為山丘，東、西部為寬緩沖溝，最高點位于研究區北側一帶，三鎮殿西北側山坡頂，海拔199.1m，最低點位于研究區南側沖溝鴨世塘附近，海拔63m，兩者相差136.1m。

1.2 地層巖性

研究區出露的地層由新至老分別為第四系（Q），白堊系上段（K2）、下段（K1），侏羅系中統沙井組（J22s)，侏羅系下統觀音灘組塔壩口段（J12t）、排家沖段（J11p），三疊系上統楊柏沖組（T3y）、泥盆系中統棋子橋組（D2q）、泥盆系中統跳馬澗組（D2t）、元古界板溪群（Pt)。其中三疊系上統楊柏沖組（T3y）為礦區的含煤地層，巖性以泥質粉砂巖、砂質泥巖為主，夾有泥巖、煤層和少量細砂巖，一般厚約58m，含煤7 層。

1.3 地質構造

研究區白堊系紅層為寬緩的樞紐北起南伏的傾伏背斜，而煤系地層則屬于一半隱伏的走向北北西、傾向南西西、傾角40°～50°的簡單的單斜構造。區內發育2 組斷裂共9 條，一組斷裂為與地層走向近于平行、斷面西傾的3 條壓性分支斷裂，分別于礦區北部、中部和南部與主干斷裂呈銳角相交，平面上呈“入”字形構造；另一組與主干斷裂近于垂直，為高角度張性斷裂，這組斷裂常切割走向分支斷裂，且多呈南盤下降、北盤上升，為主干斷裂的配套構造。

2 采空區分布特征

據收集資料，礦山以往開采煤層為82、91、92、102煤層，主采煤層為91、92煤層，局部可采煤層為82、102煤層。82煤層僅南北兩端可采，+50m～-150m 水平于2004 年前已大部采完，僅剩南部走向約20m 未采完，-150m～-300m 水平尚未采動。102煤層僅南北兩端可采，+50m～-150m 水平于2004 年前已采完，-150m～-300m 水平尚未采動。91煤層全區發育，+100m～-150m 水平于2004年前已采完，-150m～-240m 水平中北部于2010-2014年間陸續開采部分范圍，-240m～-300m 水平尚未采動。92煤層區內大部分面積可采，南部有部分面積不可采，+100m～-150m 水平于2004 年前已采完，-150m～-250m 水平中北部于2010-2014 年間陸續開采部分范圍，-250m～-300m 水平尚未采動。

杉橋煤礦經過近40 年的開采，現已形成0.465km2的地下采空區，由于不同煤層開采的位置不同，故將采空區分為5 部分：1 號采空區82、91、92、102煤層均有開采，2 號采空區主要開采91、92煤層，3 號采空區主要開采91煤層，4 號采空區82、91、92、102煤層均有開采，5 號采空區僅開采91、92煤層。采空區的分布情況見圖1 所示。

圖1 采空區與煤層底板等高線圖

3 地面變形地質災害特征

地面變形地質災害是指在一定的自然條件和人為因素作用下，地下一定范圍內的巖土體壓縮、位移等活動引起的地面下沉、塌落、開裂，對工程設施、城鄉環境以及人民生命財產造成危害的現象，因地面變形引起塌陷坑、地裂縫及建筑損毀的現象屬于地面變形特征[5-7]。

3.1 地面塌陷

據現狀調查及收集資料統計（截止到2018 年4 月），礦山于2015 年年初封堵、關閉，研究區共發生采空地面塌陷47 處，地面塌陷現象最早出現在1984 年，大多數塌陷坑發生塌陷的時間在2003 年到2015 年之間，2015 年至2017 年發生1 處塌陷。塌陷坑平面形狀為橢圓形或圓形，剖面形狀為漏斗狀，規模均為小型，塌陷坑長軸0.5-8m，短軸1-5m，最大深度約3m，塌陷坑多集中分布在杉橋村古家排、下杉橋及集福村鴨世塘一帶。

3.2 地裂縫

研究區范圍內發育地裂縫有4處，位于采空區邊界及塌陷盆地邊緣，裂縫的走向與采空區邊界斜交，據調查訪問地裂縫發生時間為2009 年至2014 年，2015 年以后未見地裂縫發育，與礦山開采有一定的時空對應關系，地裂縫長20m～300m，寬0.05m～0.3m，近年來未見進一步加劇現象。

3.3 建筑損毀

據現場調查，研究區范圍內因礦業活動受損的建筑物有56 處，受損的建筑多為磚土或磚混結構。隨著采深越大，地表移動盆地的范圍越大[8]，研究區主采煤層9 煤層最大采深約342m，采空區地表移動盆地影響寬度約為850m，最大下沉值達1.0m，建筑物的損毀與采空區地表移動密切，基本位于采空區地表移動盆地范圍內，少數在盆地邊緣附近。

4 采空區場地穩定性評價

因無地表移動變形實測資料，本次評價工作選擇開采條件判別法，在資料收集及環境地質調查成果基礎上，以終采時間為主要因素（截止到2018 年4 月），結合采空區采深采厚比、地面變形特征評價因子進行穩定性分區評價，劃分為不穩定、相對穩定和穩定三個等級[9-10]，最后綜合分析各個因子評價結果，確定對研究區場地穩定性的分區評價。

4.1 終采時間

終采時間即自終采延續到現今的時間，首先以終采時間作為主控因素進行劃分。由于杉橋煤礦無采空區地表移動變形監測數據，故依照《煤礦采空區巖土工程勘察規范》H.0.6，當采空區采深小于400m 時，礦山開采地表移動的持續時間按公式T（d）=2.5H0，H0為采深（m）計算，礦山采空區最大采深為342m，地表移動延續時間T=2.5*342=855d，礦山于2014 年底停產，2015 年2 月2日封堵、關閉，依據表1 采空區終采時間t＞1.2T 且t＞730，判定采空區全區為穩定區。

4.2 地面變形特征

據現場調查，礦區地表整體呈現下沉的趨勢，在不同的區域產生不同的位移變形，塌陷坑及地裂縫主要發生在采空區內及邊緣，受損房屋主要分布在地表移動盆地中間及邊緣區。依據《煤礦采空區巖土工程勘察規范》中表12.2.3-2，按變形特征評判采空區場地穩定性等級為不穩定。

4.3 采深采厚比

根據礦山地質條件及開采方式，并參考地區經驗，該處采空區穩定性采深采厚比臨界值取120，即采深采厚比大于120 的采空區為基本穩定區～穩定區；采深采厚比小于120 的采空區為不穩定區。對采空區各區地面高程取區內最大高程，計算采深采厚比結果及采空區穩定性評價結果見表2。由表2 可知，除3 號采空區為基本穩定區外，其它采空區均處于不穩定狀態。

表2 根據采空區采深采厚比確定采空區場地穩定性等級

4.4 穩定性綜合評價與分區

采用上述穩定性分區成果疊加分析，將研究區劃分為兩個不穩定區（Ⅰ-1、Ⅰ-2）、一個基本穩定區（Ⅱ）和一個穩定區（Ⅲ）。從圖2 可知，不穩定區主要分布在以下幾個區域：Ⅰ-1 不穩定區位于礦區中部杉橋村半邊街、古家排及下杉橋一帶，地表變形較大，塌陷坑及地裂縫發育強烈，調查時發現該區域建筑物開裂現象明顯；Ⅰ-2 不穩定區位于礦區南部下杉橋、鴨世塘一帶，采深采厚比小于120，且塌陷坑分布密集。

圖2 穩定性分區圖

5 結論

杉橋煤礦經過多年開采，礦山地質環境受到了較大的破壞，主要表現在采空地面塌陷、地裂縫發育強烈，地表建筑物受損較嚴重等情況，對當地的生產生活造成了一定的影響。通過對礦山采空區特點及地面變形特征的分析，以終采時間、地面變形特征、采深采厚比等因素綜合評判了研究區的穩定性，評價結果顯示不穩定區主要分布在杉橋鎮半邊