辽宁省东北煤田矿区地表沉陷地质灾害危险性分析

刘士秀 孙洪德

[摘要]对辽宁省东北煤田矿区因采矿引发的地面沉降和地面塌陷两种地质灾害进行分析研究,并提出预测方法。

[关键词]煤田矿区地表深陷地质灾害危险性分析

中图分类号:TD-0文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)1210144-01

一、矿区地质灾害现状

(一)地质灾害类型

随着煤炭资源的大量采出,采矿引发的地质灾害也是显而易见的,特别是地面沉降与地面塌陷。平均开采万吨煤地面沉陷面积为6.87亩,地面沉陷与地面塌陷造成了房屋及其他构筑物的变形和破坏。

通过对东北煤田采煤沉陷区及受损村庄地质灾害调查,矿区主要地质灾害类型为地面沉降、地面塌陷,次要类型为与地面沉陷伴生的地裂缝。

1.采矿地面沉降。采矿地面沉降是指由于采矿引发的地面下降,其特点是下降过程是渐变的,较为缓慢,造成的变化是地面高程的普遍的均匀的降低,对地面的原始形态影响不大,从区域上形成浅而大的平底盆地,面积较大,进行简单排水,对农耕无大影响。2.采矿地面塌陷。采矿地面塌陷是指由于采矿引发的地面下陷,其特点是在时间上突发或在短期内发生,形成明显的地形破坏和塌坑,深度较大,面积较小。地面塌陷多出现在采深较浅(60-400m)的矿区,通常塌陷坑内有积水。这里把采矿沉降和采矿塌陷统称为采矿沉陷。3.采矿地裂缝。本区地裂缝为采煤沉陷的伴生灾害,分布在地面沉降、地面塌陷的边缘。根据地表变形模拟曲线分析,地裂缝多发生在曲线的拐点处,属于拉张断裂。4.矸石山崩塌。平地自卸式排矸形成的矸石山,坡度较大,自燃现象普遍。偶尔发生喷爆现象,造成一定规模的矸石山崩塌。近年来,大隆矿区发生过3起矸石山崩塌,崩塌规模较小,影响范围小。附近村庄的建筑场地未受其危害。矿区主要地质灾害类型为地面沉降与地面塌陷(统称地面沉陷)。

(二)地面沉陷灾害特征规律

1.地面沉陷原因。采煤引起地面沉陷:大隆矿为多煤层赋存,而且煤层厚度变化较大。煤层开采引发地应力的重新分布,并在巷道围岩产生应力集中,使煤层顶板产生变形、断裂和垮落,整个覆岩的变形破坏和移动,导致地表形成大范围的沉陷盆地。加之是机械化采煤,开采强度大,多煤层的重复采动,导致地下扰动范围加大,造成地面大面积沉陷。

矿坑降水引起地面沉陷:当岩土体内的水被疏干后,孔隙水压力降低,固态岩土所承受的应力将增大,导致岩土体本身的固结压密,使疏水范围之内的岩土体压密引起上部岩土体沉降。这些压缩层变形后,其周围原有的应力平衡状态被破坏,迫使岩层产生移动和变形,以达到新的应力平衡。变形发展到地表,形成一个范围扩大的地表移动盆地,其中以地面的下沉变形为主,所以又称为地面沉降。

煤炭开采引起采场覆岩破坏以及上覆岩层的移动变形,导致岩层应力的重新分布,改变岩土体中水的渗流特征,而水的渗透又改变岩土体的应力状态,最终在地面产生沉陷,引起地面建筑设施的破坏。

2.沉陷规律

(1)矿区地面下沉盆地形成的过程。当回采工作面推进到一定距离时,地面才开始移动,这个距离为开采深度的1/4-1/2。随着工作面的推进,地面出现移动盆地,且移动盆地逐渐扩大。最大下沉点位于盆地中央,最大下沉值也逐渐增大。当采空区面积达到临界开采面积时,地面最大下沉值基本不再变化,即形成一个平底的地面移动沉陷盆地。

(2)地面沉陷基本规律。地面移动盆地稳定后主断面的移动与变形规律分析如下:①下沉曲线:下沉指地表移动的垂直分量。下沉曲线表示地表移动盆地内下沉的分布规律。地表移动沉陷盆地稳定后,盆地走向主断面的下沉曲线大致位于采空区正上方,且基本以最大下沉点为中心对称分布。下沉曲线各点的下沉值以盆地边缘为零点开始向盆地中央逐渐增大。下沉曲线拐点除个别站受相临采区影响偏向煤柱方向外,其余一般向采空区偏移。拐点处下沉值约为地表最大下沉值的1/2。在非充分采动情况下,地表最大下沉点只有一个,且未达到该地质采矿条件下的最大值。②倾斜曲线:倾斜指地表单位长度内下沉的变化量。倾斜曲线表示地表移动盆地内倾斜的变化规律。地表移动稳定后,下沉盆地的倾斜值在走向主断面上以最大下沉点为中心近似对称分布。左半盆地向右倾斜,右半盆地向左倾斜。在下沉曲线的拐点处,倾斜值最大。位于盆地中心点和盆地边缘处倾斜值为零。在煤层倾斜埋藏条件下,在倾斜主断面上,倾斜曲线与走向主断面上的分布规律有所不同,即呈非对称性。上山方向最大倾斜值大于下山方向最大倾斜值。③水平移动曲线:水平移动是地表移动的水平分量。水平移动曲线是表示地表移动盆地内水平移动分布规律。地表移动稳定后,在走向主断面的水平移动曲线与倾斜曲线分布形态基本相似。在充分采动条件下,盆底中央的主断面上形成水平移动零区。而在非充分采动条件下,盆底中央主断面上只有一个零点。

以上为地表产生连续变形情况下的地表移动与变形规律。

二、沉陷特征

根据《铁法矿区地表与岩移观测子资料总结报告》,并考虑大隆矿区的地质与采矿条件,总结出该地区采煤沉陷特征如下:

(1)地表沉陷曲线基本呈正态分布;(2)多数矿井属于多煤层开采,地面沉陷与变形量大,重复采动次数多,导致地面建筑设施受损严重,持续时间长;(3)随着采深的增加,地表各项变形值减小;(4)矿坑降水进一步扩大沉陷范围;(5)铁法煤田开采历史悠久,老采空区分布范围大,集中连片,老采空区上部各建(构)筑物及其他设施分布密集;(6)地面沉陷后,地面塌陷坑容易积水,从而对房屋造成损害;(7)地下开采活动导致生活供水水源受到破坏。

三、采煤引起的地面沉陷预测

完成地表移动观测站观测成果的整理工作后,应进一步求取该观测站的预计参数。求取预计参数,均是相对于某一种预计方法而言。根据“三下”采煤规程推荐,预计地表移动与变形时,我国煤矿大致采用以下几种方法,即典型曲线法、负指数函数法、概率积分法、数值计算法(有限单元法、边界元法和离散单元法等)。但无论采用什么方法,都应具备相应的计算参数。未经实测资料充分验证的方法,在预计中不宜采用。常用的方法为概率积分法。

概率积分法是把岩体看作一种随机介质,把岩层看作由大量松散的颗粒体介质组成,通过随机介质理论,把岩层移动看作一种服从统计规律的随机过程,由此研究岩层与地表移动。

四、矿坑降水引起的地面沉陷预测

地下水位以下的岩土体,尤其是松散土体疏干后,土体的有效重度增加,加大受压层的压力,周围原有的应力平衡状态被破坏,迫使岩土层产生移动和变形,以达到新的应力平衡,这是一个复杂的物理、力学过程,称为岩层移动。压缩层直接顶板土层在上覆土层的作用下产生压缩层变形,其上覆土层也顺次产生向下的移动和变形。土层的变形发展到地表,形成一个范围扩大的地表移动盆地。其中以地面的下沉变形为主,所以又称为地面沉降。

参考文献:

[1]何国清、杨伦,矿山开采沉陷学[M].徐州:中国矿业大学出版社,1991.

[2]潘懋、李铁锋,灾害地质学[M].北京:北京大学出版社,2002.

[3]黄润秋、许强等,地质灾害过程模拟和过程控制研究[M].北京:科学出版社,2002.