山东新泰煤田采空区地面变形特征及影响因素

刘善军，冯克印，2，韩永东，齐孔让，王春蕾

(1.山东省地质环境监测总站，山东济南 250014;2.中国地质大学(北京)，北京 100083;3.山东省地矿工程勘察院，山东济南 250014;4.山东省济南市历城区畜牧局，山东济南 250100)

山东新泰煤田采空区地面变形特征及影响因素

刘善军1，冯克印1，2，韩永东3，齐孔让1，王春蕾4

(1.山东省地质环境监测总站，山东济南 250014;2.中国地质大学(北京)，北京 100083;3.山东省地矿工程勘察院，山东济南 250014;4.山东省济南市历城区畜牧局，山东济南 250100)

矿山采空区地面变形受多种因素影响和制约，同一矿层在不同地质条件和开采条件下，不仅地面变形形式及其发生、发展过程存在明显差异，而且造成的危害程度差别很大。因此，开展矿山采空区地面变形及影响因素研究，将有助于推动矿山地质环境和地质灾害的科学防治。

采空区;地面沉陷;地裂缝;地面塌陷;顶板管理

0 引言

山东华源矿业集团有限公司(原张庄煤矿)于2007年8月17日发生地表水溃入井下事故，导致了172名矿工死亡事件，这就是震惊国内外的8.17山东华源矿难。溃水事故发生后，在离溃水点较近的张庄村、王家村等相继发生地面沉陷。为保障国家和人民生命财产安全，省政府作出重要批示，要求对新泰市煤矿采空区进行详细调查，为下一步开展地质灾害治理及群测群防工作提供依据。根据调查资料［1］，现对新泰煤田采空区的地面变形特征及影响因素进行分析。

新泰煤田是我省重要的煤炭基地之一，位于山东省鲁中山区中部新泰市境内，东西长约26km，南北宽约9km，面积232.8km2。煤系地层沉积时代为石炭—二迭系，含煤地层厚度一般250～340m，本区共含煤17～20层，其中，可采煤层共含11层，可采总厚度3.7～9.9m。新泰煤田开采历史悠久，有史料记载的最早开采时间为唐、宋时期，现代煤炭开采始于1919年。截止到2007年9月，新泰市煤矿区现有生产矿山37个，矿山总面积约227.8km2，年产煤1500余万吨，最大开采深度已超过1200m。

1 采空区空间分布特征

新泰煤田各个时期采空区星罗棋布。时间较远的(解放前)古采区主要分布于禹村、汶南、良庄、孙村等浅层煤分布区，受当时经济技术水平制约，多以小煤窑方式进行开采，且开采深度一般小于150m，生产规模较小，因而采空区范围通常较小。

新中国成立后，随着经济社会发展对煤炭资源需求量的日益增加和机械化开采技术的不断进步，采空区范围及其增长速率迅速提高［1］，矿山采空区亦由浅部、零散状分布转入向纵深和相对连续的大范围分布状态。

目前，全市煤层采空区总面积87.67km2。受开拓方式和开采方法影响，采空区类型多样，全冒落、条带(局部为刀采)冒落、水砂充填、矸石条带充填等均有分布，因而采空区空间分布状态极为复杂，主要表现在以下方面。

(1)在平面分布上，各矿山采空区类型均以冒落式为主，面积76.23km2，占全市煤矿采空区总面积的86.95%。条带冒落采空区主要分布于小协煤矿、泉沟煤矿、沈村煤矿、淞河煤矿、新兴煤矿等矿山煤层开采区，面积仅1.82km2。水砂充填区主要分布于新汶矿业集团所属的华恒煤矿、华源煤矿、孙村煤矿、协庄煤矿等矿区，沿柴汶河右岸由东南向西北呈带状分布，面积11.44km2。此外，境内乡镇小煤矿众多，除放城煤矿采空区相对较简单外，各矿同一煤层采空区形态各异，空间分布不均匀，范围面积差别大，且连续性差。

(2)在垂直方向分布上，不同矿区采空区垂向分布层数、形式、埋深极具差别。首先，各煤矿采空区在垂向分布上，多层采空区大部沿柴汶河北岸呈条带状分布。其中，冒落采空区垂向分布一般一至五层，局部(名公煤矿)最多达到七层。采空区埋深200～1050m，单层煤采高0.9～3.1m，平均累计采高1.3～7.8m;水砂充填以孙村煤矿和华源煤矿规模较大，充填层数二至六层，其它煤矿一般一至三层。充填深度30～847.8m。单层采空区充填厚度0.4～3.5m，累计充填厚度0.8～7.6m;矸石条带充填区主要分布于华恒(汶南)煤矿，主要充填13、15层煤采空区，深度500～600m。

其次，各煤矿区不仅采空区埋深大，垂向叠加层数多，而且不同类型采空区交错分布。如协庄煤矿二号风井－风井一带2、4、6、11、13层煤采空区，上部2、4层煤与下部13层煤采空区为水砂充填，中部6层煤采空区则大部为全冒落。目前，该煤矿最大开采深度已达到1210m。

2 采空区地面变形形式及特征

新泰煤田地质构造条件复杂，矿山开采区地面变形形式多样，主要有地面沉陷、地面塌陷、地裂缝，其中，以地面沉陷为最，造成的经济损失及危害突出，地面塌陷和地裂缝次之［2］。

2.1 地面沉陷分布及特征

据遥感解译和野外调查资料统计，截止到2007 年9月，新泰煤田地面沉陷面积累计已达113.97km2。为了解地面沉陷影响程度，按照沉陷深度(W)和沉陷区地表积水情况初步划分为三个区。轻度沉陷区——W＜1.5m;中－重度沉陷区——W≥1.5m;沉陷积水区——常年性积水区。

(1)轻度沉陷区

主要分布于各煤矿近期采空区和小型煤矿开采区，面积约41.26km2，占沉陷区总面积的36.2%，累计沉陷深度一般0.3～1.4m。据调查，本区地面以缓变形为主，下沉量较小，标高损失和地面形态变化不甚明显。但由于沉陷区地面下沉不均匀，尤其是采空区边缘地带，地面倾斜较大，因而村庄、学校房屋受破坏严重，孙村煤矿、良庄煤矿、泉沟煤矿、协庄煤矿、翟镇煤矿等矿山近期采空区分布的村庄、学校房屋破坏等级大部达到Ⅲ级，部分地段达到Ⅳ级。

(2)中－重度沉陷区面积72.71km2，占全市采空沉陷区总面积的63.8%。主要分布于孙村、华源、华恒、协庄、泉沟、翟镇、良庄等大、中型煤矿开采区和汶河、沈村、禹村等小型煤矿开采区。累计沉陷深度一般1.6～5.3m，泉沟煤矿北部达到6.4m。其中，老采空区沉陷深度一般1.6～4.8m，近期采空区沉陷一般深度1.5～5.3m。本区建(构)筑物和农田等受影响严重，部份地段汛期出现严重积水现象。同时，由于以上煤矿开采区地形起伏较大，残丘地形发育，因而沉陷盆地形态多不规则。

(3)沉陷积水区

主要分布于协庄煤矿、良庄煤矿、孙村煤矿、翟镇煤矿等中—重度沉陷区，多位于自然地势低洼地带和近河流地带沉陷区，面积约0.554km2。由于沉陷区浅层地下水水位动态变化较大(年变幅3～5m)，因此，沉陷积水区多以季节性(汛期)主，积水区汛期积水深度一般1～2m，泉沟煤矿可达2～3m，累计积水时间一般4～6个月。由于农田积水，从而造成大量农作物绝产或减产。

2.2 地裂缝

主要分布于华源煤矿区缓坡丘陵地带，出露地层为古近系紫红色粉砂岩，第四系残坡积物厚度大多小于2m。该地带分布有11层煤近期采空区，长约1.1km，平均宽度0.22km，面积约0.242km2。采空区平均埋深650m，采高1.7m。2002年、2004年采空区相继发生地面沉陷，同时地面出现数条裂缝，目前仍依稀可辨地裂缝2条，延展方向近东西，长度约300 ～500m。

2.3 地面塌陷

主要分布于淞河煤矿、碗窑头煤矿、高佐煤矿等矿山浅部煤层采空区，发生于2004年以前。共发现塌陷坑20余个(大部已填平)，塌陷区地面非连续变形突显，平面形态多呈不规则圆形，直径一般2～4m，深度0.7～1.1m。塌陷坑多发生于农田内，造成的损失相对较大。

3 采空区地面变形影响因素

新泰市煤矿区除具有省内煤矿山共同的地面变形规律外，由于地质环境条件的差异性，煤层埋藏条件、地形及断层制约了各矿区地面沉陷、地面塌陷、地裂缝的生成与分布。

3.1 煤层埋藏条件

地面沉陷发生在煤层埋藏深度较大、上覆第四系较厚的地带，沉陷区多表现为宽缓的移动盆地。第四系厚度较薄或岩石裸露地带，沉陷通常引发伴生地裂缝，如禹村煤矿、放城煤矿区，古近系砾岩直接裸露于地表，地裂缝十分明显。而塌陷坑则多发生于具有一定厚度第四系分布的浅部煤层开采区，但规模一般较小。如永安矿、高佐煤矿、碗窑头煤矿区地面塌陷。

3.2 地形条件

新泰市煤矿区地形为剥蚀堆积山间平原，低矮缓丘发育，地面相对高差40～60m。因此，受矿区地形起伏影响，沉陷区移动盆地一般不甚明显，地面标高损失不易觉察。

3.3 断层影响

由于断层使其上、下盘岩层及结构面完整性、连续性遭到破坏，采空区上部岩层垮落时极易沿断层面形成滑动，从而使岩层正常条件下的移动影响边界终止于断层面，移动盆地的大小和位置因此而亦发生改变(图1)。新泰市煤矿区第四系厚度较薄，与省内第四系厚度较厚的其它煤矿区相比，反映到断层带上的地表变形更加剧烈。如2001年12月20日，翟镇煤矿7201上面推进320m，下面推进360m时，在穆家店村东地表出现一条与F19断层有关的地裂缝，长约240m，断层地面露头开采盘(下盘)较上盘下沉值显著增大，并在地表出现裂缝、台阶。由于7201上、下两工作面总长度较小(仅为330m)，使倾向方向达不到充分采动，地表最大下沉较小，因此，断层露头台阶表现为一倾斜面，尚未形成垂直位移现象。断层露头台阶裂缝的大小与开采移动变形值有关，由于断层露头的变形集中作用，使地表移动变形盆地的正常分布发生改变，在断层露头处的地表变形加剧，而断层露头外侧附近的地表变形则缓和，小于其正常变形值。据新泰市煤矿区有关监测研究资料，露头处产生的非连续变形值达正常开采移动变形值的6倍。断层倾角的大小影响台阶的产生，当断层倾角小于20度时，影响不明显，反之影响显著。此外，断层上盘煤层开采后，断距及采空区上部岩体的下沉速度控制了地面非连续变形规模和形式。断距越大、岩体下沉速度越快，地表越易形成台阶和地裂缝。

3.4 采空区顶板管理

新泰市煤矿采空区顶板管理办法多样，具有全冒落、条带冒落开采、刀采、水砂充填、矸石充填等，是全省应用最多的煤矿区。全冒落开采区地表易达到充分移动，主要影响范围及累计变形值大;矸石充填及条带冒落开采区，地面主要影响范围及累计变形值小，但沉陷不均匀;刀采区顶板岩石坚硬，不易冒落，因而地面基本无变形发生;水砂充填区，地面主要影响范围及累计变形值小，且沉陷均匀。

4 结束语

新泰煤田煤层埋藏条件复杂，较之省内济宁、滕州、肥城等煤田矿山开采区，地面变形形式多样，地面沉陷、地裂缝、地面塌陷均有分布。经综合分析，地质构造、地形地貌、煤层埋藏赋存特点以及采空区顶板管理办法是影响地面变形形式的重要因素。

［1］刘善军，常允新，刘玉让，等.山东省新泰市煤矿采空区调查评价报告［R］.济南:山东省地质环境监测总站2008，40－41，53－58.

1003－8035(2010)02－0133－03

P642.26

A

2010－01－08

2010－03－01

刘善军(1967—)，男，学士，高级工程师，从事水文地质环境地质及地质灾害勘查与研究。

E－mail:fengkeyin2006@126.com