吉林省靖宇县地裂缝成因分析及危险性预测

刘永贵，李广杰，马晓艳，于成龙，王长江

（1.吉林大学建设工程学院，吉林长春 130000；2.中国建筑材料工业地质勘查中心吉林总队，吉林长春 130033）

0 前言

2008年10月份，吉林省靖宇县三道湖镇马当村出现了四条延伸近几十米的地裂缝，造成了耕地的破坏，部分居民房屋开裂，给当地人民的正常生产生活造成了较大的影响。当地政府对此非常重视，委托地质灾害勘查单位进行了调查评价工作。

地裂缝是在内外力作用下岩石和土层发生变形，当力的作用与积累超过岩土层内部的结合力时，岩土层发生破裂，其连续性遭到破坏，形成裂隙［1］。经野外现场调查和室内分析，马当村地裂缝是由于吉林省杉松岗矿业集团龙马煤矿的地下开采的采空区引起地面沉降从而导致地表的岩土体开裂而形成地裂缝。

1 评价区地质环境概况

1.1 自然地理

评价区属亚寒带大陆性气候，四季分明，春季温度变化大，多偏西风，夏季较短，湿度大，冬季长而寒冷。全年平均气温2.4℃，最高气温33.5℃，最低气温-42.2℃；全年平均降水量767.3mm，最大降水量1191.5mm，以7、8月份降水量集中，最大月降水量为135.7 mm。该区每年一般在10月下旬降雪，其中11、12月份为最大降雪期，而11月初开始封冻，翌年4月中旬开始解冻。最大冻土深度1.8m，无霜期116d。

评价区内地形为玄武岩熔岩台地，海拔标高最高为617.08m，最低406m，相对高差211.08m；玄武岩台地标高510～567m。

1.2 地层概况

区内大部分为第四系玄武岩覆盖，钻孔所见地层有太古界、中生界及新生界地层。

太古界鞍山群构成中生界沉积盆地的基底，其岩性主要为花岗片麻岩。

中生界侏罗系中统以紫红色粉砂岩为主，夹有黄绿色粉砂岩和泥灰岩透镜体，底部为杂色砾岩，厚度100m左右。侏罗系上统主要由中性火山碎屑岩、粉砂岩、凝灰岩及煤层组成。

新生界白头山玄武岩覆盖地表：暗灰～灰黑色，具有多次喷发堆积，夹1～3层火山渣，每次喷发期的上部具气孔状，下部致密，柱状节理，底部为5～10m厚的砂砾层，分布在松花江两岸。以角度不整合关系覆盖各地层之上，厚度50～110m。

1.3 地下水

区内地下水类型主要是第四系松散岩类孔隙水，玄武岩孔洞裂隙水，基岩裂隙水。

1.4 矿山开采方式

矿山1999年投产，经过多年开采，累计采出原煤680.4kt。井田规模为走向长1.2km，倾向长1.3 km井田面积1.56 km2。

矿井生产能力为在+250m标高以上150 kt/a，+250 m标高以下设计生产能力为300 kt/a，三班作业。

煤田开采方式为走向长壁工作面后退式开采（走向边界开切眼向主副井筒方向推进），顶板管理为全陷落法。上下煤层间先采上部煤层，后采下部煤层。同一煤层间，先采上部后采下部。采煤工作面长150m，日循环5次，日进度81.25m，年推进度975m。

2 地裂缝发育现状及成因分析

2.1 地裂隙发育现状

地表地裂缝总体呈北北西向近平行排列。

地裂缝出现顺序为自西向东，与煤矿开采推进方向相同，发育规律是自西向东宽度逐渐变窄，但长度增加且连续性增加，裂缝宽度0.2～2.0m（照片1、图1）。

照片1 马当村地裂缝

当地民用水井由于煤矿的开采，水位下降，已无法供水。临近地裂缝的房屋发生了开裂现象，宽度在几到十几厘米之间。发生开裂的房屋排列与地裂缝近平行。

2.2 地裂隙成因分析及稳定性初步评价

龙马煤矿经多年的开采，在西部形成了较大的采空区，采空区的塌陷引起了地表的移动变形。采空区上覆岩层主要为坚硬岩层，抗压强度普遍大于100MPa。采空区上覆岩层顶板岩石主要为硬质岩石，抗压强度一般大于50MPa。

根据采空区上覆岩层力学性质，可知：

走向移动角：δ=70°～75°

下山移动角：β=δ-（0.6～0.7）α

取走向移动角δ=73°，得到β=60°

以采深采厚比等于60为界，沿下山移动角延伸到地表处，此处即为地面塌陷弯曲带边缘。因此可以判定，马当村地裂缝是由龙马煤矿采空区地面塌陷所引起的。马当村地裂缝位于龙马煤矿地面塌陷弯曲带边缘上，位于变形量是最大的部位。该地裂缝目前处于活跃期，是地表移动活动强度最大的时期。

3 地裂缝发展趋势预测

3.1 基本参数的确定

q=0.5（0.9+P）

P=miQi/mi

式中：mi——覆岩第i分层的法线厚度；

Qi——覆岩第i分层的岩性评价系数，从《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》查表得到。

龙马煤矿为三层煤重复采动，求得q=0.8，

②开采影响传播角θ

煤层平均倾角为22°，开采影响传播角

θ=90°-0.68α =75°

③水平移动系数bc

开采水平煤层时b=0.3，开采倾斜煤层时

bc=b（1+0.0086α）=0.3568

④是否充分采动区的判定

幼儿自出生起，与父母或养育者朝夕相处，建立了牢固的依恋关系，这种依恋构筑了幼儿安全感的基础。而入园是一直生活在家人关爱中的幼儿第一次与其分离，这种分离类似于第一次断乳，使幼儿紧张、不安、焦躁，从而产生了入园不适症。

采区上覆岩层为坚硬岩层，用回采区长度或宽度按开采影响传播角向地面投影长度Lθ与平均采深H0来判断是否充分采动［2］。

Lθ/H0≤1.2 非充分采动

Lθ/H0＞1.2 充分采动

经计算，龙马煤矿Lθ/H0=3.519，为超充分采动。

3.2 地表移动和变形

根据目前采空区范围，以采深采厚比值60为界，地面塌陷稳定后，计算出地表最大下沉值和水平位移值如下：

（1）最大下沉值Wcm=q×M×cosα=3.13m

（2）最大水平位移值Ucm=b×Wcm=1.116m

（3）地表移动时间

图1 地裂缝地质剖面图

采空区地面塌陷是与地表变形的时间影响参数相关的［3］。本次地表移动时间计算采用经验公式：

T=2.5H0=588（d）

式中：H0——平均采深，移动时间单位为d。

地下煤层完全采空后，地表移动延续时间预计为588d。

3.3 地裂缝发展趋势预测

目前地裂缝处于采深采厚比60的采空区影响地表边缘带，虽然地下现在的采区的采厚比已大于60，但采空塌陷发展到地表有一个滞后期，地裂缝目前处于活跃期，应该是地表表现最强烈的时期。从地裂缝自西向东的裂缝宽度逐减，以及采矿深度越来越深，采深采厚比将越来越大，判断开采引发地面出现裂缝的可能性越来越小，随着开采向东部采区深度的增加，地裂缝将逐渐趋于稳定。

4 防治措施及建议

地裂缝的防治应当在开采过程中加强监测，并结合当地条件，充分利用有利条件，进行经济合理的治理［4］。根据马当村地裂缝实际调研情况，结合龙马煤矿地形、地质条件及地面塌陷和现状地裂缝情况，为避免或减少马当村地裂缝地质灾害给当地耕地、建筑及人身生命财产带来的危害，提出如下防治建议。

（1）采取充填法处理裂缝以继续农田耕种

地面塌陷形成的地裂缝发展深度较浅，并有上宽下窄的特点。因此，可以采用对已发生的地裂缝进行充填的方法，来确保农田继续耕种。

（2）建筑物的处理措施

在地面塌陷和地裂缝的影响范围内，新建建筑物应采用圈梁、地梁结构，以防止房屋由地面塌陷或地裂缝引起的变形或破坏；对已发生变形或破坏的既有建筑物，对其变形或破坏程度进行分析，采取合理的加固措施，可达到较好的治理效果，可有效避免、减小建筑物的变形或破坏。

（3）进行地表移动简易观测或设置地表移动观测站

为详细了解地面塌陷和地裂缝今后的发展、变形和移动情况，应在相应位置设置地表移动观测站，定期观测，详细了解地面塌陷和地裂缝的动态发展，从而更好地做好上述地质灾害危害的防治工作。

（4）由于各种因素的影响，地表变形具有不确定性，难以准确预计其变形量，根据目前资料及现场调查认为地裂缝未来发展应趋于平稳，不会发生急剧的变化，现阶段应做好地裂缝的监测工作。为确保当地人们正常的生产生活秩序，当地国土部门应派专人定期对地面塌陷及地裂缝发展趋势进行观测，并对采矿权人加强管理，要求其在开采过程中作好监测工作，以便采取有效措施加以防治和治理。通过以上手段将资源开发经济发展与环境保护工作有序的结合起来。

［1］赵忠海.北京地区地裂缝灾害的分布特征及其成因探讨［J］.地质灾害与环境保护，2006，17（3）：75-78.

［2］郭文兵，柴华彬.煤矿开采损害与保护［M］.北京：煤炭工业出版社.2008.

［3］穆满根.采空区地表移动变形的时间影响参数［J］.中国地质灾害与防治学报，2009，20（3）：56-58.

［4］李守贤，陈荣华，申俊.郴州华塘煤矿采空区地面塌陷的影响因素及防治措施探讨［J］.地质灾害与环境保护，2007，18（3）：19-22.