河北唐山开滦赵各庄煤矿采空区地质灾害特征及防治措施

孙 娟 ，贡常青，郝文辉，任改娟，王慧聪

（河北省地矿局秦皇岛矿产水文工程地质大队，河北 秦 皇岛 0 66000）

0 引言

唐山开滦赵各庄煤矿区内资源丰富，煤质优良，已有百年的开采历史。采煤沉陷区地面破碎，地裂缝、错落、凹陷十分发育，以地面塌陷、地裂缝（山体裂缝）为主的地质灾害破坏房屋、耕地，危害居民安全，制约当地经济发展，影响矿区社会稳定。

根据调查，自从煤矿开采至今，矿区南部地面下沉约2～4m，局部产生地面塌陷、地裂缝，主要分布于西赵各庄至白道子村一带，形成西赵各庄与白道子塌陷积水坑。矿区北部沿山体采石场采面随处可见，山体局部开采破坏严重，废石、弃土沿山坡处堆积，给当地原始地形地貌及生态环境造成严重影响，区内地形地貌破坏严重。

1 矿山基本情况

1.1 矿区自然及地质环境

赵各庄井田位于河北省唐山市东北古冶区，属暖温带季风气候类型，季风明显，四季分明，具有春季干燥少雨，夏季炎热多雨，秋季凉爽湿润，冬季寒冷多风的气候特点。1月平均气温 -6.3℃，7月平均气温25.4℃，多年平均气温10.8℃（1957～2008年）。多年平均降水量606.4mm。降水多集中在6～8月份，此间降水量约占全年总降水量的70％ ～80％［1］。

赵各庄井田位于开平向斜转折端。由西往北而东，呈弧形弯曲。地势总体来说北高南低，北部为低山丘陵区，南部为山前倾斜台地（波状平原）。区内地层受开平向斜控制，开平含煤盆地地层由老至新，有中上元古界蓟县系、青白口系；古生界前寒武系、寒武—奥陶系、中、上石炭统、二叠系和新生界第四系等。本区地处燕山台褶带马兰峪复背斜开滦台凹东部，燕山运动奠定了区域构造格局，塑成了区域主要构造骨架；区内褶皱构造主要为开平向斜及其次级构造。断裂构造主要是唐山断裂，徐家楼断裂及北部低山区的磨石板断层和域山断层，赵各庄附近基岩地质图见图1。

1.2 矿山开采历史及现状

唐山开滦赵各庄矿业有限公司原名开滦赵各庄矿，1999年改组为开滦（集团）赵各庄矿业有限责任公司，2009年改称为唐山开滦赵各庄矿业有限公司。赵各庄矿于1909年2月14日开始凿井，1910年1月14日出煤。煤炭产量最低的年份是1912年，当年产量27.6×104t；1975年是赵各庄矿煤炭产量最高的年份，达到421.5×104t。

图1 赵各庄附近基岩地质图Fig.1 Bedrock geological map near Zhaogezhuang

赵各庄矿井生产主要集中在十三水平（-1100m）：十三水平（-1100m）东翼3石门为7煤层生产区域；西翼2、3、4、5石门为9、12煤层生产区域。十三水平东翼电车道开拓施工已结束，西翼电车道施工至最后一个石门——8石门。开拓水平为十四水平，正在施工井底车场和水平大巷（已完成3000m），矿山开拓系统立体示意图见图2。

图2 矿山开拓系统立体示意图Fig.2 Three-dimensional diagram of mine development system

1.3 矿体（层）地质特征

赵各庄井田含煤岩系由石炭～二叠系组成。含煤岩系的底界为G层铝土岩，顶界为A层铝土岩，即煤层赋存于本溪组、太原组下段、太原组上段、山西组和下石盒子组。

通过对十水平及其以下各勘探工程及巷道工程共148个揭露点资料的综合整理与统计，含煤岩系厚度在纵向上和横向上变化均比较小。厚度最小401.2m，最大507.8m，一般458.03m。可采含煤岩系（5煤层顶板 ～12煤层底板）厚度最小109.19m，最大140.39m，一般125.71m，共含煤18层。其中有可采及局部可采煤层共 6 层（5、7、9、11、121、122（西翼121、122合层称12煤层）煤层），平均总厚度20.90m，占含煤岩系总厚的4.56％，占可采含煤岩系总厚度的16.62％。

煤层垂向分布与浅部相同，主要可采煤层集中于含煤岩系中部石炭系上统的太原组上段及二叠系下统的山西组。第5、7、9、11煤层在全井田范围内都有发育；第12煤层在东翼1道半石门以东分为两层，即121和122煤层。参与储量估算的煤层最小埋深781.1m，最大埋深1254m。

2 矿山主要地质灾害

矿山采空沉陷区内地面塌陷、地裂缝（山体裂缝）地质灾害发育，矿区北部低山其他矿山开采石灰石矿、石料采掘活动强烈，山体破坏严重，存在崩塌、滑坡地质灾害。

2.1 采空区分布情况

矿山开采已有百年历史，矿区东翼2002年10水平以上开采基本结束。2000～2010年矿山正在开采12～14水平，西翼主要在西白道子 ～东白道子北部一线，东翼主要在矸石场西侧、南侧一线（表1）。截止目前，矿区内采空区面积约10.02km2，其中东翼约5.54 km2，西翼约4.48km2，采深在 80 ～1250m。

2.2 采空沉陷区地质灾害发育特征

赵各庄矿采空区引起的地质灾害主要为地面塌陷、地裂缝（山体裂缝）地质灾害，其给当地村民生产生活的影响主要为：村庄搬迁，村庄房屋开裂、倒塌，村庄自来水管线断裂、漏水，耕地塌陷、开裂、雨季积水和长期积水，道路变形开裂以及上下错台，破坏输电线路等情况。

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表1 赵各庄矿生产水平接替情况一览表Table 1 List for replacement level of zhaogezhuang production conditions

通过地质环境调查与访问，采空沉陷区波及范围约22.33km2（图3）。沉陷区内不同时期均出现过不同程度的地面沉降、塌陷，据矿山监测资料，自1976年地震后至2004年，根据无水庄、黄坨、王辇庄、小梁山、狮子湾、巍山和小黑山观测站资料，赵各庄矿范围内于地震前后的地表升降规律为：西北部地表上升70～399mm，平均 234mm；东南部地表下降 50～249mm。水平位移：西北部为NE方向，平均232mm，东南部为SE方向，平均113mm。

综上调查分析，矿山沉陷区范围内存在地面塌陷、地裂缝（山体裂缝）地质灾害；地面塌陷主要分布在矿区西翼采区，包括东白道子塌陷坑、西赵各庄大坑及目前已填平的山前小煤窑开采区域小塌陷坑；地裂缝（山体裂缝）主要分布于沉陷区边缘，山体裂缝分布于矿区西北长山一带，地裂缝分布于沉陷区东南边缘地带（图4）。

区内受影响的村庄主要分布于矿山近年来开采波及区，包括古冶西街、小古庄、东白道子、西白道子、崔尹庄等村庄。同时在小古庄—东白道子—崔尹庄北侧产生2个塌陷坑，不同阶段沉陷在塌陷坑的基础上形成东白道子大坑及西赵各庄大坑；山前煤层露头处曾出现过地面塌陷、地裂缝（山体裂缝）地质灾害。受沉陷区地质灾害影响村庄主要为包括古冶西街、小古庄、东白道子、西白道子、崔尹庄等，村中房屋受到不同程度损坏，对村民生活产生严重影响（表2）；区内道路、供水管线、电力设施均出现不同程度的损坏；区内耕地严重受地面沉降变形影响在东白道子村北大坑、西赵各庄西南大坑附近，雨季坑体附近耕地被水淹没，致使该带耕地绝产；其他地段耕地一般仍可以耕种，但对产量造成影响。采空沉陷区地质灾害直接经济损失、威胁人数多，危害程度为特大级别，危害程度严重。

表2 沉陷区范围内房屋损害情况一览表Table 2 List of housing dam age in subsidence within

2.3 采空沉陷区地质灾害成因机制

地下煤层的采出，使岩体的原始力学平衡受到破坏，煤层上覆岩层将产生移动、变形与破坏，上覆岩层由下而上依次发生垮落、断裂、裂隙、离层、弯曲等不同的移动与破坏现象，随着时间的推移，采空区上方岩体变形、塌落范围增大，反映到地表出现地面塌陷、地裂缝（山体裂缝），并且塌陷和裂缝随着岩体的变形、塌落随之向外延展，直至整个岩土体达到新的应力平衡。当移动变形稳定后，岩体大致分为垮落带、裂隙带、弯曲带“三带”。

图3 采空区分布图Fig.3 Goaf distribution

当开采影响波及到地表以后，地表从原来的标高向下沉降，从而在采空区上方形成一个比采空区面积大的多的沉陷区域，称地表沉陷区。地表沉陷区边缘拉伸变形区域可能产生地裂缝，地表裂缝一般平行于工作面的边界发展，但在工作面推进前方地表也可能出现垂直工作面推进方向的裂缝，这种裂缝一般深度和宽度较小，工作面推进后逐渐闭合。在采深较小或采厚较大时，覆岩破坏高度到达或接近地表时，地面将产生漏斗状塌陷坑［4］。

矿区西翼逆冲推覆构造区、急倾斜区岩层产状陡峭、直立或倒转，上覆第四系厚度一般小于10m，本区地面塌陷沿煤层开采方向（走向）呈条带状分布，塌陷带朝倾向方向偏移，岩层越陡，偏移量越大，地面变形值越大，地面裂缝就比较发育。调查表明在大笪庄村北至白道子风井一带煤层露头处受小煤窑复采影响，沿线曾出现多处地面塌陷，同时南侧发育有地裂缝，北侧发育有山体裂缝。

矿区西赵各庄西南至西白道子一带，第四系厚度在20m左右，其采煤地面塌陷呈椭圆形或近圆形塌陷坑，范围较大，地面变形相对较小，且缓慢、较均匀，地面裂缝较发育。调查表明区内发育地面塌陷2处，东白道子大坑和西赵各庄大坑，均为地面塌陷所致；沉陷区南侧地裂缝较发育，造成小古庄、东白道子、西白道子等村庄房屋开裂、倒塌等情况。

图4 采空沉陷区地质灾害分布图Fig.4 Geology hazard distribution for goaf subsidence

3 地质灾害现状分区评估

根据矿山地质灾害发育、分布特征，成因机制及区内地质灾害危害特征，遵循以人为本、以工程建设安全为本，“区内相似，区际相异”的原则，各阶段评估取其重的原则［5］，对评估区内进行地质灾害危险性分区（图5）。

图5 地质灾害危险性分区图Fig.5 Geological hazard risk zoning m ap

地质灾害危险性大区：分布于评估区内矿区的西翼和东翼南部地段，面积约14.7km2。其中西翼北部低山区山体裂缝地质灾害发育，存在崩塌、滑坡地质灾害隐患，面积约3.76km2；南部山前倾斜台地区地裂缝、地面塌陷地质灾害发育，面积约7.78km2，造成南部地段房屋裂缝发育，耕地绝产、减产，危害严重。东翼山前倾斜台地区地面沉降、地裂缝发育，面积约3.16km2，造成房屋裂缝及耕地绝产、减产危害严重。

地质灾害危险性中等区：分布于评估区内矿区东翼北侧和西翼东北角地段，面积约9.36km2，区内采空区形成年代均为2000年以前，最早的采空区形成于解放前，采空区形成年代较早，初步认为区内地表变形基本结束。该区域仅以往出现过地面沉降、地裂缝等地质灾害，目前调查未发现地面塌陷、地裂缝及房屋裂缝等情况，地质灾害危险性中等。

地质灾害危险性小区：分布于评估区内井口保护煤柱区及采空区波及范围以外地段，面积约8.94km2。区内基本未受矿山矿业活动影响，调查未发现地面塌陷、地裂缝等地质灾害。

4 地质灾害防治措施

（1）地面塌陷、地裂缝（山体裂缝）防治措施

地面塌陷、地裂缝主要分布于矿区西翼山前倾斜台地区，在耕地中发育，春季局部显现。应该仔细分析矿区地面塌陷产生的原因及相互关系，充分认识其规律性，利用规律有效地作好防治工作。较常采用的治理方案是充填复垦法，利用矿区附近的尾矿、煤矸石、粉煤灰、露天矿剥离物等可利用的充填材料充填采空塌陷地复田。地裂缝治理前，首先应调查其几何特征、成因，对于采空区地裂缝，治理方法较多，如采用尾矿石回填、灌注浆等。矿山应加强监测工作，设置监测点，密切注意地裂缝的发展动向［6］。

（2）崩塌、滑坡防治措施

崩塌、滑坡分布于矿区北部低山区，主要由区内采石场边坡产生，矿山应与采石场联合监测。

防治崩塌通常的措施有：修筑拦挡建筑物、进行支撑与坡面防护、锚固、灌浆加固、输干岸坡与排水防渗、软基加固、削坡、清除危岩、加固山坡和路堑边坡及路线绕避等［7］。

对于滑坡的治理方法主要是采取支挡、锚固、加固边坡、改变滑体外型及输排地表、地下水等措施以防治滑坡，但对及其危险的滑体，通过改变边坡形状即降低边坡高度或放缓边坡角，削坡减载，永久性地改变边坡岩体内的应力状态，通常是保持边坡稳定性的最简便方法。

5 结论

我国煤矿分布广、户数多、规模大小多样化，由于技术、管理及效益等原因的影响，资源开发中引起的地质灾害相当严重，给矿区的人民生命财产安全带来了严重影响。因此，加强矿山地质灾害监测工作，合理有效的利用资源、保护煤矿环境，因地制宜综合防治，实现煤矿的可持续发展，是一个非常重要的问题。

［1］辽宁工程技术大学采矿损害与控制工程研究中心，开滦（集团）有限责任公司.河北省开滦矿区采煤沉陷情况报告 ［R］.2004：1-77.Liaoning Technical University Mining Damage and Control Engineering Research Center，Kailuan（Group） Limited Liability Company.Hebei province Kailuan Mine Coal mining subsidence report［R］.2004：1-77.

［2］开滦（集团）有限责任公司.河北省开滦矿区采煤沉陷区受损情况报告［R］.2004.Kailuan（Group） Limited Liability Company.Hebei province Kailuan Mine Coal mining subsidence damaged report［R］.2004.

［3］中国矿业大学（北京）.唐山开滦赵各庄矿业有限公司矿井地质报告（1999-2008）［R］.2008：1-143.China University Of Mining and Technology（Beijing）.Tangshan Kailuan Zhaogezhuang Mining Limited Company Mine geological report（1999-2008）［R］.2008：1-143.

［4］赵允辉，谢应强.广西新洲矿采空区塌陷的成因与机理探讨［J］.中国地质灾害与防治学报，1997（S1）：196-203.ZHAO Yunhui，XIE Yingqiang.Causes and mechanism of gob collapse in Guangxi Xinzhou mine［J］.The Chinese Journal of Geological Hazard and Control.1997（S1）：196-203.

［5］周皎，张成，等.四川内江市地质灾害危险性分区评价［J］.四川地质学报，2009（1）：62-65.ZHOU Jiao，ZHANG Cheng，et al.Geological hazard risk evaluation in Neijiang city，Sichuan province［J］.Acta Geologica Sichuan，2009（1）：62-65.

［6］张琦，王文武，王生志，等.辽宁省主要矿山地质灾害及防治对策探讨［J］.化工矿产地质，2004（1）：6-10.ZHANG Qi，WANG Wenwu，WANG Shengzhi，et al.Discussion about geological hazards of maim mine and proventing and caring countermeasure in Liaoning province［J］.Geology of Chemical Minerals，2004（1）：6-10.

［7］王亚军，王亚民，朱宏斌.河北省平山县大柳村崩塌地质灾害治理设计［J］.中国地质灾害与防治学报，2009（4）：7-12.WANG Yajun，WANG Yamin，ZHU Hongbin.The designing about geological disaster of rock fall treatment work in Daliushu Village of Pingshan County，Hebei Province［J］.The chinese journal of geological hazard and control，2009（4）：6-10.