唐山市采空塌陷调查及稳定性分析*

刘晓燕，李 忠，袁四化

(防灾科技学院， 河北三河市 065201)

0 引言

采空塌陷是指由于地下挖掘形成空间，造成上部岩土层在自重作用下失稳而引起的地面塌陷现象，其发生与煤层的赋存条件(如埋深、产状、厚度)和开采状况(层位、深度、围岩、边界条件)及自然环境(降雨、地震)等因素有关。一般来说，开采深度越大，变形扩展到地表的时间越长，地面变形越小;开采空间越大，地表变形越大，并逐步扩大形成比采空区更大的沉陷区(盆地)。采空塌陷是一种外生地质灾害，破坏耕地，降低土地质量，损坏地面建筑物，危及生命安全，给工农业生产带来严重威胁，并严重影响着生态环境。

唐山地区是我国重要的煤炭开采基地，开滦矿务局拥有上百年的开采历史。该区煤炭大多数产于石炭二叠系地层中，煤层埋藏较深，以地下开采为主［1］。由于该区自然地质条件及多年开采中人为因素的综合影响，造成唐山矿区地下采空区内没有足够的保安矿柱和各层采空区分布不均等原因，使得采空塌陷问题日益突出［2］。因此，对唐山矿区开展采空塌陷调查并分析采空区稳定性具有重要的现实意义。

1 采空区稳定性分析研究现状

对于采空区稳定性分析，目前应用较多的是有经典唯象学方法、力学方法和数值分析方法。力学方法主要有拱形冒落论和压力拱说，数值分析法主要有有限元、边界元、离散单元法、拉格朗日元法、非连续变形分析和流形元法等方法［3］。经典唯象方法具有代表性的是1954年波兰学者李特维尼申首先提出的开采沉陷的随机介质理论，后由我国学者发展成为概率积分法［4］。

近年来，随着信息技术的高速发展，一些新的数学理论和计算方法被用于稳定性评价，如人工神经网络方法［5］，将采空区稳定性问题看作一个非线性动力系统，利用“多输入－单输出”进行模式识别，是应用较为广泛的一种现代信息处理方法，但是在学习样本有限时精度无法保证;灰色系统理论在解决“小样本、贫信息和不确定”问题方面具有优势［6］，但当原始数据序列波动较大、信息过于分散时，该方法的预测精度将会大幅度降低;模糊数学理论采用隶属度描述事物的归属程度，结合层次分析法确定各因子的权重系数，建立相应的采空区稳定性模糊评判模型［7］，但在评价因素较多时，每一因素取得权重分配的值很小，预期效果将不理想;GIS技术具有很好的空间数据处理特征，尤其在空间图像处理、成果展示等方面表现优异，在老矿山采空区稳定性评价方面也有很好表现［8］;基于信息融合技术的采空区评价模型，对来自不同渠道的信息进行处理，以改善信息的质量，提高信息的精度，评价预测结果与实际情况吻合很好［9-10］;支持向量机方法在小样本情况下可以很好地模拟实际情况，具有较好的鲁棒性，在采空区地面塌陷预测方面获得很好应用［11］。

可以看出，目前对采空区稳定性评价方法多以现代信息处理技术为主，没有形成一个统一的标准。评价指标体系也存在多样化、不统一的问题，这给矿山采空区稳定性评价带来困难。

2 唐山市煤矿采空区塌陷特征

2.1 唐山市煤矿采空塌陷概况

目前唐山市有11座开滦集团所属煤矿和29座地方煤矿，煤田分布面积670多km2，主要分布在路南区、路北区、古冶区、开平区、丰南区、丰润区及玉田县境内(见图1)，所属构造单元主要为开平向斜、荆各庄向斜及林南仓向斜。除开平向斜西北冀的煤层出露地表外，其它煤层均隐伏于第四系地层之下50～500 m，煤层埋深一般为100～1000 m。煤炭开采方式主要为地下开采，煤炭大量开采使采空区顶板失去支撑，原有的断裂、裂缝进一步扩展，造成顶板岩石断裂、冒落，引起地表裂隙、沉陷、坍落，最终发展成地面塌陷。塌陷区一般具有以下特点:塌陷坑深、塌陷坑面积大、塌陷时代久远，除此之外，塌陷坑所处位置一般为人口稠密区。

图1 唐山开滦煤矿采空塌陷区分布

据调查，唐山地区煤炭开采造成的采空塌陷共35处，其中仅市区就多达14处，占总塌陷的40%。塌陷规模为巨型的有4处，为大庄坨采空塌陷、刘庄塌陷、西白道子塌陷及荆各庄煤矿采空塌陷，总面积超过60 km2。与前人研究的1995～2004年间采空塌陷造成的重度危害区的分布:路南区女织寨－开平区栗园一带、开平－古冶区－大庄坨－卑家店－范各庄一带有较大重叠之处［12］。本次调查塌陷为大型的有7处，中型的3处，小型19处。据不完全统计，直接经济损失超过2.6亿。

在开平区，赵各庄村至古楼庄村塌陷地裂缝造成津唐高速路面产生相距约18 m的两条裂缝，古楼庄有47户居民房屋严重开裂，地面变形突出。在南湖地区，唐山煤矿采空区地面塌陷导致地表积水坑9处，积水和严重变形面积约9.48 km2;因煤矿塌陷导致地裂缝，使农田开裂错落，错断地下水管;穿越铁路、公路，使路基形成陡坎;跨越河流，使河床变宽，形成蛇曲弯;民房开裂、变形乃至倒塌;货运铁路专线严重变形等地质灾害现象。在马家沟煤矿采空塌陷区域，包括开平及洼里煤矿一带，该区域有陡吕铁路通过及高压线跨越，有的高压线塔附近出现裂缝、且裂缝在缓慢加宽。在开滦赵矿采区及南、北窑沟地方煤矿采空区域因塌陷对碱厂及鞠家岭的输水管道构成影响;西白道子采空塌陷造成西白道子整个村房屋开裂，部分房屋开裂严重。

2.2 唐山市煤矿采空塌陷InSAR动态监测特征

InSAR(Interferometric synthetic aperture radar，InSAR)是一种近年来发展较快，应用较广的技术。在地面沉降、断裂探测、地震活动等诸多领域均有很好的应用。本次调查利用该技术对唐山地区的地面沉降实施了动态监测，从2004.11～2010.10监测结果上看(见图2)，该区地面沉降变形是一个非常缓慢但持续的过程，较强烈的变形区与唐山主要煤矿的分布呈现对应关系，这与已采或正在开采的煤矿采空区致使的上覆岩体正在达到新的应力平衡有一定关系。其中唐山矿、马家沟矿沉降显著，最大处平均可约达26 mm/a，这可能与该区断裂展布有关。而煤矿区之外的地面沉降变形较为强烈的地区可能与唐山地区发育的其他自然灾害种类有关，在此不做讨论。

图2 2004.11～2010.10年唐山市沉降速率

3 唐山市采空区稳定性分析

唐山包含煤矿较多，涉及的采空区面积较大，目前关于全面的采空区稳定性分析及治理方面的文献报道较少，相关的报道多集中在采矿引发的地质灾害、治理措施、煤层开采程度等方面。例如，有关赵各庄煤矿的开采现状及该矿采空沉陷区地质灾害发育及成灾机理等［13］。

3.1 采空塌陷沉陷规律

地下采煤破坏了岩体内原有的应力平衡状态，在重力作用下，岩体产生了变形和移动。开采实践证明，采煤方法和顶板管理方法是影响围岩应力变化、岩层移动、覆岩破坏的主要因素。用落垛采煤法采煤时，容易造成由于煤柱的抽冒引起地表形成塌陷坑的非连续性破坏。尤其是这种采煤方法容易造成顶板冒落不实，在采空区内形成较大的空洞。这种空洞有时在没有新的外力作用下可以保留很长的时间。调查显示，唐山矿区地表沉陷开始时间一般在闭坑后8个月左右，之后进入塌陷期，这个过程大约持续2～3 a时间，地表方趋于稳定。

唐山地区的主要矿井仍在开采，但各矿区停采煤矿已达40～70 a不等，部分矿区地下岩层发生倒转，倾向西北，且近直立状。附近采空区多分布在西南侧，地下临空面与岩层倾向相背，此处的采空塌陷波及范围应与采空区的边界相当。近几年周边地区没有发生地面不均匀沉降现象。特别是经过1976年唐山大地震，岩层内部空隙得到重新耦合，应力达到新的平衡，地表已稳定。

根据过去对唐山矿开采方法的了解以及对该区下方9、10、11地质剖面图部分煤层采掘工程平面图的分析，该处的开采方法主要是采用局部落垛采煤法。鉴于回采时间久，不会再有大的沉陷，更不会产生非连续性的破坏。存在的下沉是类似本溪煤矿的极轻微的残余下沉。

3.2 采空区稳定性分析

根据我国多年来对岩体和地表移动规律的研究和实践，一般在下列条件之一的情况下，地面才可能出现突然沉陷:在浅部煤层开采时，煤层采空区上覆岩层的垮落带波及到地表的情况下，突然下沉将不可避免地发生;在开采浅部急倾斜煤层时，尤其是当煤层的顶底板岩层的硬度较大，而煤层的硬度相对较小的情况下，有可能发生煤层的抽冒;当抽冒波及到地表时，则在煤层露头处的地表位置将发生突然下沉;在岩体内部存在有大断层构造的条件下，当煤层开采波及到这个断层时，由于断层面是一个软弱面，断层带的破碎岩石沿断层面向下滑落，则在断层露头处的地表有可能发生突然下沉。

3.3 地震对老采空区的影响分析

对于地震对老采空区地面下沉的影响，目前还没有实测资料。但从理论上分析，对于采空区上方岩体在没有压实的情况下，经过地震的作用，可以加快岩体的压实过程，使得原采空区围岩应力处于新平衡状态。调查显示，1976年唐山7.8级大地震对井下巷道等构筑物破坏很小，地面也没有出现突发性的震害，这从一个侧面说明了评估区内老采空区的分布范围及规模不大，对地层稳定性影响不大。

4 结论与建议

(1)唐山煤矿采空塌陷的发生，与自然和人为多种诱发因素相关。现场调查和InSAR动态监测结果显示，唐山地面变形是一个缓慢但持续的过程，强烈变形区与煤矿分布区有一定的对应关系。较为严重的采空塌陷主要分布在唐山市中南部京山铁路两侧以及荆各庄、范各庄、吕家坨等地，具有分布面积广、规模大、人员伤亡小、经济损失较大等特点。

(2)唐山的主要煤矿开采历史久远，除主采区仍在开采外，大部分已闭坑40～70 a，地表下沉一般开始于闭坑8个月左右，塌陷期持续2～3 a，地表方趋于稳定。尤其唐山大地震之后，岩层内部空隙得到重新耦合，内部应力达到新的平衡，使得地表渐趋稳定，不会造成大面积的沉陷，更不会产生非连续性的地表破坏。

(3)建议加强地球物理探测及地质灾害监测与采空区危险性评估工作，对直接威胁居民安全的采空塌陷危险性大的隐患点，采取搬迁避让措施，以减少人民生命财产损失。

［1］唐山市国土资源局.唐山市矿产资源及开发利用汇编［R］.唐山:国土资源局，2004，12.

［2］田宝柱，陈婷婷.唐山市矿山采空塌陷现状与治理对策分析［C］//2012工程和商业管理国际学术会议论文集.2012:1636-1638.

［3］寇向宇，贾明涛，王李管，等.基于 CMS及 DIMINE—FLAC3D耦合技术的采空区稳定性分析与评价［J］.矿业工程研究，2010，25(1):31-35.

［4］LIU Hong，HU Qian－ting，WANG Jin－an.Analysis on stability of pillar and stiff roof system in the gob area［J］.Journal of Coal:English，2009，15(2):206-209.

［5］唐胜利，唐 皓，郭 辉.基于BP神经网络的空洞型采空区稳定性评价研究［J］.西安科技大学学报，2012，32(2):234-239.

［6］薛希龙，王新民，刘 奇，等.基于AHP－灰色聚类模型的采空区危险性分析研究［J］.湖南科技大学学报:自然科学版，2011，26(2):5-10.

［7］王新民，谢盛青，张钦礼.基于模糊数学综合评判的采空区稳定性分析［J］.昆明理工大学学报:理工版，2010，35(1):9-13.

［8］王 晖，杨为民，王 兵.基于GIS技术的煤矿采空区地表塌陷危险性评判［J］.煤炭工程，2008(9):119-123.

［9］李 忠，张德强，张进德，等.基于信息融合的煤矿采空区稳定性评价模型研究［J］.矿业研究与开发，2008，28(6):16-18.

［10］李 军，李 忠.老矿区地表岩层稳定性评价的数据融合方法［J］.煤炭科学技术，2009，37(8):116-119.

［11］佴 磊，彭 文，袁明哲，等.基于经验模态分解和加权最小二乘支持向量机的采空区地面塌陷预测［J］.吉林大学学报:地球科学版，2011，41(3):799-805.

［12］魏风华.河北省唐山市地质灾害风险区划研究［D］.北京:中国地质大学，2006:111-115.

［13］孙 娟，贡常青，郝文辉，等.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［J］.中国地质灾害与防治学报，2011，22(3):49-56.