榆神矿区大砭窑煤矿地面塌陷与地裂缝发育规律*

彭 捷 李永红 刘海南 向茂西 姚超伟 杜江丽 仵拨云

（陕西省地质环境监测总站，陕西省西安市，710054）

榆神矿区大砭窑煤矿地面塌陷与地裂缝发育规律*

彭 捷 李永红 刘海南 向茂西 姚超伟 杜江丽 仵拨云

（陕西省地质环境监测总站，陕西省西安市，710054）

调查了榆神矿区大砭窑煤矿地面塌陷及地裂缝现状，以煤矿开采的历史、区域地质概况及煤层开采情况为背景论述并总结了采空区分布范围、地面塌陷和地裂缝分布特征。研究了大砭窑煤矿以房柱式开采和机械综采两种不同开采方式引发地面塌陷和地裂缝的展布规律，并将矿区划分为高、中两个易发区。根据地质灾害易发程度和区内地质灾害点险情等级，将矿区划分为地质灾害高危险区和低危险区。

地面塌陷 地裂缝 高强度采煤 榆神矿区 大砭窑煤矿

煤炭资源集中连片开采会导致地面塌陷、地裂缝、泉水干涸及河流断流，且开采强度与地质灾害发育程度具有明显的关系。榆神矿区地处毛乌素沙漠与陕北黄土高原的交接地带，干旱少雨、风沙大、植被覆盖率低、水土流失严重，地质环境脆弱。随着煤炭资源的大规模持续开采，矿区范围内形成了大面积的地下采空区，诱发产生了地面塌陷及地裂缝等地质灾害，造成了地表建筑物破坏，土地资源、林地资源、地质地貌景观破坏以及地下水、地表水资源污染破坏等严重问题。因此，选取典型矿区大砭窑煤矿，研究其地面塌陷及地裂缝的发育特征，为矿区居民安全搬迁避让及矿山地质环境恢复治理提供参考。

1　煤炭资源开发现状

神木县位于陕西省北部，地处神府—东胜煤田腹地，面积7635 km2，矿产资源主要以煤炭资源为主，全县含煤面积达4500 km2，占全县总面积59%。根据相关资料和实地调查，神木县目前共有煤矿企业117个，主要分布在大柳塔镇、孙家岔镇、店塔镇等。长期的煤炭资源开发和特殊的气候条件、地理条件、地表物质组成条件使本就脆弱的生态环境、地质环境变得更加恶劣。截至2014年10月，全县采空区面积达414.5 km2，采空区导致的地质灾害类型有塌陷、崩塌、滑坡、泥石流等，其中最主要的地质灾害为地面塌陷及地裂缝。

大砭窑煤矿位于神木县以东西沟乡一带，矿区面积为25.4088 km2，截至2013年6月，已开采5-2煤层形成的采空区面积达4.54 km2。

2　地面塌陷及地裂缝发育规律

2.1地质概况

大砭窑煤矿位于榆神矿区东部，地貌单元以黄土梁峁区为主，有少量沙土沉积，地表基本被第四系黄土所覆盖。除较大沟谷两侧有基岩出露外，煤矿范围内地表均被第四系、新近系沉积物覆盖。地层由上到下依次为全新统风积沙（Q4eol）及冲积层（Q4al）、第四系中更新统离石黄土（Q2eol）、新近系上新统保德组（N2b）、侏罗系中统延安组（J2y）、三叠系上统永坪组（T3y）。

大砭窑矿区含煤地层为侏罗系中统延安组，共含3层煤层，自上而下编号依次为4-3、4-3下、5-2煤层，其中5-2煤层为全区可采煤层，其余为不可采煤层。可采煤层平均厚度为2.46 m左右，呈现北厚南薄的趋势。

2.2地面塌陷或地裂缝的发育特征

2.2.1采空区分布范围

5-2煤层埋深为56～166 m，矿井原以房柱式开采，对于顶板稳定性较差的煤层，开采3.5 m，预留6 m；对于顶板稳定性较好的煤层，开采5 m，预留5 m，房柱式开采形成的采空区面积较小。近年来，矿井以机械化综采为主，形成了大面积的采空区。根据收集资料与野外调查，大砭窑煤矿开采所形成的采空区主要位于井田的东北部，面积约为4.54 km2。

2.2.2地面塌陷或地裂缝的发育特征

矿区地面塌陷的表现形式以地面裂缝为主，无明显的塌陷坑。大砭窑煤矿地面塌陷范围较大，分3个区进行调查，各区的地裂缝发育特征分述如下:

（1）杨桃峁变形区。该区煤矿开采时间较早，开采方式为房柱式开采，最早变形塌陷的时间为2001年。该区域内变电站旁发现有一条裂缝，一直延伸到庙圪垯的山顶龙王庙旁，整体呈弧形，走向为30°～100°，长度约2 km。

（2）火烧界变形区。该区煤矿开采时间为2001-2002年，开采方式为机械化综采，最早变形塌陷时间为2003年。该区域内大部分裂缝都已被掩埋，调查只见部分裂缝，走向为90°。

（3）四道沟—六道沟变形区。四道沟村附近地区煤矿开采时间为2004～2008年，开采方式为机械化综采，最近发生塌陷的时间为2013年。塌陷区域内发育多条裂缝，其中最大的裂缝走向90°～270°，长500～1000 m，宽0.2 m，深0.3～2 m不等。六道沟村附近地区煤矿开采时间为2009年，开采方式为机械化综采，最近发生塌陷的时间为2013年。塌陷区域内可见多条裂缝，其中变形最大的裂缝走向20°～50°，长300 m，宽0.2 m，深2 m。在沟壑边可见由塌陷引发的次生滑坡、崩塌灾害。

2.2.3不同开采方式下地面塌陷和地裂缝的展布规律

（1）房柱式开采引发地面塌陷或地裂缝的展布规律。大砭窑煤矿开采历史较长，20世纪50年代已经开始开采，开采方式为房柱式，主要集中在矿区的北部。煤矿开采形成了一定面积的采空区，但留有保护煤柱，早期未形成明显的地面塌陷，近年来下覆煤柱逐渐垮塌，其支撑能力下降，地面变形有加剧态势，表现为地面裂缝、塌陷坑等。本矿区杨桃峁村附近区域为早期房柱式开采形成的采空区，根据本次调查，该区域内变电站旁于2001年发现一条裂缝，长度约2 km，最宽处约2 m，深度约5 m，部分区域可见到2 m×2 m的小型塌陷坑。可发现房柱式开采形成的地面塌陷具有滞后效应，为采空后长时间间隔的突发性塌陷，形成的裂缝一般较长，宽度与深度均较大。

（2）综采区地面塌陷或地裂缝的展布规律。综采工作面采空区面积大，塌陷面积也大。结合矿区1∶10000地形底图、井上井下对照图、矿山地质环境恢复治理方案及综合勘查成果等资料，以北部两个工作面的采空区为重点研究对象，全面追踪地面裂缝的走向、宽度、深度及下错高度等。

本次调查在两个工作面共布设探槽20个，通过槽探工程揭露地表3 m内裂缝的倾向等特征。

根据探槽揭露的情况可知，裂缝均垂直于地表，未见明显的倾斜面；探槽挖好后，用钢尺探测裂缝深度，受土埋及尺长影响，裂缝底部多数未揭露；裂缝多呈上窄下宽状。

根据裂缝的走向及布设探槽的位置，本次共跟踪裂缝30条，控制点主要布设在拐点及裂缝相交的节点位置处，共布设控制点176个，如图1所示。

从图1可以看出，顺着工作面推进方向，裂缝多呈弧形展布，位于工作面间的裂缝走向多与工作面推进方向一致。

图1　重点地段综采工作面上地面裂缝分布示意图

2.3裂隙发育高度预测

根据 “三带”理论，导水裂隙带发育高度为采高的18～28倍，重点地段5-2煤层采厚为3.16 m，导水裂隙带发育高度为56.88～88.48 m，在沟谷地区裂隙带已沟通至第四系地表。

采空区地表最高点高程为1253.50 m，5-2煤层底板标高为1111.33 m，在地层较薄地区，呈现明显非连续移动变形，即开采后地表形成塌陷坑、大的裂缝切割和台阶状沉陷（随工作面开采的动态裂缝和开采边界以外形成一组永久裂缝）和开采引起滑坡坍塌等地质灾害。

3　地质灾害易发程度评价

地质灾害易发程度分区的目的是正确认识地质灾害发育分布现状，科学地预测地质灾害未来发展趋势。

3.1评价方法

根据多种方法的比选，调查区地质灾害易发区的划分采用综合指数评价方法。将地质灾害影响因子按其不同分类对地质灾害的影响程度进行量化赋值1、2、3、4，叠加求和，确定地质灾害易发程度。计算公式如下:

式中:SI——综合指数；

Fij——影响因素及分类，

i——影响因子的数量，本次评价共有7个影响因子，i=（1，2，3，……，7）；

j——影响因子的分类数量，本次评价共分4类，j=（1，2，3，4）。

由前所述，调查区地质灾害类型主要有滑坡、崩塌、地面塌陷，其影响因素主要是地质环境条件、人类工程活动和降水，因此参与评价的、能够量化的影响因素主要为地形地貌、地层岩性、道路建设、采矿活动、削坡建房、多年降水量和地质灾害点密度这7个影响因素和作为评价因子，建立了调查区地质灾害单因子评价图层。

3.2评价结果

通过地理信息系统MAPGIS空间分析，将7个因子根据影响程度从低到高选择1、2、3、4进行赋值求和，根据量化结果，各因子和最大值为25，最小值为7，并以0.25为等值线间隔生成等值线分区。拟选定各因子和为18～25之间单元格为高易发区，各因子和为12.5～18之间的单元格为中易发区，各因子和为8.75～12.5之间的单元格为低易发区，各因子和小于8.75的单元格为非易发区。区内各因子之和均大于12.5的单元格，即为高易发区和中易发区。

根据本次调查结果，在综合考虑该矿区地形地貌差异、采矿活动强弱程度及影响范围等基础上，最终形成调查区地质灾害易发程度分区图，如图2所示，具体情况见表1。

表1　地质灾害易发区评价表

图2　重点地段（大砭窑矿区）地质灾害易发（危险）程度分区图

4　地质灾害的危险性评价

4.1调查评价方法

通过地理信息系统MAPGIS空间分析功能，将灾害点险情等级与易发区进行空间叠加评价。

叠加结果根据危险程度从低到高选择1、2、3、4进行赋值，在区间1～4之间生成等值线图，以0.25为等值线间隔。

根据评价结果，拟选定赋值大于3.25为高危险区，赋值位于2.5～3.25的单元格为中危险区，赋值等于2.5的单元格为低危险区，赋值小于2.5的单元格为极低危险区。再根据野外调查的实际情况以及 “就大不就小，就高不就低”、“区内相异、区内相同”的原则，最终形成调查区的地质灾害详细调查危险程度分区图。

4.2评价结果

根据地质灾害易发程度和区内3处地质灾害点险情等级，确定重点地段地质灾害的危险性分区。神木县重点地段地质灾害易发区分为高易发区和中易发区，大砭窑地面塌陷险情等级为小型，根据地质灾害详细调查技术要求中地质灾害危险性区划评价标准，见表2，矿区地质灾害危险性等级应为中危险区和低危险区，考虑到高易发区内塌陷面积较大，地表裂缝发育严重，且区内有公路及矿区道路通过，车流量较大，故将该区危险性等级提高一个级别，分为高危险区和低危险区，如图2所示。

表2　地质灾害危险性区划评价标准

（1）高危险区。高危险区与高易发区重合，主要分布在该矿区的北部和东部，面积为18.57 km2，占矿区总面积的71.4%。大砭窑煤矿地面塌陷面积较大，主要位于矿区北部，梁峁上裂缝纵横交错，威胁居民的耕地及林地；榆西老公路及矿区公路裂缝发育，多平行排列，呈台坎状下错，威胁过往车辆及行人，危险性较大。该区南部为501盘区和502、504盘区部分地区，且501盘区即将开采。501盘区中部、南部仍有六道沟村、上中咀峁村村民居住，一旦煤矿开采，引发地面塌陷的可能性大，威胁村民生命财产安全，危险性大。

（2）低危险区。低危险区与中易发区重合，主要分布在该矿区的西南部，面积为7.43 km2，占矿区总面积的28.6%。该区地形较为平坦，尚未开采，未发现地质灾害点，该区今后开采将不可避免地出现各类矿山地质环境问题，如破坏地貌景观、占用林地资源、地面塌陷等地质灾害的发生等。因此在后续的煤矿开采过程中，应将生态保护与矿山开采紧密地结合起来，边开发边保护地质环境。

5　结语

通过上述调查和分析，对大砭窑煤矿地质环境有以下认识:

（1）大砭窑矿区重点研究区开采强度为中等，从梁峁至沟谷裂缝逐渐增多，近等间距排列，在地势较低区域，裂隙带可能延伸至地表，裂缝在斜坡地带可见明显阶梯状下错陡坎且均垂直于地表，未见明显的倾斜面。北部房柱式开采相对综采形成的地裂缝一般长而深，裂缝间距较大，密度小，裂缝出现时间较滞后。

（2）综合考虑地质灾害易发程度和险情等级，将大砭窑矿区划分为高危险区和低危险区，其中高危险区面积18.57 km2，低危险区面积7.43 km2。

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Development law of surface collapse and ground fractures in Dabianyao Coal Mine in Yulin-Shenmu mining area

Peng Jie，Li Yonghong，Liu Hainan，Xiang Maoxi，Yao Chaowei，Du Jiangli，Wu Boyun
（Shaanxi Institute of Geo-Environment Monitoring，Xi＇an，Shaanxi 710054，China）

The surface collapse and ground fractures in Dabianyao Coal Mine in Yulin-Shenmu mining area were investigated.Taking the mining history，regional geology and coal mining situation of Dabianyao Coal Mine as the research background，the distribution range of gobs and the distribution features of surface collapse and ground fractures were discussed and summarized. The distribution laws of surface collapse and ground fractures in Dabianyao Coal Mine were studied，and the surface collapse and ground fractures were caused by two different mining ways，room and pillar mining and fully mechanized mining，and the mining area was divided into the high easy-happening area and medium easy-happening area.According to the easy-happening degree and dangers grade of geological disasters，the mining area was divided into high danger zone and low danger zone.

surface collapse，ground fracture，high-intensity coal mining，Yulin-Shenmu mining area，Dabianyao Coal Mine

P642.2 TD325

A

彭捷（1988-），男，湖北黄石人，助理工程师，硕士，从事地质灾害调查与防治研究。

（责任编辑 郭东芝）

国家重点基础研究发展（973）计划（2013CB227901）