断层控制与采空塌落诱发的天山 北麓某煤矿滑坡分布特征

尚彦军 金维浚

摘   要：地下采空区引发的地面变形已引起广泛关注，但由于断层发育的复杂性和钻探手段的局限性，对小型断层分布特征及其控制作用仍缺乏足够认识。本文以天山北麓某煤矿为例，采用现场地质调查、高密度电法物探相结合的技术手段，在2.1 km2的矿区范围内判识出小型断层4条、滑坡6个和塌陷坑10多个。结合地下采空区和采矿揭露富水区分布情况，对断层控制作用和采空放顶诱发作用进行关联分析。结果发现，顺倾斜坡中断层控制着采空区陡立边界，同采空放顶联合作用，控制了滑坡和塌陷坑位置及规模。井下采掘中观察到煤层厚度突变、地层断距和突涌水等，进一步验证了上述结果的可靠性。

关键词：采空区;断层;滑坡;塌陷坑

大量煤矿开采实践发现，采深采厚比小于20或30时采空区地表将发生强烈塌陷破坏[1，2]。当地面斜坡为与岩层倾向一致的顺向坡时，斜坡地下采空塌落引起层间剪切滑移作用将使斜坡上部岩层向下滑移，并推动下部岩层向下移动，在临空面条件充分时就形成滑坡[3]。山坡侧向临空和地下采空叠加，会导致山坡自重力系和采动塌落拱梁复合作用，呈现采空坍动-顺层蠕滑-坍陷稳定的顺向山坡破坏的典型地质模式[4]。按工程地质和地质力学的理论可定性认识到：斜坡坡体结构与采空区的空间关系等因素会影响地表破坏的形式和规模，但在实践上，对中小型断层对采空区边界的控制作用及其表现出的地表破坏特点，尚缺乏足够认识。原因在于，目前在勘察工作中主要是依靠钻探生成工程地质剖面，中大比例尺的地表地质调查及地球物理探测工作很少开展。对50 m以内的浅部采空区和滑坡已开展过直流电阻率电测深法[5]、浅层地震反射波法[6]、高密度电法[7]等探测工作。对50～200 m深度上煤矿采空区的地球物理勘探，尤其是不同充填程度和含水量变化很大的采空塌陷区，物探方法分辨率和反演结果可靠性面临很大挑战。采空区塌陷后在地表容易出现大的裂缝、塌陷坑及与地面沉陷伴生的滑坡等[8]，另外，物探对较大深度探测的分辨率也有待提高。

本文以天山北麓某煤矿为例，采用地质调查与高密度电法相结合的技术手段[9]，揭示深达200多米采空区与地表塌陷坑以及顺向坡滑坡的空间对应关系，从而有助于说明地质构造与采空区叠加对地表塌陷和滑坡发育的控制作用。

1  井田概况

1.1  地理地質条件

井田位于天山北麓的中低山区，NS向岭谷相间分布，海拔高程1 653～1 975 m，高差322 m，地势南高北低，向NW方向倾斜，属侵蚀剥蚀中山地貌。山北坡地形坡度15°～20°。坡面多被第四系黄土覆盖。井田南部是一条常年性流水的河流，由东南向西北流经井田南部，该河流量为 0.12～0.15 m3/s，是较好的矿井水源。井田东北部为季节性河流，每年5～11月份河道有水流，12月～次年4月河道干涸。

矿区属大陆性半干旱气候，昼夜温差大，年均气温5℃，7月份平均气温22℃，最高34℃，1月平均气温-12℃，最低-30℃。6～9月份多雨，常成暴雨，每年10月降雪，次年3月底、4月初消融。年平均降水量410 mm，最大450 mm，年平均蒸发量1 800 mm，最大冻土深度2 m。

井田出露地层界线呈NWW向展布，岩层向NNE缓倾，从南向北由老至新依次为：石炭系中统前峡组（C2qx），中—上三叠统小泉沟群（T2～3xq），侏罗系下统八道湾组（J1b）、三工河组（J1s），侏罗系中统西山窑组（J2x）、头屯河组（J2t），侏罗系上统齐古组（J3q）、喀拉扎组（J3k），白垩系下统吐谷鲁组第一亚群（K1tga）。西山窑组出露于井田中南部，为井田内含煤岩组，倾向NNE，倾角7°～17°，J2x总厚371.53 m，为一套以湖相、湖滨三角洲相、泥炭沼泽相为主夹河流相、覆水沼泽相的含煤碎屑沉积，主要岩性为灰-深灰-灰白色砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩互层、泥岩及碳质泥岩、煤层、煤线，含大量植物化石。该组下段（J2x1） 厚114.55～188.78 m，平均厚136.76 m为含煤段。含可采、局部可采煤层5层（B1、B2、B3、B41、B42），其中B1、B41煤层为全井田连续的局部可采煤层，B2、B3、B42为全井田可采煤层。煤层全层厚12.73～22.41 m，平均厚17.99 m，可采总厚13.14 m。

井田位于准噶尔盆地南缘乌鲁木齐凹陷带中，受区域单斜构造控制，总体为向北缓倾的单斜构造，倾向10°～25°，倾角10°～15°（总体产状15°∠12°～15°），浅部稍缓，深部略陡。

1.2  井下采掘

井田面积1.5 km2。矿井采用斜井开拓方式，混合提升斜井井口标高+1 725 m，井筒斜长450 m，沿J2x1的B2煤层顺层布置。矿井采用走向长壁悬移顶梁液压支架放顶煤一次采全高采煤法。

轨道下山、运输下山和回风下山位于B42煤层中，深部水平+1 560 m，采区水仓布置在+1 560 m水平，埋深约150 m。B42煤层两翼工作面已布置完成。据矿井实测图，B42煤层运输顺槽最低点标高已至+1 555.9 m。B2煤层老采空区范围至+1 573 m水平，留设隔离煤柱后，在+1 560 m水平以上基本无可采储量。位于B2煤层上方的B3煤层受老采空区影响，不宜布置长壁工作面回采。

2  地质和地球物理探查

参考前人开展的1∶20万区域地质调查报告和煤矿地质勘探结果，2017年7～8月，由地质和物探技术人员组成的工作队对该煤矿进行了地质调查和地球物理勘探。地质调查采用追索法开展，地质线路穿越和基岩露头观测相结合。地表露头地质调查79处，调查覆盖面积2.1 km2，遍及整个矿区。

地球物理勘探利用高密度电法仪器（意大利PASI公司地震电法综合仪器）开展。分别采用偶极-偶极（DP-DP），单极-单极（P-P）两种电极排列装置，分别可达到不同探测深度。其中单极-单极探测深度最大，可达到排列长度的0.9倍，而偶极-偶极装置的探测深度约为排列长度的0.25倍。工作中据不同勘探深度要求和不同电性结构背景情况，选择了两种不同排列装置。分别采用48个电极和32个电极排列，电极间距为5 m，有效探测深度0～200 m。高密度电法剖面线4条（测线1～测线4），穿越疑似断层区及滑坡发育区（图1）。测线1（f1-1～f1-2）和测线2（f2-1～f2-5）探测深度约220 m，测线3（f3-1～f3-2）和测线4（f4-1～f4-2）探测深度40 m。

2.1  调查结果

通过对地表露头调查，发现场区内存在4条断层，发育规模不等的滑坡6个，一定规模的塌陷坑10个以上（图1）。其分布及规模受断层构造及采空区的联合控制。

2.2  断层构造

由地表地质调查结果和物探解释剖面发现，矿区发育长500～1 500 m的4条断层。NWW向断层以压扭性为主，长度较大，发育时期较晚;近NS向断层以张扭性为主;NE向断层以扭性为主。NS走向断层控制了单斜坡上NS向支沟的发育，而NWW向断层控制了更大规模沟谷的发育，煤矿驻地多沿此类沟谷布置。

通过现场地质灾害点分布、沟谷地形、地层岩性突变及在地下开采面掘进中发现的断层按产状向地表的投影，勾勒出4条断层的平面展布（图1）。

断层F1走向68°，位于场区中部，西南端穿越煤层采空区，向东北经斜风井，是场区的主要断层。西侧NS向支沟的西侧基岩陡崖中间被断层F1切穿成一豁口，发育滑坡5的堆积扇（图2-b）;同样该NS向支沟东侧发育一小型土滑坡4即位于F1断层带上（图2-c）。沿断层F3可观察到断层两侧地层不连续，西侧砂岩层有因断错留下拖曳现象（图2-d）。

物探测线2经过断层1（图3-b），结果显示在其与断层F1相交处，呈较陡直的高电阻区，推断为近垂直的受F1控制的采空区边界，地表发育一些塌  陷坑。

断层F3在南侧表现为SW走向的窄深沟，与以往并行电法所测低阻导水通道（YC1、YC5）相对应。

场区现有资料中3号钻孔勘探线穿越断层F1。钻孔ZK301和ZK302连接而成的剖面线（勘探线Ⅲ）印证了断层F1的存在（图1）。在经过断层时，煤层均有一定程度的错位（图4），但钻探剖面没有同详细的地面地质调查工作结合而画成了拱曲。

2.3  滑坡

场区发育的6处滑坡都是浅表土质滑坡（表1），其中规模较大的2处。滑坡1位于煤矿斜风井200°方向，处在B2和B42采空区之上，滑坡前缘位于141综采面之上。滑坡2位于煤矿斜风井230°方向，参考物探揭露的采空區位置，推断该滑坡处在采空区之上（图1）。

滑坡1  整体滑向25°，长约412 m，平均宽约100 m，滑坡后缘陡坎高0.8 m，前缘鼓丘厚约3.5～4.0 m，以锥形为滑坡体形状估计滑动方量约为    54×104 m3。滑坡后缘植被覆盖茂密，推测形成年代较久，后续在古滑坡上发育了新的滑坡，滑坡体上部分叉为东西两支，东部滑坡体方量较西部大，且土体更加破碎（图5）。

滑坡2  整体滑向10°，长约517 m，平均宽约100 m，滑坡后缘高度1.5 m，前缘厚约1.0 m，以方形为滑坡体形状估计滑动方量约为60×104 m3。2号滑坡植被覆盖，后缘可见拉裂缝，估计形成年代较久，以下错式为主。结合物探线路2，可见物探线路2穿越该滑坡（图1），物探结果显示下部存在采空区，结合矿区现有资料，该区域下部B2-B42煤层均已被采空。

2.4  塌陷坑

场区发育了10多处一定规模的塌陷坑。它们分布在滑坡体前缘和斜坡中部，平面上呈椭圆形，剖面上呈漏斗形，面积从数平方到数十平方，深度从1 m到数米（表2）。从坑壁长满植物和坑底已经坍平看，发育基本稳定，构成地表水向下垂直入渗的通道。从图3-b中可见从地表到采空区的塌陷坑深达30～50 m，尤其是在断层影响的剪切下沉区，塌陷坑陡立呈塔形。

3  地下采空区及滑坡剖面

据矿方提供资料可知，井田区内存在2处采空区，分别为B42煤层采空区、B2煤层采空区。B42的     +1 586水平采空区面积47 676 m2。据收集到的地面瞬变电磁探测成果，该采空区有2处低阻异常区，位于B42+1 586水平采空区内、B2煤层采空区上方，该异常区为B2煤层采空区塌陷形成，低阻异常特征明显，面积6 400 m2。井巷调查表明，B42采空区已无积水流出，但局部低洼处有少量积水。B2煤层老采空区面积341 027 m2，据地面瞬变电磁探测成果，该采空区有2处异常区。异常区1位于+1550（B2）采空区东侧，异常区视电阻率的低阻特征明显。该异常区为采空区塌陷形成，面积4 800 m2。异常区2位于+1 550（B2）采空区东北侧、B42采空区东侧，从瞬变电磁剖面图中看出该异常区向下汇入B2采空区，该异常区主要为采空区积水所致，面积为5 600 m2。结合B42采空区特征分析，B2煤层老空区内积水，B42采空区局部低洼处有少量积水，通过积水计算方法B2采空区积水量为47 982.5m3。该两处采空区积水量大于等于47 982.5m?。资料表明，生产矿井2008年井下排水量为20.7 m?/h（496.80 m3/d）。

借助于物探剖面，可观察一定深度范围内采空区及滑坡剖面的变化特征。

测线1位于老煤矿主井西部，剖面方向近NS，长度240 m，探测深度200 m左右，浅部为煤系地层风化层，厚度10～40 m，深部为厚层及块状砂岩、粉砂岩及煤层互层。本测线煤层未开采，地层未受扰动，地层岩性分层不明显（图3-a）。在过沟谷时对老断层F3有所显示。

测线2基本沿钻孔ZK301和ZK302连成的勘探剖面Ⅲ线布置，方向为NNE，长度720 m，勘探深度210 m左右。起点在老煤矿东部，在近EW向沟南北两侧地表见砖红色火烧岩，地下对应采空区，深度在100 m左右。此第1采空区宽度约200 m。剖面向NNE存在第2个采空区。两采空区之间为宽约80 m的正常地层区。第2采空区在地表引起裂陷区，深度较第1采空区浅50～60 m。本剖面东北部为未开采正常地层，地层向NNE倾（图3-b）。起点为拉张区，也是火烧区的富水区。第1个采空区之上可见滑坡3后壁及其下部低阻富水的铲状滑动带。

煤矿风井东北在滑坡1上从南向北布置了长150 m、走向SEE的 2条剖面。测线4位于滑坡1南部，高程较测线3高50 m左右。风化层在剖面西端较厚达15 m，东端逐渐变薄，浅表近直立裂缝表现为较高电阻率为滑坡边界（图3-d），滑体厚度较大而侧缘界限较明显。测线3浅地表风化层厚度从西向东变薄，从20 m变化为10 m，滑坡边界表现为近直立的较高电阻率。基岩面深度在20～30 m左右，东侧为低电阻率带与断层F4位置对应（图3-c）。

4  井下采掘揭露情况

该煤矿始建于1987年10月，规模3×104  t/a。1987～2008年主要开采B2煤层年产量3×104  t，        +1 573 m以上水平基本采完。B2煤层控制深度202.40～549.31 m，煤层全层厚度3.35～7.56 m，平均5.15 m。2008年10月矿井9×104  t/a技改工程通过验收后主要开采B42煤层，开采水平为+1 586，水平矿井采用走向长壁放顶煤一次采全高采煤法，其液压支架布置形式为悬移顶梁?。B42煤层控制深度136.38～50.24 m，煤层全层厚度2.45～5.23 m，平均3.47 m。2009年8月完成的煤矿勘探报告评价了井田的工程地质条件，设计生产能力0.9 Mt/a，矿井服务年限46.4 a。

井口标高1 725 m的主斜井中见到断距达    0.5 m的断层。1573水平老井长1 km，B2煤层被错开，厚度由4.3 m突变为1 m。2007年掘进时水压大而人难以站立，水持续排泄1年。斜风井坡角25°，施工下挖至161 m斜长才见基岩。该斜风井2012年施工，2014年才贯通。井下采掘揭露了较大的富水区8处，主要沿东西两侧支沟分布。采空区包括南部的B2煤层采空区和延伸至北部的B42煤层采空区，单层采空区总面积达32×104 m2。地表形成的6个滑坡在2009年9月4日的卫星影像图中已出现    （图1），故其发生应是2009年9月之前。

采空区上部基本不含水而呈高电阻区，视电阻率1 000～1 500 Ω·m。火烧区与采空区边界的富水区视电阻率一般小于几Ω·m。

5  讨论

现有采空区岩土工程勘察规范及相关采空塌陷危险性评价，主要集中在采深采厚比界限值的研判上，而对断层作为侧向边界对采空塌陷控制作用的认识不够深入。如横山滑坡中象山断层，是否在采掘过程中发生活化而控制滑坡侧后缘几乎没讨论，在分析中将其作为均质或层状介质来处理，而忽略了陡立断层作为侧边界对斜坡拉剪破坏规模和强度的控制[4]。据计算可确定煤矿防水安全煤岩柱高度（水体底界面至B4煤层顶板垂直距离）应大于等于40 m，本煤矿采空区埋深一般大于50 m，大于该安全高度，理应不会出现如此严重的地面变形破坏。本文所讨论煤矿采空区滑坡中，按勘察和设计阶段给出的B2采深202.40～549.31 m，采厚5.2 m，采深采厚比為40～110，属采空区地表变形较弱等级。B42采深为50～130 m，采厚为3.5 m，采深采厚比为12～32，属于可能引发强烈地表塌陷的等级。因此在勘察和设计阶段没有被探明或对这些小型断层控制作用重视不够，2008年10月矿井9×104  t/a技改工程通过验收后，开采水平为+1586的B42煤层之后，这些滑坡和塌陷坑开始出现。历史卫星影像显示这些地面变形出现在2009年9月4日之前，即佐证了此分析。

在浅层采空区的走向长壁式开采方式下，覆岩破坏类型为三带型，地表为非连续变形。这样引发强烈地表塌陷或滑坡的可能性就很高了。在断层控制下塌陷边界或滑坡规模就会范围很大且边界影响深度很大，形成快速的高强度破坏。因此，对断层控制塌陷侧边界的作用方式和强烈程度值得关注。

从煤矿现场情况看，滑坡后壁高度为1～2 m，而长宽比一般大于3，呈长条形或上游分叉形态，显示了推移式而非牵引式滑坡特征。在缓坡而非陡坡或沟谷条件下易形成高达3 m的滑坡鼓丘及放射状裂隙。这说明采空区滑坡以推移式为主，下山式开采方式对其影响很大。

从空间上看，塌陷坑一般处于滑坡前缘剪出口所在的挤压区下游，即横向张拉带或拉张剪切带，长轴近乎平行而呈一定方向的带状分布，显示数十米深度范围的应力调整作用影响至地表[10]。这些塌陷坑构成导水通道及应力降低区，一定条件下又会使滑坡复活或启动而呈“牵引式”。

6  结论

相对于仅靠钻孔剖面连接而成地质剖面，地面地质调查在辨识中小尺度断层构造方面的作用不可或缺，尤其是同物探结果相结合，可更好地说明断层对采空区地面变形所起的长直边界控制或塌陷成群成带发育特征的控制作用。

高密度电法在200 m深度内可对采空区及地面变形给予较好显示。在反演解释剖面上能够较好圈画出滑坡后缘和底界、塌陷坑及采空区边界，同时充填体含水性等方面都有清楚的视电阻率等值线显示。

断层对塌陷坑带状分布和滑坡后缘的位置都有控制作用，不再是只受层状结构影响的倒喇叭形的三带式塌落，而是呈现采空区边界陡直，直通浅表。在顺层斜坡地带，断层控制使得滑坡成群成带，呈长条形展布发育。

塌陷坑一般在长条形展布的滑坡前缘或剪出口之外的地形较平坦地段出现，长轴走向受区域构造控制而呈NNE、NNW走向。

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Landslides Controlled by Faults and Triggered by Underground Excavation at One Coal Mine at the North Foot of Tianshan Mountain

Shang Yanjun1，2，3，Jin Weijun2，Zhang Tengfei4，Chen Quanjun1，Meng He1

（1.Xinjiang Institute of Engineering，Urumqi，Xinjiang，830023，China;2.Xinjiang Key Laboratory of Geohazard Prevention，Urumqi，Xinjiang，830023，China;3.Institute of Geology and Geophysics，Chinese Academy of Sciences，

Beijing，100029，China;4.Xinjiang Blackstone Energy Co.Ltd，Urumqi，Xinjiang，830017，China）

Abstract：The ground deformation caused by underground goaf has been widely concerned，but due to the complexity of fault occurrence and the limitation of drilling methods， the distribution characteristics and control function of small faults are not well understood.Taking a coal mine at the northern foot of Tianshan Mountain as an example，this paper uses the technical means of combination of on-site geological survey and high-density electrical geophysical prospecting to identify 4 small faults，6 landslides and more than 10 collapse pits within the mining area of 2.1 km2.Combined with the distribution of the underground goaf and the mining exposed water rich area，the correlation analysis of the fault control effect and the induced effect of the goaf caving is carried out. The results show that the faults controls the steep boundary of the goaf，and it also controls the location and scale of the landslide and collapse pit with goaf cave in as triggering factor in the layered slope area.The intensive variation of coal seam thickness in tunnels，vertical distance of stratum and water inrush in working face，were observed in underground mining， which further verified the reliability of the above results.

Keywords：Goaf;Fault;Landslide;Collapse pit