煤矿采空区建设工程地质灾害危险性评估分析

成海芳 张富有

（1.河南乾宁勘测技术有限公司，河南 郑州 450016；2.河南省地质局矿产资源勘查中心，河南 郑州 450006）

0 引言

我国是世界上自然灾害最为严重的国家之一，灾害种类多，分布地域广，发生频率高，造成损失重大。而在自然灾害类型中，地质灾害又是一种危害性大、破坏性强的自然灾害。地质灾害防治工作是生态文明建设和自然灾害防治的重要内容，是防灾减灾体系建设的重要组成部分，事关人民生命财产安全和社会和谐稳定。我国非常重视地质灾害防治工作，先后颁布了《地质灾害防治管理办法》《地质灾害防治条例》等地质灾害防治方面的规章制度，并制定了《地质灾害危险性评估技术要求（试行）》《地质灾害危险性评估规范》等技术标准规范。根据《地质灾害防治条例》，在地质灾害易发区进行各类工程建设，需要开展建设项目场地地质灾害危险性评估，涵盖地质灾害类型为崩塌、滑坡、泥石流、岩溶塌陷、采空塌陷、地裂缝、地面沉降、不稳定斜坡等。本研究以济源市某矿区光伏发电项目建设场地为评估区，对区内的地质环境背景和地质灾害特征进行了分析，对地质灾害危险性评估和场地建设适宜性进行了评价，并提出了地质灾害防治措施建议。

1 地质环境条件

1.1 地层岩性

根据区域地质资料，除北侧有基岩出露外，评估区范围内全为第四系地层覆盖，评估区地层层序自下而上分别为寒武系（∈）、奥陶系（O）、石炭系（C）、二叠系（P）和第四系（Q）。

1.2 地质构造

评估区位于中朝准地台山西台隆铁山河拱褶断束，主要褶皱为椿树庄向斜、石河背斜、康村向斜3 个次级褶皱构造。评估区位于椿树庄向斜南东翼，石河背斜西翼。区域主要断层为近东西向的盘古寺—新乡断裂，倾向南，地表倾角60～70°，为一铲形正断层，断裂沿山前地带断续出霉，所见破碎带宽度20～70 m，两盘基岩落差大于70 km。盘古寺—新乡断裂距评估区较远。拟建工程建设场地距盘古寺—新乡断裂西段较近，盘古寺—新乡断裂西段为非全新活动断裂。本区地震动峰值加速度0.10 g，地震基本烈度Ⅶ度。

1.3 工程地质条件

根据勘查钻孔资料，拟建场地5.0 m 深度范围内地层均为第四系，根据其成因、时代、岩性和物理力学性质的不同，将地基土划分为两全个工程地质层。第1 层为碎石土，棕黄色～褐黄色，稍密，含大量次棱角、次圆状碎石，碎石含量40%～50%，粒径2～30 cm，分选差，基质为含砂粉质黏土。场区普遍分布，厚度0.90～1.30 m，平均1.14 m；层底标高128.97～146.11 m，平均137.67 m；层底埋深0.90～1.30 m，平均1.14 m。第2 层为碎石土，灰白色～红褐色，中密，含大量碎石及漂石，大者粒径30～50 cm，并有不同程度风化。本层从1.14 ～5.00 m 以下，钻孔未揭穿该层。该层土承载力较低，结构疏松。因该建设场地已发生采空塌陷，土体已经过下沉变动，故评估区土体工程地质性质不良。

1.4 水文地质条件

评估区浅层地下水类型为松散岩类孔隙水，砂砾石层及底部的砾岩为主要含水层，含水层累计厚5～15 m，孔隙发育，富水性强，单位涌水量最高可达1.51 L/s·m，在工程地质勘查深度范围内，未见地下水。浅层地下水以大气降水入渗及侧向径流补给为主，其次为引沁济漭渠水的漏水下渗补给。地下水的排泄主要是径流排泄、蒸发排泄、越流排泄和人工开采。下部基岩裂隙水为承压水，水位埋深较大，水量较小，含水岩层组为二叠系上统石英砂岩、细粉砂岩夹紫红色页岩，岩石裂隙不发育，含水微弱，钻孔单位涌水量0.005 6～0.014 0 L/s·m，渗透系数0.023 99 m/d，水化学类型为HCO3—Ca·Mg型水，矿化度0.3～0.4 g/L，水质良好。基岩裂隙含水层以侧向径流及松散岩类孔隙水越流补给，以煤矿疏干排水、径流排泄为主。场地内水位埋深较大，松散岩类孔隙水和基岩裂隙水对工程建设的影响均不大，评估区水文地质条件良好。

2 地质灾害危险性评估

2.1 现状评估

评估区地质灾害主要是采空塌陷。评估区南部和中部位于煤矿采空塌陷区，北部位于煤矿采空塌陷区外。野外调查发现评估区中部有一处采空塌陷，呈微凹陷的锅底形状，东西长约100 m，南北宽约125 m，塌陷的底部比原始地面低约3 m。塌陷区北部边界东西向展布一条长50 m、宽0.1～0.3 m的地裂缝。

根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》，地表移动延续时间T用公式进行估算，如式（1）。

式中：H为工作面平均采深，m。

该矿区工作面平均采深398 m，煤层开采引起的地表移动时间约2.4 a，该采区已停采8 a，采空塌陷已基本稳定。现状条件下，评估区南部和中部采空塌陷较发育，使得大量村民房屋开裂，大片耕地荒芜，造成一定的经济损失；评估区北部地质灾害不发育。

2.2 预测评估

2.2.1 工程建设引发或加剧地质灾害的可能性预测评估。根据煤炭科学研究总院唐山研究院腾永海等提出的附加应力分析法，建筑物荷载影响深度H影和垮落断裂带高度H裂密切相关，二者的重叠程度决定了新加建筑荷载扰动对垮落断裂带的影响，进而影响到采空区地基的稳定性，据此可确定建筑物的适宜层数。建筑物荷载影响深度和垮落断裂带高度之间存在3 种情况：当建筑物荷载影响深度与垮落断裂带顶界面之间有一定的距离，表示最小采深大于垮落断裂带高度与建筑荷载影响深度之和，垮落断裂带稳定，垮落断裂带不再因新加建筑荷载扰动而重新移动；当二者正好接触时，建筑物荷载处于临界状态；当建筑物荷载影响深度位于垮落断裂带内时，建筑物会因采空区垮落而受到影响。

①垮落断裂带发育高度的计算。垮落断裂带发育高度与开采煤层的厚度有关，计算公式如式（2）。

式中：∑M为开采煤层累计采厚，m。

本煤矿开采煤层为二1煤，最大累计采厚为8.61 m，为安全起见按9 m 计算，则有H裂=

即垮落断裂带的发育高度位于二1煤层之上55.6 m。该区域二1煤最小采深为220 m，所以垮落断裂带的顶界面距地表的垂直距离尚有164.4 m。

②建筑物荷载影响深度计算。拟建项目区标准楼层高按3 m，基底埋深按3 m，单层建筑面积荷载按18 kN/m2，综合楼层数按3 层，电控楼层数按2层考虑。地面下深度Z处地基附加应力等于或接近地基自重应力10%时，地面下深度Z为建筑荷载影响深度。地基附加应力从基础底面算起，地基自重应力从地面算起，两者相差基础埋深3.0 m。2层综合楼和电控楼的荷载影响深度计算如表1所示。

表1 拟建建筑荷载影响深度计算一览表

③采空区地基稳定性。根据前面计算，煤层最小采深220 m，垮落断裂带发育高度55.6 m，综合楼、电控楼的建筑荷载影响深度10 m，据此推断矿区拟建综合楼、电控楼的建筑荷载不会使采空区再次发生较大不均匀沉降。

④拟建工程建设加剧地面塌陷的可能性。评估区拟建工程建设加剧地面塌陷的可能性小。光伏阵列采用固定倾角方式安装，阵列单元基础形式采用双柱联合混凝土预制基础，基础开挖深度0.25 m，以碎石土层为持力层，基础开挖施工过程中引发基坑边坡崩塌的可能性小。该光伏电站升压站为集装箱式逆变器房基础，箱变基础为筏板基础，基础开挖深度0.25 m，以碎石土层为持力层，综合楼、电控楼基础开挖深度3.0 m，覆盖层厚度小于5.0 m，基础开挖施工过程中引发基坑边坡崩塌的可能性小。

2.2.2 工程建设可能遭受地质灾害的危险性预测。煤矿尚未闭坑，该光伏电站工程建设中和建成后有遭受采空塌陷危害的可能性，升压站、综合楼、电控楼布置在煤矿煤柱边界以外，遭受采空塌陷的危险性小；煤矿煤柱边界以内光伏阵列遭受采空塌陷的危险性中等，煤矿煤柱边界以外光伏阵列遭受采空塌陷的危险性小。光伏阵列单元、升压站、综合楼、电控楼基础开挖施工过程中引发基坑边坡崩塌的可能性小。因此，光伏阵列单元、升压站、综合楼、电控楼基础开挖施工过程中遭受基坑边坡崩塌的危险性小。

3 地质灾害危险性综合分区评估

3.1 地质灾害危险性综合评估原则与量化指标的确定

依据“区内相似，区际相异”的原则，考虑评估区的地质环境条件、地质灾害隐患点特征及危害程度，综合评估地质灾害危险性，采用定性、半定量分析法，进行地质灾害危险性等级分区（段）［2］。

3.2 地质灾害危险性分区评估

根据野外现场调查和对收集的资料整理分析，判断评估区地质灾害类型为采空塌陷。在此现状条件下，评估区南部采空塌陷较发育，使大量村民房屋开裂，大片耕地荒芜，造成一定的经济损失，评估区北部地质灾害不发育。

预测评估认为，拟建工程建设加剧地面塌陷的可能性小；升压站、综合楼、电控楼布置在煤矿煤柱边界以外，遭受采空塌陷的危险性小；煤矿煤柱边界以内光伏阵列遭受采空塌陷的危险性中等，煤矿煤柱边界以外光伏阵列遭受采空塌陷的危险性小；光伏阵列单元、升压站、综合楼、电控楼基础开挖引发基坑边坡崩塌的可能性小，遭受基坑边坡崩塌的危险性小。综合分区评估认为，评估区煤矿煤柱边界以内为地质灾害危险性中等区，煤柱边界以外为地质灾害危险性小区。

3.3 建设场地适宜性评价

评估区煤矿煤柱边界内为地质灾害危险性中等区，该区域建设场地基本适宜光伏工程建设，但需要采取有效的地质灾害防治措施；煤矿煤柱边界外为地质灾害危险性小区，该区域建设场地适宜光伏工程建设。

4 地质灾害防治措施

为防止地质灾害的发生，工程设计时，应将升压站、综合楼、电控楼布置于煤矿煤柱边界外的地质灾害危险性小区。同时采取预防地表沉陷变形的柔性和刚性技术措施，最大程度减少拟建工程受老采空区残余沉陷变形的影响和破坏[3]。避开雨季施工，选择合理的放坡参数，做好基坑支护，避免基坑边坡发生崩塌。拟建区域下方及附近二1煤层还有未开采区域，并且该区域煤层开采时残留了较多的煤柱，为了保证建设场地地基的稳定性，防止不均匀沉降危及场地内建筑物的安全，应与有关矿山企业签订禁采协议，严禁在拟建区正下方及其周围影响区域进行煤层的开采或复采。

5 结论与建议

①评估区南部采空塌陷较发育，北部地质灾害不发育。

②拟建工程建设加剧地面塌陷的可能性小；升压站、综合楼、电控楼布置在煤矿煤柱边界以内，遭受采空塌陷的危险性大，建议布置在煤矿煤柱边界以外；煤矿煤柱边界以内光伏阵列遭受采空塌陷的危险性中等，建议布置在煤矿煤柱边界以外；光伏阵列单元、升压站、综合楼、电控楼基础开挖过程中引发基坑边坡崩塌的可能性小，遭受基坑边坡崩塌的危险性小。

③评估区煤柱边界内地质灾害危险性中等区基本适宜该工程建设，对工程建设可能引发和遭受的地质灾害应采取避让、抗变形结构技术、禁采、基坑边坡崩塌防治等有效措施；煤矿煤柱边界以外为地质灾害危险性小区，建设场地适宜该工程建设。