某煤矿开裂山体稳定性评价及防治措施建议

王刚　王刘文　李海　丰建

［关键词］煤矿；地质灾害；稳定性评价；防治措施

贵州省是西南产煤大省、南方重要的煤炭资源基地[1]，但同时贵州煤矿分布区以山地地貌为主，地形起伏大、地质环境脆弱[2]。煤矿开采引发地质灾害的问题较突出，在坡度相对平缓地段易引发采空塌陷、地裂缝，在地势较陡地段易引发山体开裂、陡崖崩塌[3-4]。引发的地质灾害给人民生命财产安全带来隐患，同时威胁着煤矿的安全生产。目前山体滑坡稳定性方面的研究较多[5-6]，但对于煤矿开采引发的开裂山体的稳定性的相关文献研究不够充分[7]。由于科学合理地分析地质灾害的稳定性是制定其防治措施的基础，本文从地质环境条件、采空区分布情况、山体变形特征、结构面组合以及地质灾害发育特征等方面对某煤矿开裂山体稳定性进行评价，在此基础上提出防治建议，保障人民生命财产安全，以促进煤矿的安全、可持续开采。

1. 研究区概况

1.1 煤矿概况

该煤矿为一生产矿井，始建于2003年，原生产能力为6×10⁴t/a，为扩大生产规模、提高经济效益，于2006年申请技改扩能，并于当年获得批准，拟设计生产规模30×10⁴t/a。该煤矿共划分为二个水平，+1125m以上为一水平，其余为二水平，四个采区开拓。煤矿开拓方式为斜井开拓，采煤开采方式为走向长壁式、全部垮落法管理顶板。研究区含可采煤层8层，其中全区可采煤层为4、9、16、17号4层，大部可采煤层为11、14号煤2层，局部可采煤层18、19号煤2层。

1.2 地质环境条件

研究区以低中山侵蚀溶蚀地貌为主，地形起伏较大，地势东北较高西南较低。自然地形标高+1292～+1647 m，相对最大高差约345 m，一般低于250 m。地层从老到新出露有二叠系中统茅口组（P2m）、二叠系上统龙潭组（P3l）煤系地层、二叠系上统长兴组（P3c）灰岩、三叠系下统夜郎组（T1y）砂泥岩、三叠系下统茅草铺组（T1m）灰岩以及第四系残坡积。地层总体走向NE，倾向NW。地层倾角10°～33°，平均22°。研究区总体为一单斜构造，周边无区域性大断层通过，区内次级断层也不发育，地震基本烈度6。

矿区内地下水类型主要为岩溶水和基岩裂隙水，少量孔隙水。大气降水通过岩、土中的风化裂隙、构造裂隙、孔隙等渗入地下，地形起伏较大，地下水排泄较通畅。基岩中裂隙发育，常呈开放状态，地下水总体由南西向北东径流。

1.3 山体裂缝发育特征

山体开裂区域位于工业场地北侧约260m处的半坡旱地中。其走向210°～270°，一般走向为245°。其中主要的地裂缝DL1实测长度约100 m，裂缝一般宽度为10～90 cm，目前最大宽度达168 cm。DL1发育地层为三叠系上统龙潭组（P3 l），地表为0～2 m厚的耕植土，土层下部为残坡积土层和崩塌堆积体形成的砾石夹土，砾石含量超过70%，土层厚度约2～10 m。经现场调查，部分裂缝段已被耕土掩埋，现场可见最大深度约1.5～2 m。

裂缝主要位于11401采空区正上方，该采空区于2009年回采完毕。裂缝一般走向为245°，与11401工作面走向基本一致，符合采煤沉陷规律，初步分析认为该采空区塌陷引起地表破坏从而形成地表裂缝区域；煤矿停采至今约6年，裂缝区域未发生较大变形，趋于稳定。

2. 开裂山体稳定性分析

2.1 地质灾害形成机制

2.1.1 煤层开采引发地表变形破坏机制

研究区内塌陷坑、地裂缝等现状地质灾害形成顺序与采掘时间先后顺序基本一致。根据采空区分布特征，重复采动区域形成采空区影響范围内裂缝发育，裂缝数量明显增多。由此可判定煤层重复开采部分采空区塌陷对上覆岩层影响明显，地表地质灾害数量和发育程度与采空区分布、重复采动影响呈正相关。因此，煤矿采空区塌陷是引发矿区内现状地质灾害的主要原因。

2.1.2 地形地貌

主要裂缝发育于缓坡带旱地中，地形相对平整。其中裂缝以小角度相交于缓地边缘，南侧岩土体坡度较大，约为35°～40°，局部呈陡坎状，坡度可达60°～75°。经DL1切割后，地表土体相对独立且有向南侧临空面滑塌的趋势，从而使得DL1表现有继续扩大的现象。根据2020年矿方监测资料，亦能看出DL1处于不断向南侧扩张变形的过程中。据此推测，在DL1南侧临近地段存在局部不稳定斜坡（BW1），向南侧临空面发生滑移，致使后缘DL1不断变宽，其实质为浅层堆积-残积土层向低处蠕滑，导致裂缝DL1的拉裂变化。

2.1.3降雨

大量降水赋存于地表风化土层和崩落堆积层，无法及时消散，极大降低了地表松散层的力学强度，加大了岩土层临空面的下滑力，导致不稳定斜坡发生浅表滑动变形，致使DL3形成拉裂式破坏，从而加剧了DL1的变形程度。

2.1.4地层岩性

DL1发育地层为三叠系上统龙潭组（P₃l），地层岩性主要为泥质粉砂岩和粉砂质泥岩。因处于地表，煤系地层受风氧化作用，地表呈现全风化-强风化状态，风化带厚度约1～10 m。缓坡地带堆积有来自于长兴组（P₃c）、夜郎组（T₁y）的灰岩、砂泥岩的崩塌体堆积层，厚度约0～2 m。DL1发育地层属较坚硬岩组，因采空区塌陷较易造成地表弹塑性破坏从而引发地裂缝。

2.2 稳定性分析

2.2.1整体稳定性影响因素

（1）坡向-结构面组合

调查区地貌形态为构造侵蚀低中山地貌类型，地裂缝发育区域位于山体中下部缓坡带，坡度一般20°～50°。DL1发育区域坡向为170°～180°，坡度约30°～35°，发育地层位于三叠系上统龙潭组，地层产状为336°∠24°，主要发育两组节理面：J1 产状272°∠75°，J2产状108°∠75°，根据采用赤平投影分析（图1），坡向和层面倾向反，属于逆向坡，整体稳定性好。

（2）根据采动边坡失稳条件分析采空区地表稳定性

根据滑坡形成的特性，必先具备为滑坡提供了滑移变形和潜在剪出口的临空面、存在可形成滑带的软弱层以及存在促成滑动的地下水或其他外因[8-9]。否则采动影响下的塌陷再严重也不会产生大面积滑坡。

根据本次调查结果，地表斜坡为逆向坡，岩层平均倾角约22°，覆岩中以三叠系夜郎组沙堡湾段砂泥岩、玉龙山段灰岩为主，调查区附近无较大断裂构造通过，岩层分布连续，不可能形成使斜坡体滑移的连续软弱面；区内地下水主要以基岩裂隙水赋存于覆岩中，为非承压水，水位变化对岩体整体稳定性影响小。即现状开采条件下，山体开裂区域附近地表主要以开裂下沉为主，地裂缝深部延伸倾向与坡向相反，不会形成贯穿性滑动面，不会引发大面积滑坡。

2.2.2区域局部稳定性评价

山体开裂区域整体处于稳定状态，且矿方继续开采深部煤层不会对开裂区域造成影响，随着终采时间变长开裂区域愈发稳定。不稳定斜坡段具有局部滑塌条件，因强降雨、地层岩土体松散软弱、较大坡度的临空面等因素可能发生局部滑动、变形，山体开裂区域因地表附近堆积层将向下滑塌而发生扩张，区域局部处于不稳定—欠稳定状态。根据收集资料确定的计算参数和计算模型采用理证岩土软件对各灾害体进行稳定性系数计算，计算结果和现场情况吻合，详见表1。

2.3 综合分析

山体开裂区域整体处于稳定状态，不会形成贯穿性滑动面，无整体滑动可能性，不会形成大面积滑坡，但具有局部滑塌条件。滑坡体沿坡面滑塌，最终影响范围由DL1发育位置至硬化道路南侧缓坡地带，开裂区域不会对工业场地和周边户村民房屋造成危害。

3. 地质灾害防治措施建议

根据前述山体开裂区域地质灾害特征、发展趋势以及防治目的，结合其发育特征、分布规律、岩土结构、现状稳定程度、受威胁对象、影响边界等综合确定防治方案为“局部削方+地裂缝回填+监测预警”。

局部削方：对不稳定斜坡上部采取削坡减载措施，完全消除局部滑坡的可能性，保持山体开裂区域浅表部稳定不发生滑坡，从而保证周边环境安全，避免造成道路、旱地和建构筑物的损毁。

地裂缝回填：山体开裂区域内发育有数条地裂缝，宽度和深度较小地段可采用粘土填塞夯实，并采用防水膜覆蓋，避免雨水渗入降低回填效果。

监测预警：监测内容包括位移、裂缝、降雨量等，对地裂缝设置裂缝仪，不稳定斜坡区域设置位移监测点，充分利用现有监测设施和资料基础上，建立系统化、立体化监测系统。

4. 结论与认识

（1）该山体开裂地质灾害主要为煤矿开采引发，其稳定性受采空区特征、地层岩性、结构面组合、地形地貌等控制。

（2）由于部分开裂山体周边存在村寨，进行煤矿开采引发山体开裂稳定性评价时应客观、科学，既不能盲目乐观，也不能一味求安全、偏保守，以便帮助有关部门正确对待地质灾害隐患、客观决策。