煤矿采空区塌陷地质灾害评估研究

煤矿采空区塌陷地质灾害评估研究���以乌鲁木齐八道湾地区某煤矿采空区为例王新刚1,2,张龙菊1,2,冯晓腊2,李云安2(1�中国地质大学岩土钻掘与防护教育部工程研究中心,武汉430074;2.中国地质大学工程学院,武汉430074)摘�要:本文以乌鲁木齐八道湾地区某煤矿采空区为研究对象,通过野外地质调查、物探、钻探等手段对该煤矿采空区塌陷地质灾害进行现状评估,评估结果为危害程度中等、危险性中等;采用最大导水裂隙带高度法和解析法进行预测评估,评估结果为很有可能继续塌陷;在现状评估和预测评估的基础上,进行了综合性分区评估,将研究区划分为采空塌陷危险性大区、中等区和小区。该研究结果可为研究区建设用地规划和地质灾害防治提供科学依据。关键词:煤矿采空区;地面塌陷;地质灾害;危险性评估中图分类号:X43���文献标识码:A���文章编号:1671�1556(2011)02�0018�05收稿日期:2010�08�06��修回日期:2010�11�12作者简介:王新刚(1986�),男,硕士研究生,主要研究方向为岩土体稳定性及地质灾害。E�mail:wangxingang015@163.comEvaluationonSubsidenceGeologicalHazardsinCoalMineGoafs���TakingtheCoalMiningGoafinUrumaiEightBayAreaforExampleWANGXin�gang1,2,ZHANGLong�ju1,2,FENGXiao�la2,LIyun�an2(1�EngineeringResearchCenterofRock�soilandExcavationandProtectionofMinistryofEducation,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China;2�FacultyofEngineering,ChinaUniversityofGeoscience,Wuhan430074,China)Abstract:TheresearchobjectisacoalmininggoafinUrumqiEightBayArea.Basedonthesituationandpredictionassessmentofcollapserisk,thispapercarriesoutthecomprehensiveregionalassessmentwiththeaimtoprovideascientificbasisforconstructionlandplanningandgeologicalhazardcontrolinthestudyarea.Fieldgeologicalsurveys,geophysicalexplorationanddrillingindicatethatthehazardriskismoder�ate;theforecastevaluationbythemaximumheightofwaterflowingthefracturedzoneandtheanalyticalmethodshowthatcollapsemaycontinue;andthecomprehensiveregionalassessmentdividesthestudyareaintolarge�,medium�andsmall�sizedsectionsintheriskofminingsubsidence.Keywords:coalmininggoaf;collapse;geologicalhazard;riskassessment0�引�言乌鲁木齐八道湾地区是采空塌陷易发区,该地区长期的煤炭地下开采形成了大量的采空区,并已引起大量的地面塌陷,时刻威胁着当地的生态环境和人民生命财产安全,严重制约着当地的生产力发展和城市规划建设。因此在全面了解该地区煤矿采空区的分布特征和现状的基础上进行采空塌陷危险性评估研究具有重要的意义。以往对煤矿采空区塌陷危险性的评估大多是根据顶板安全厚度或者导水裂隙带高度等单一因素进行的研究[1~3],鉴于此,笔者以乌鲁木齐八道湾地区某煤矿采空区为研究对象进行综合评估研究。即:首先利用野外调查[4]、物探[5]、钻探[4]等手段查明采空塌陷分布和特征,进行现状评估;然后依据矿区限采标高条件下的采空塌陷影响范围和导水裂隙带高度计算确定的采空塌陷影响范围,两者相对比,进行预测评估;最后在现状评估和预测评估的基础上进第18卷�第2期2011年��3月�������安全与环境工程SafetyandEnvironmentalEngineering������Vol.18�No.2Mar.�2011行危险性分区。这样使综合性评估研究结果更为具体、可靠,可为研究区用地规划、工程建设和地质灾害防治提供科学依据。1�研究区概况[6]研究区位于乌鲁木齐八道湾地区,东西宽3.5km,南北长5km,总面积约15.17km2。该区北部及南部黄土丘陵区分布有煤矿采空塌陷坑(槽)及地裂缝,塌陷坑(槽)呈圆、椭圆、长条形带状分布,其延伸方向与煤层走向一致,出露的主要地层为第四纪和侏罗纪地层,各地层岩性一般多由粉砂岩、细砂岩、泥岩、炭质泥岩及煤组成,煤层走向52�~67�,倾向305�,倾角64�~88�。研究区范围内涉及向斜、背斜褶皱以及断层等构造,地下水类型主要为碎屑岩类孔隙裂隙水和松散岩类孔隙水。碎屑岩类孔隙裂隙水的含水层岩性为煤层顶板的砂岩和粉砂岩,由于补给条件差,岩层渗透性甚差,含水性极弱,与采空区的水力联系不密切,对其稳定性基本无影响;松散岩类孔隙水的含水层为第四纪砂卵砾石层,含水层厚5~15m,水位埋深2~4m,水量丰富,据前人勘探资料,单井涌水量大于1000m3/d,对采空区稳定性影响较大。研究区范围及构造线剖面见图1。图1�研究区范围及构造线剖面示意图Fig.1�Studyareaandtectoniclineprofilediagram2�研究区采空塌陷危险性现状评估研究区主要地质灾害为分布在该区南北两侧的崩塌6处、地面塌陷(群)30处、塌陷伴生地裂缝(群)11处,这里主要研究采空塌陷危险性现状。2.1�采空塌陷发育特征及其规模研究区采空塌陷主要表现为伴生组合:�塌陷坑�地裂缝组合(见图2),主要分布在研究区南部塌陷坑(群)北侧,与地面塌陷坑(群)的走向一致,宽度一般0.2~0.7m,最宽可达1.1m,长度一般为60~100m;�串珠状塌陷坑组合,多见于岩层倾角较大、采空区距地表较浅的地区(见图3、图4);�山体滑塌和地裂缝组合,主要分布在研究区南北两侧的采空区。据野外调查,共发现30个地面塌陷坑(群),其面积为66~970m2,深度为3~10m,最深可达25m,体积为594~13600m3,均为小型地面塌陷;塌陷群基本沿目前开采的B3�6煤层走向展布,并形成了塌陷槽(见图5),塌陷槽宽30~35m、深15~25m。其中典型塌陷坑(群)规模特征见表1。表1�研究区典型地面塌陷坑(群)规模特征Table1�Typicalcharacteristicsofroundsubsidence野外编号灾害类型规模面积/m2体积/m3形成原因稳定性危害程度TX26地面塌陷群小型9705820TX27地面塌陷群小型8705220TX30地面塌陷小型8401680TX22地面塌陷小型85013600TX23地面塌陷小型6702680TX24地面塌陷小型3451380TX25地面塌陷小型8704350煤矿开采形成采空塌陷不稳定中等不稳定中等不稳定中等不稳定中等不稳定中等不稳定中等不稳定中等2.2�采空塌陷危险性现状评估通过研究发现,地面塌陷主要分布于区内南北两侧采空区一带,伴生地裂缝主要分布在区内南部,它们对地形地貌和植被破坏较为严重,威胁过往行人、车辆及煤矿生产安全,其危害程度中等,并依据采空塌陷发育特征及其规模,现状评估结果为危险性中等,详见表1。19第2期����王新刚等:煤矿采空区塌陷地质灾害评估研究���以乌鲁木齐八道湾地区某煤矿采空区为例����3�研究区采空塌陷危险性预测评估采空塌陷危险性预测评估的主要依据是:矿区限采标高条件下用解析法确定的塌陷影响范围和用导水裂隙带高度计算的塌陷影响范围,两者进行对比。3.1�采用导水裂隙带高度计算塌陷影响范围矿区内可采煤层上部均有塌陷坑,可根据导水裂隙带高度Hf评价是否继续塌陷,基本参数取值见表2、表3,其[4]如下:Hf=[100�M�h/(7.5�h+293)]+7.3(1)式中:Hf为导水裂隙带高度(m);M为煤层厚度(m);h为采煤工作面小阶段垂高(采空区高度)(m)。对于近距离急倾斜煤层,各煤层厚度通过下式进行调整:Mz1-2=M2+(M1-h1-2/y2)(2)式中:Mz1-2为上、下煤层综合开采厚度(m);M2为下层煤开采厚度(m);M1为上层煤开采厚度(m);h1-2为上、下煤层之间的法线距离(m);y2为下层煤的冒高与采厚之比,冒落高度Hm=(0.4~0.5)Hf。当上、下层煤之间距离小于5.0m时,则其综合开采厚度为Mz1-2=M1+M2(3)计算原则:Hf=H时,采空区顶板会被破坏;反之,采空区对顶板破坏影响较小,基本局限于采空底板在地面投影范围内。其计算结果见表2、表3。3.2�解析法确定的塌陷影响范围采空区对地表破坏范围的预测采用最大导水裂隙带高度图解法,即:通过南北两侧垂直煤层走向的剖面,标示采空区的分布位置;再依据采空区导水裂隙带最大高度与采空区顶板埋深,采用移动角与边界角直接确定采空区对顶底板的影响范围;然后投影到地面转换成平面影响范围。计算原则:Hf>H时,采用H作为计算底界;当Hf<H时,采用Hf为计算底界。由于篇幅有限,计算简图仅以N4剖面线为例加以示意(见图6),其参数取值见表4,计算结果见表5。3.3�预测结果南、北两侧采空区导水裂隙带最大高度均大于其顶板厚度,所以塌陷危险性较大。在采空区移动边界线以内为破坏区,在此范围内建设工程均会遭20�����������������安全与环境工程��������������第18卷表2�南侧采空区物探解译及导水裂隙带高度Hf计算结果Table2�GeophysicalinterpretationofgobandtheheightHfcalculationofwaterflowingthefracturedzoneinsouth剖面线号采空区编号采空区宽度/m采空区顶板埋深H/m采空区高度/m导水裂隙带高度Hf/m备注S1S2S3S4S5S6采空区�3017850231.85H<Hf采空区�3017860249.56H<Hf采空区�3020875270.30H<Hf采空区�3020375270.30H<Hf采空区�3020490286.23H<Hf采空区�2021090193.25H<Hf采空区�4014240277.11H<Hf采空区�4017040277.11H<Hf采空区�2017560168.81H<Hf采空区�2018260168.81H<Hf采空区�2017860168.81H<Hf采空区�3017860249.56H<Hf采空区�4017860330.31H<Hf采空区�20218150218.87H<Hf表3�北侧采空区物探解译及导水裂隙带高度Hf计算结果Table3�GeophysicalinterpretationofgobandtheheightHfcalculationofwaterflowingthefracturedzoneinnorth剖面线号采空区编号采空区宽度/m采空区高度/m采空区顶板埋深H/m导水裂隙带高度Hf/m备�注N1采空区�4050110306.70H<HfN2采空区�40100176390.81H<HfN3采空区�6045212435.53H<HfN4采空区�4065184340.42H<HfN5已回填N6已回填图6�N4剖面线解析法计算简图Fig.6�DiagramanalysismethodofgobimpactonsurfaceinN4sectionline受塌陷及伴生地裂缝灾害危害,危害程度大,预测评价结果为危险性大;在移动边界与稳定边界之内的区域工程遭受塌陷灾害危险性中等,危害程度中等,表4�采空区对地表影响参数取值Table4�Parametersfortheimpactofminedareaonsurface位置南侧北侧顶板岩性粉砂岩(软岩)粉砂岩(中软)粉砂岩(软)粉砂岩、泥岩顶板走向边界角�0/(�)移动角�1/(�)边界角�0/(�)移动角�1/(�)30606575306065753060657530606575表5�采空区对顶板的影响范围计算结果Table5�Resultfortheimpactofminedareaonroofsurface采空区位置南侧北侧剖面线编号S1S2S3S4S5S6N1N2N3N4N5N6对顶板的影响范围/m稳定边界移动边界123.62280.56124.06285.72129.02288.22145.00294.40103.84260.00132.46344.4630.6049.3852.0282.4034.3871.4261.7295.18有塌陷、无采空区备注解析法解析法解析法解析法解析法解析法解析法解析法解析法解析法塌陷已经回填塌陷已经回填预测评价结果为危险性中等;在稳定边界以外区域,不受煤矿开采及采空区的影响,工程建设遭受塌陷灾害可能性小,危害程度小,预测评价结果为危险性小。4�研究区综合性分区评估综合评估是在现状评估和预测评估的基础上,采用定性、半定量的方法评估地质灾害的危害程度,确定地质灾害的危险性级别[7,8],其见表6。依据现状评估和预测评估结果,以及研究区地面塌陷发育强度和危害程度,将评估区划分为塌陷灾害危险性大区、中等区和小区。表6�地质灾害危险性分级标准Table6�Criteriaofgeologichazardclassification危险性分级确定要素地质灾害发育程度地质灾害危害程度危险性大强发育危害大危险性中等中等发育危害中等危险性小弱发育危害小(1)危险性大区(�):分布在区内南、北两侧,采空区顶板移动边界之间,塌陷及塌陷地裂缝地质灾害严重,现状评估为塌陷及塌陷地裂缝规模小、稳定性差、危险性中等、危害程度中等,主要表现为采21第2期����王新刚等:煤矿采空区塌陷地质灾害评估研究���以乌鲁木齐八道湾地区某煤矿采空区为例����空区顶底板围岩的移动破坏危及地表建筑物的安全使用,预测评估为危险性大区,综合评估为危险性大区,面积约4.12km2。(2)危险性中等区(�):分布在区内南、北两侧,采空区顶板稳定边界与移动边界之间,目前没有发现地面塌陷地质灾害,现状评估为危险性小区,预测评估为可能会受到煤矿采空影响,综合评估为危险性中等区,面积约0.86km2。(3)危险性小区(�):分布在区内中部、顶板稳定边界以外的区域,没有塌陷、地面沉降及地裂缝等地质灾害发育,现状评估为地质灾害危险性小,预测评估为地质灾害危险性小,综合评估为地质灾害危险性小区,面积约10.19km2。5�结�论(1)采空塌陷危险性综合评估研究可为采空区场地的工程建设、用地规划和地质灾害防治提供科学依据:对塌陷危险性大区(�),工程建设易加剧塌陷灾害发生,建设场地适宜性差,不能作为建设工程用地;对塌陷危险性中等区(�),建设场地基本适宜,不能建设重要建筑物,对建筑物基础进行相应的结构处理,可以进行一般工业厂房建设;对塌陷危险性小区(�),场地适宜工程建设,该区域内地质环境简单,工程建设遭受塌陷危害的可能性小,引发、加剧塌陷的可能性小,危险性也小,易于处理。(2)在有煤矿采空塌陷存在的场地进行工程建设时,塌陷危险性评价可作为前期地质灾害评价的依据,但不能代替工程地质勘察工作。同时,还要加强采空塌陷地质灾害的监测预报工作,并需在预测塌陷区内设立警示标志。参考文献:[1]张云明.高速公路下伏采空区稳定性评价方法探讨[J].铁道勘测与,2007,(3):58-62.[2]张建,张远芳,袁铁柱,等.采空区稳定性分析与评价[J].水利与建筑工程学报,2010,8(2):145-146.[3]余克井,刘金保.某矿山住宅区地下采空区稳定性评价及治理[J].有色冶金设计与研究,2010,31(3):1-3.[4]李智毅,唐辉明.岩土工程勘察[M].武汉:中国地质大学出版社,2000:5-10.[5]雷宛.工程与环境物探教程[M].北京:地质出版社,2006.[6]中国地质大学(武汉).乌鲁木齐八道湾某煤矿地面塌陷地质灾害勘查报告[R].武汉:中国地质大学,2010.[7]GB50021�2001,岩土工程勘察规范[S].[8]国土资源部.地质灾害危险性评估技术要求[S].2004.(上接第17页)��由图9可知:随着库水位的下降,西壤坡斜坡稳定性呈现先降低后升高的趋势。同样选取其中的M�P法进行稳定性变化分析,在库水位175m与降雨作用下,西壤坡的稳定性系数为1.717;当库水位降至145m时,西壤坡的稳定性系数为1.848,斜坡的稳定性系数涨幅为7.62%。在库水位下降的前期,西壤坡的稳定性系数有所下降,笔者判断是由于库水位的骤降,坡体内地下水的滞后效应而在坡体内形成一定的动水压力,在动水压力的作用下,坡体的下滑力增大,从而导致坡体稳定性的降低,但随着时间的推移,坡体内动水压力逐渐降低,故而又呈现随着库水位下降、稳定性系数不断升高的特征。4�结�论(1)库水位由145m升至175m的过程中,地下水位浸润线呈明显向岸坡内弯曲的形态,岸坡地下水位并不立即随库水位快速上升,具有一定的滞后性,孔隙水压力分布随着库水位上涨而改变;库水位由175m降至145m的过程中,地下水位浸润线明显向岸坡外弯曲,孔隙水压力分布随着库水位下降而明显向下弯曲。在降雨作用下,斜坡体表面附近孔隙水压力发生明显变化,但坡体内部影响甚微。(2)通过对岸坡进行渗流场与应力场耦合模拟分析,得到了西壤坡斜坡变形特征云图,通过对云图的分析,得到西壤坡在各种工况下变形相对较小,说明岸坡在库水位变化与降雨作用下处于稳定状态。(3)采用Janbu法、Bishop法、M�P法分别对西壤坡在145m、151m、157m、163m、169m、175m时库水位的稳定性进行计算,得到了稳定性的变化规律。库水位上升过程中,初期稳定性变化甚微,随着时间的增加稳定性系数逐渐降低;在库水位下降过程中,稳定性系数呈先降低后升高的趋势。参考文献:[1]廖秋林,李晓,李守定,等.三峡库区千将坪滑坡的发生、地质地貌特征、成因及滑坡判据研究[J].岩石力学与工程学报,2005,24(17):3146-3153.[2]吴宏伟,陈守义,庞宇威.雨水入渗对非饱和土坡稳定性影响的参数研究[J].岩土力学,1999,20(1):1-14.[3]李远耀.三峡库首区顺层基岩岸坡变形机制与稳定性研究[D].武汉:中国地质大学,硕士学位论文,2007.[4]陈丽霞.三峡水库库岸单体滑坡灾害风险预测研究[D].武汉:中国地质大学,博士学位论文,2008.[5]柴波.巴东新城区库岸斜坡岩体结构系统研究[D].武汉:中国地质大学,博士学位论文,2008.22�����������������安全与环境工程��������������第18卷