铁锤山地面塌陷发育现状及变形规律的探析

韦 杏 杰

(中化地质矿山总局广西地质勘查院，广西 南宁 530004)

0 引言

近年来，中国区域地质灾害勘查深化与普及，经过多年地质灾害勘探及防治研究，学者对地面塌陷规律、特征、地面沉降、变形的成因与防治以及地质灾害的分布等方面已做了一定深度的研究[1-3]。国内外笔者采用灰色理论方法[4]、人工神经网络法[5]、支持向量机(SVM)和最小二乘支持向量机(LS～SVM)等[6-8]方法。但这些研究大多是以地表变形问题来展开，特别是以地表变形为主。对普遍存在的地面塌坑则没有做太多系统的研究工作，尤其是对塌坑形成、演化机制及扩展规律缺乏系统、深入地分析和研究。

由于江山市大陈乡铁锤山大部分矿区境内，之前石煤无序开采，留下了大面积的破坏区，这些破坏区存在诸多安全隐患。据相关调查统计，自1970年以来，该区发生多处地面塌陷，局部石煤自燃引发山林火灾，累计毁坏林地150多亩，石灰窑倒塌3座，直接经济损失300多万元。塌陷坑的数量和面积还在不断地增加；地面裂缝在不断增多、增大；加之周围有部分石灰岩露采矿山在生产，新塌陷或老塌陷扩大仍然存在。因此，对这一问题开展系统深入的研究，具有必然的学术价值、工程意义和经济效益。本文以铁锤山地面变形为例，依据多年的监测数据，对铁锤山地面塌陷发育现状及变形规律进行初步的分析和探究。

1 工程概况

铁锤山地面塌陷属石煤采空区冒顶型塌陷。区内石煤开采历史悠久，属江山市石煤集中开采区，矿区从新中国成立前的零散民采到二十世纪七十年代集中开采至二十世纪八九十年代个体采煤盛行。

铁锤山塌陷区位于江山市区345°方向直距8 km的大陈乡乌龙村，中心地理坐标：东经118°34′52″，北纬28°48′04″。东侧为48省道、西侧及南侧为铁锤山山脊、北侧以皂脚树底水库为界，总面积约为2.4 km2；近山顶有多处废弃的露采石灰岩矿山，沿山脚及近山腰一带遍布有几十个采煤老窿。

2 地面塌陷的原因

2.1 地型地貌

该区属丘陵剥蚀、岩溶区，海拔100 m～400 m，山体多呈馒头形，地势较平缓，总体地势北西高，南东低，地形坡度10°～30°间，最高山头401 m，最低处约114 m，最大相对高差约287 m。区域范围内煤层主要沿社山底—乌龙村复式褶皱轴部两侧分布，大致呈北东方向。矿区侵蚀基准面标高为153.0 m，最高280.0 m；石煤层最高出露高程230 m，最低出露高程155 m。该区内特有的地质条件，土体较松散、地表破碎、浅部土体存在微孔隙通道，影响到地表陡坡的稳定性，陡坡易发生应力集中，甚至产生开裂，为地面塌陷的发生提供便利的地形条件。

2.2 气象水文

江山市属亚热带季风型气候，年平均气温约17 ℃，年平均降水量1 684.1 mm，年平均蒸发量1 466.1 mm，北部大陈乡一带年降雨量位于1 600 mm等值线内。区内有一条无名溪流自北西向南东中间流过，支沟发育，属季节性山溪河流，河宽2 m～3 m, 流量受气候和季节性变化明显，雨季水位易涨，枯水期水量小至干枯。北侧紧邻皂脚树底水库，最大库容27万m3，水位标高195 m～204 m，高于最低侵蚀基准面标高114 m。

地下水的长期交替升降变化，使土体的湿度、饱和度及水化学成分发生变化，从而促进土体的崩解脱落速度，有利于地下水对土体的潜蚀作用，从而加速塌陷的发生。

2.3 地层岩性

区内出露地层有奥陶系下—中统胡乐组(O1-2h)；奥陶系下统宁国组(O1n)、印渚埠组(O1y)；寒武系上统—奥陶系下统西阳山组(∈3-O1x)；寒武系上统华严寺组(∈3h)；寒武系中统杨柳岗组(∈2y)；寒武系下统大陈岭组(∈1d)、荷塘组(∈1h)；震旦系上统—寒武系下统灯影组(Z2-∈1dn)；震旦系上统陡山沱组(Z2d)等十组地层。铁锤山荷塘组含煤地层褶皱节理发育，连续性、完整性较差，促使沉降变形加快，增大变形范围，还会加剧地表裂缝的发展，出现不连续的移动和变形，易形成不连续的塌陷坑。

2.4 煤层分布特征及变化

2.4.1空间分布及规模

依据荷塘组含煤地层分布，区内煤层分为沙坞、社山底及大青垄三个块段。沙坞段赋存于社山底—乌龙村复式褶皱南东翼，煤层大致沿山脚断续出露；社山底段煤层赋存于社山底—乌龙村复式褶皱东西两翼；大青垄段赋存于社山底—乌龙村复式褶皱北西翼，煤层大致沿山脚断续出露。铁锤山矿区有40余个老窿，煤层厚度一般为1 m～4 m，最厚处可达7 m，平均厚度约2.5 m，煤层平均倾角约12°，为缓倾斜矿体，埋深0 m～80 m，受褶皱影响，沿倾向及走向波状起伏变化。

2.4.2煤岩层变化及结构

石煤层由薄层状石煤及黑色硅质页岩组成10个～30个韵律层，硅质岩单层厚1 cm～2 cm，少数可达5 cm～8 cm，石煤层单层厚5 cm～20 cm，含煤地层荷塘组厚度变化在10 m～37 m。虽含煤地层荷塘组厚度变化不均，但石煤层的厚度变化不大，一般厚度在2 m～3 m。

石煤为块状与薄片状构造，呈黑色和黑褐色，具泥状及不平整断口、性脆坚硬，地表风化后常呈浅灰白色而质量变轻。主要结构为泥质隐晶结构、泥质结构、粉砂泥质结构。

2.4.3开采现状及影响

铁锤山矿区石煤矿体呈层状，煤层顶板围岩为硅质岩及硅质页岩，顶板岩石受构造及开采影响存在约0.5 m伪顶，顶底板岩层局部受断层或褶皱影响产状变化较大。该区采用空场采矿法中的全面采矿法开采，顶板管理为全部垮落法。但大多矿主在采矿时为追求经济效益，矿柱预留不规范，形成的采空区过大，而矿层顶板管理又跟不上，致使形成了大范围的塌陷隐患区。矿井停采后，井口封闭又没有封死，曾引起石煤自燃，石煤自燃又加剧了采空区的塌陷。

3 地面塌陷与变形规律的探究

地面塌陷受控于地下空间分布、水文地质特征及构造的影响，而塌陷的强烈程度与采空区顶板的厚度及其岩石力学性质有关，地面塌陷是一个复杂的地质力学和地质体形变的过程[1,9]。铁锤山地面塌陷是由于煤层被从赋存它的岩体中采出后，形成采空区，其围岩的平衡状态遭到破坏，原由煤层承受的上部荷载转嫁于周围岩体，围岩在新应力作用下，进行应力重新分布和调整并产生变形，当变形播及地表地面时，就会产生地面塌陷[10]。

3.1 分布特征

铁锤山地面塌陷及变形分布受控于地下采煤巷道和煤层采空区的分布密切相关，区域地面塌陷主要分布于社山底矿段开采区的东侧山脊、大平岗东侧山腰和南侧山脚及沙坞村一带。

3.2 发育规律

地表变形最初为小型凹地，随着采空区的不断扩大，凹地逐渐扩展为凹陷盆地，此盆地即为移动盆地。铁锤山地表的移动和变形在空间和时间上都是不连续的，即在渐变中有突变。

3.2.1裂缝

铁锤山石煤采空区地面裂缝多与塌陷坑相伴出现，沿地面塌陷坑的长轴方向延伸，平行于主采巷道，与地下采空区具有连通性，主要分布于社山底东西两侧的采空区边部及边缘地带；地表建筑的开裂均表现为正曲率变形特征，即裂隙均为上宽下窄状，与地下采空区不相通，主要分布于沙坞采空区东部的乌龙村所在地带，地表裂缝的形状为楔形，地面开口大，随深度的增大而减小，地表裂缝平行于主采巷道或采空区边界发育。

3.2.2移动盆地

铁锤山石煤采空区最终的地表移动盆地的范围应大于采空区的范围，移动盆地的形状与采空区是相对应的，最终移动盆地具有下列特征：

1)整个移动盆地位于采空区的正上方，盆地的形状与采空区形状基本一致；

2)盆地的中间部分，地表下沉均匀一致，当局部深厚比较小地段，也可能出现不连续的变形地带；

3)盆地的内边缘，呈凹陷弯曲，产生压缩变形，不出现裂缝；靠近盆地边界的外边缘，呈凸突弯曲，产生拉伸变形，当变形超过一定抗拉承载力，地表产生裂缝。

3.2.3地表台阶

分布于移动盆地的边部或局部开采深厚比较小地段。铁锤山石煤采空区地表台阶主要分布于社山底东侧及大青垄的大平岗东坡塌陷坑边部，沿地表裂缝两侧地面出现错动，形成台阶。落差一般在几厘米到几十厘米间，最大可达50 cm，落差的大小与裂缝的宽度成正比关系。

3.2.4塌陷坑

铁锤山石煤采空区地表出现大大小小塌陷坑十余处，这主要与浅部开采的缓倾斜厚层煤有关，地表的移动和变形在空间和时间上是非连续的、渐变的，与地下采空区具有连通性，产生抽冒的结果。

3.3 塌陷区变形分析

铁锤山矿区开采煤层顶板覆岩类型为中硬岩石，冒落带高度主要取决于采出厚度或直接顶板岩石的的碎胀系数。结合《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》[11]，其变形预计根据经验公式计算如下[12-14]：

Umax=Wmax×bc

(1)

εmax=1.52bcWmax/r

(2)

(3)

(4)

其中，Umax为水平方向最大位移；Wmax为最大下沉量；εmax为水平方向最大变形；b为水平移动系数，按覆岩性质取0.3，bc=b(1+0.008 6α)；r为主要影响半径，r=Ho/tgβ=80/1.6=50，Ho为采空区最大埋深80 m；tgβ为主要影响角正切；Hm为冒落带高度；Hi为导水裂隙带高度；M为煤层采厚(含伪顶)。

类比确定有关参数及计算结果见表1。

表1 采区地表移动与变形计算结果表

根据地表移动变形计算结果(见表1)及地质矿产行业标准《地质灾害危险性评估技术规范》[15]确定采矿影响程度强烈，根据地表移动变形预计及地面塌陷现状，可对采空区地面塌陷进行稳定性及危险性评价。

4 结语

1)采空区变形特征随着煤层埋藏深度的不同而有所变化。浅部采空区的移动盆地边界明显，移动区较窄，但变形剧烈，裂缝发育，并经常由裂缝发展为阶梯状错落台阶，随着煤层埋藏深度的加大，移动盆地相对于采空区范围逐渐扩大，移动区宽度也相应加大，移动区坡度变缓，自移动盆地中心向盆地边缘逐渐过渡。

2)铁锤山石煤采空区地面塌陷现状与变形的理论预计是基本吻合，区内采矿影响程度强烈，采空区影响范围内发生塌陷的可能性大，基于地面变形和移动的理论计算，且可以处理采空区塌陷后对地面变形问题。

3)利用移动盆地变形理论，对石煤采空区地面塌陷的变形规律、影响因素进行了有效性评述；将铁锤山地面塌陷影响区划分为危险性大区0.07 km2，危险性中等区0.57 km2。

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