浅析襄垣县地面塌陷的破坏特征及风险管控建议

何文思

（山西省地质勘查局二一二地质队有限公司，山西长治 046000）

1 概述

煤炭资源开发所造成的地面塌陷地质灾害也是襄垣县最主要的地质灾害种类之一，其危害区域大、波及面宽、所产生的社会危害也大。近年来，由于地质灾害区域的扩大，襄垣县内大批民房被毁坏，大片农田和地下水资源遭受严重损害，不少村庄被迫整体搬迁，严重影响了当地的社会安定和经济发展。襄垣县土地塌陷的产生主要受开采行为的制约。采空区范围内产生时，由于在煤层的直接顶部砂石或页岩中的上覆岩石形成了一个架空构造，原来的周围应力平衡关系发生了打破，采空区的直接顶部岩层在墙体自身与上覆岩石体的相互压迫影响下，发生了向下扭曲和移动改变；当直接顶层岩体内部所产生的拉张应力达到了该岩体的最大抗拉强度极限时，直接顶部产生了冒落，上覆岩石扭曲、移动、断裂发生变化，随采空区范围增加，在土壤中产生了下沉改变。

本文通过对现状地面塌陷对居民建筑和农田的破坏特征，提出地面塌陷的风险管控建议。

2 现状地面塌陷变形破坏特征

2.1 地面塌陷对居民建筑的变形破坏特征

襄垣县经济发展的支柱产业是煤炭工业，由于煤层开采后引发地表移动变形进而影响地表建筑物。由于历史上襄垣县煤炭资源存在过的无序开采，导致部分村庄及居民点受到采空区变形的影响，采空区变形对上部建筑物造成严重威胁，极大的影响了当地居民正常生活及财产安全。

受采煤活动影响的地表建筑物其自身形态会发生变化，最常见的形式是墙体出现裂缝，建筑物墙体出现的裂缝最直观的影响是降低建筑物的外观美感，最致命的影响是对建筑物的安全性及使用寿命产生极大影响。襄垣县采空区建筑物墙体常见的裂缝主要有以下几种类型。

（1）墙体顶端的竖向裂缝。受煤炭采矿活动环境影响，非钢直径砼圈柱及壁顶水平配筋砌体带的建筑，墙顶较易出现垂直裂缝。这种裂缝的共同特征是：上部较宽，下部窄，竖向向下发育，由于横墙的强度比纵墙的强度大，因此纵墙出现的竖向裂缝明显较多，横墙出现的竖向裂缝明显较少（见图1）。

图1 夏店镇马喊村房屋竖向裂缝

（2）窗台墙上的竖向裂缝。此裂缝往往是从窗台洞口处向下发育，上面宽下面窄，窗口宽度越大，裂缝的发育形势越严重。窗台洞口处墙体上产生竖向裂缝的原因是受到采煤掘进活动引起的地表正曲率变形的影响，窗台板成为了反梁，导致窗台墙受到弯曲变形进而产生了裂缝（见图2）。

图2 古韩镇西港村窗台墙上竖向裂缝

（3）窗间墙上的水平裂缝。这种裂缝经常出现在建筑物下的门窗洞口水平处（见图3），在门窗洞口的边缘这种裂缝很宽。窗间墙上的水平裂缝产生的主要原因是：由于采煤掘进活动影响建筑物的窗间墙体，除了受到了自重及上方墙体的纵向作用力还要承受由于地表曲率变形导致的门窗及层间水平砌体的应力变化产生的弯矩。

图3 富阳工业园区窗台墙上水平裂缝

（4）砖过梁上的竖向裂缝。门窗窗台的垂直裂缝往往在砖过梁中间产生，然后向上发展，门窗梁处裂缝宽度较大（见图4）。建筑物的水平砌体带在表面负曲率下弯曲产生拉应力，导致砖梁上方出现垂直裂缝，对于建筑物底部的砖过梁，在墙体结构的薄弱环节由于地表水平移动变形引起的拉应力可能会产生裂缝。

图4 上良村砖过梁上竖向裂缝

2.2 地面塌陷对农田的变形破坏特征

襄垣县农田受采煤活动影响最常见的变形破坏形式主要包括塌陷坑及地裂缝两种，其主要变形破坏特征如下：

塌陷坑：襄垣县的塌陷坑多是由煤炭采空时产生，由于分布范围广泛，危险性也很大，其平面形状复杂多变，常呈不规则的圆形、椭圆形、长条形等，按其形态分成漏斗式塌陷坑和槽式塌陷坑等二种类型。

地裂缝：地裂缝是采空区地塌陷的常见表现形式。常单独出现，也可组合形式出现，或与塌陷坑相伴出现。塌陷裂缝一般长几米至几百米，宽几厘米至数米。地裂缝还具备了一定的形状特点，如直线型地裂缝：裂隙大小均匀，延伸方向走向相对稳定；曲线形式：裂缝成圆弧曲线，大多数从工作面的一边扩展至另一边。

襄垣县地面塌陷最主要以上述两种形式或组合出现、或单独出现，以下结合实例进行详细阐述。

（1）塌陷坑伴生地裂缝——夏店镇北马喊村地面塌陷：夏店镇北马喊村地面塌陷位于北马喊村西农田处，其最主要的变形破坏型式是塌陷坑和伴生地裂缝，塌陷发生日期大约在今年清明，但近期变化更加剧烈，塌陷坑直径约2m，成椭圆状分布，长轴约2m，短轴约1.8m，可见深度约2m，裂缝长约100~200m，走向约220°左右。裂缝宽约1~5cm。该处的地面塌陷地质灾害，严峻危及着村民的工作和生活安全（见图5）。

图5 北马喊村塌陷坑伴生地裂缝

（2）塌陷坑——王桥镇东山底村地面塌陷：王桥镇东山底村地面塌陷位于东山底村北，田内分布有多处地面塌陷，村北耕地里有2处地面塌陷。呈圆形分布，坑直径约6m，深度约1.5m。有一处地面塌陷现村民堆放垃圾（见图6）。

图6 东山底村塌陷坑

（3）地裂缝——王桥镇西山底村地面塌陷：王桥镇西山底村地面塌陷位于西山底村西，其最主要的变形破坏形式为地裂缝。共发育两条，其地裂缝1，走向315°，裂缝长约9.5m，宽约0.8m，可见深度约0.5m；裂缝1东侧约500m出现地裂缝2，与地裂缝1走向为斜交展布，走向240°，长约15m，最大宽约1.2m，可见深度约0.6m，裂缝出现时间为2016年（见图7）。

图7 西山底村地裂缝

3 地面塌陷风险管控措施探讨

3.1 对居民建筑的风险管控措施

地面塌陷、地面的移动变形打破了建筑地面内部的平衡状况，从而使得房屋出现变化、损坏进而使住宅坍塌，给住户正常生活带来了许多问题，危及到人民的身体健康和产业安全性。房屋为什么会发生变形破坏，主要是因为由于采空区面积的变化产生而使房屋原来的应力状况改变所引起的，故为了维护房屋的安全稳固性，从二个方面来进行，一是对采空区面积变化的处理；二是对房屋本身的处理。

（1）避险搬迁。对损毁、变化严重的村镇、居住建筑物宜采取整村及部分村庄避让拆迁办法，新农村建设项目布局宜以避让为主，重点建设项目、居民点及其他建设项目宜尽可能避免采空区域和采矿塌陷区的危害区域。

（2）监测预警。

①GPS-PPK 技术对地面塌陷监测。监测内容：监测塌陷面积、塌陷深度、沉降速率，分析塌陷趋势。监测实行专业监测，首先在矿区及附近建立基准点网，利用PPK 技术对塌陷坑的形态、面积和深度及相关要素的变化状况实施定期监测。监测网点布设原则上以达到基本控制塌陷区形态，较精确测量塌陷区面积和下沉深度为宜，以控制性为主。监测点主要布置于可能受塌陷影响的村庄、道路、塌陷区边缘等处。监测频率周期为每季度一次。

②简易地质灾害观测。在已发生过的地面塌陷处，尤其是发育程度较重的部位，应监测地面、房屋墙体、门窗的变形，将已变形且尚未治理很好的塌陷和地面建筑物进行重点治理、保护及监测，在暴雨期做好防范和撤离准备；对已出现裂缝的房屋墙体、门窗采取简易的卷尺、刚直尺及贴条法进行监测。

（3）工程治理。

①应通过物探、钻探、调查考察等技术方法加以勘探，查清采空区的位置、埋深及稳定性。按照采空区的分布、埋深及稳定性，通过灌浆、回填、桩基等工程措施确保建筑物的安全。

②对采空区上部村民房屋，应及时对裂缝进行加固或填充。增强建筑物的整体刚度和结构稳定性，进而提高建筑物的抗形变能力。

以下结合实例进行详细阐述：

（1）工程治理——候堡镇邕子村地面塌陷：候堡镇邕子村地面塌陷位于邕子村，该处塌陷区位于常村煤矿采空区范围内，该煤矿始建于1995 年，现主采3#煤层，开采时间为2015年，由于煤层开采导致该村多处房屋出现墙体裂缝，随墙体竖向延伸至墙底，裂缝宽约0.3~0.5cm，村北部分房屋开裂较明显。裂缝宽约5cm，近两年墙体有加剧开裂迹象。

（2）监测预警——夏店镇冯家庄地面塌陷：夏店镇冯家庄地面塌陷位于冯家庄村，该地面塌陷位于晋平煤业采空区范围内，主开采3#煤层，开采时间为2003年，村内房屋有轻微开裂迹象，开裂时间约2005 年左右，建议对其进行长期监测。

（3）避险搬迁——候堡镇西回辕村地面塌陷：候堡镇西回辕村地面塌陷位于西回辕村内，该处塌陷区位于常村煤矿采空区范围内，该煤矿始建于1995年，现主采3#煤层，开采时间为2015年，该村村东村民房屋2012年大部分已拆迁，暂借住其他地方，新村未盖好，旧村内老房屋开裂明显，裂缝宽约10cm，随墙体竖向延伸至墙低，贯通性强。村内道路地裂缝开裂明显，裂缝宽约0.5~10cm。

3.2 对农田的风险管控措施

随着土壤塌陷区域的扩展，涉及到的土地和耕地均遭到损毁，农作物栽培和收割陷入困难。采煤塌陷形成低洼积水坑或沼泽地，对地表植被和生态系统破坏严重，打破了原有的生态平衡。由于土壤表面能够栽培大量庄稼，而土地的坍塌又会损伤土地表面，使农田根本就无法正常耕作，从而造成了大量农田绝产，给农户经济带来了重大损失，农户的基本生存条件和农田资源也进一步遭到了破坏，因此土地坍塌所造成的社会影响也十分严峻，农村经济与矿业之间、人地的矛盾冲突也更加尖锐。

（1）地形整治。

①浅塘整治：将塌陷区域大且水位较浅的积水区划分为浅塘，并加以针对管理，将清理的污泥暂时放置到周围地势略高的地方，最后再回填在道路堤塘周围。

②挖深垫浅：把塌陷相对严重的地方或者相对受损害小的地方包括林地和农田。剥离表层泥土后，将沉降深度大于2m 的地方挖深，填在沉降量不大的地方，以使土壤维持在高出表面的情况。

③绿化：采矿导致地面塌陷会使生态环境遭受很大损失，应对坍塌积水的岸边和急需维修的鱼塘进行全面绿化管理，可以采用种植速生杨、土壤中撒上草种的方法进行。

（2）土地恢复。

①对部分塌陷程度不深、范围不大的塌陷坑进行回填与清理作业，而对于塌陷现象较为明显的区域则要进行回填作业，在下方利用煤矸石进行分类回填，最后整平。平整完成后，在上方使用耕植土，以促进植被生长和农作物的发育。

②根据沉陷的破坏程度复垦方法，一般有表土剥离(回覆)、裂隙充填、土地平整、翻耕、土地培肥等。由于在开采过程中，对耕地中的基本农田进行充填采空区的防护措施，以减少土壤地表沉陷收缩和土裂纹发生，从而降低对基本农田的破坏范围、损伤程度，并采取提高培肥量、培肥时间等，以确保基本农田品质不下降。

（3）监测预警。设立了村级监测网，进行了群测群防，村级监测网一般由村主任、队长管理，并采取了定期巡测与汛期强化监测有机地结合的形式开展，定期巡测通常为每月开展一次，而汛期加强监控为每日24h的监控；群测群防体系的启动以下结合实例进行详细阐述：

①夏店镇九龙村地面塌陷（浅塘整治、挖深垫浅）：夏店镇九龙村地面塌陷位于九龙村南部，该地面塌陷区位于大平煤业采空区范围内，主开采3#煤层，开采时间2012 年，塌陷坑发生时间为2015 年，长轴方向为东西方向，目前已形成大面积积水区。伴生地裂缝长约500m，宽约0.08m，可见深度约0.5m。该处对约130 亩农田的耕种造成影响，使耕地下沉并形成积水，导致周边农田已无法耕种。

②夏店镇夏店村地面塌陷（裂缝充填、回填整治）：夏店镇夏店村地面塌陷位于夏店村东南部，该地面塌陷位于潞安慈林山煤业采空区范围内，主开采3#煤层，该处农田地里有地面塌陷及开裂现象，农田高低起伏，陷坑呈不规则形，发生时间为2012年，伴生地裂缝长约180m，宽约0.3~0.6m，可见深度最深约1.2m，走向呈南北，为拉张性裂缝。

4 结论

地面塌陷是非常严重的一种自然灾害，会对人们的生命财产安全造成直接的威胁，需要引起人们足够的重视。如果有地面塌陷问题出现，就需要结合具体情况，科学选择勘察手段，从多个方面来勘察，分析地面塌陷形成的原因，以便采取针对性的控制手段，最大限度地降低地面塌陷所带来的危害。