20世纪80年代以来, 伴随着经济高速增长, 出现了小煤矿的遍地开花和盲目发展.小煤窑私挖盗采、水平差、效率低、浪费严重, 并遗留下大量深度较浅、范围较窄、开采方式落后的小窑采空区.这些小窑采空区错综复杂、分布无规律、稳定性差、隐蔽性强, 导致地质灾害此起彼伏, 环境破坏严重, 矿难伤亡事故剧增, 成为影响我国矿山安全高效生产的重大隐患.本文以某矿区典型小窑采空区地质灾害勘察及评价工程为例, 就采矿形成的采空区及其引发地质灾害的特征进行系统的分析与评价, 为确定合理的地质灾害防治措施提供技术依据, 也为类似的采空区工程评价提供参考.

1 采空区分布特征勘察

某地下煤矿开采已历经30多年, 其地表为比较集中的居民住宅和大河.随着采空区范围的逐年扩大, 出现地面塌陷、地表移动和地裂缝等地质灾害, 并造成多栋房屋变形开裂.为评价采空区地质灾害危险性, 按《煤矿采空区岩土工程勘察规范》 ^[1]要求, 对其分布特征进行勘察.勘察区面积6.13 km², 现场调查发现地面塌陷坑3处、地表移动盆地3处、地裂缝2处, 房屋裂缝轻微损坏14处、轻度损坏20处、中度损坏16处、极度严重损坏10处.采空区勘察工作包括野外调查、工程物探、工程钻探、井下电视、室内试验等^[2].

1.1 工程物探

采用高密度电法和可控源音频大地电磁法相结合的综合物探技术, 初步圈定异常区边界和范围.高密度电法:布置测线22条, 电极距5 m, 完成观测断面长度13130 m, 共完成2706个点; 可控源大地音频法:布置测线7条, 电极距20 m, 共完成75个点.

典型测线的高密度电法物探影像见图 1.从图中可见, 视电阻率变化情况总体趋势是上低下高, 变化范围在之间100~600 Ωm, 上部电阻率较低是地表第四系粉砂、亚砂土的反映, 向下电阻率值逐渐增高是基岩层的反映.在水平向250~270 m、垂直向40~60 m之间存在一低阻异常带, 电阻率小于220 Ωm且出现封闭圈; 在水平向280~320 m、垂直向90~100 m之间存在一低阻异常区, 电阻率小于220 Ωm.推测电阻率小于220 Ωm的异常区为含水采空区.

典型测线的可控源物探结果见图 2.从图中可见, 该剖面存在两处高阻异常, 中心点位置分别在0 m和90 m处, 两处都为高阻圈闭异常, 深度约为40 m, 推断为采空区异常.

1.2 工程钻探

沿着矿脉和物探圈定的采空区走向边缘地带, 布置22个钻探孔, 对物探异常区进行验证, 确认物探异常的性质、状态, 为圈定采空区提供准确依据.钻探总进尺1820.9 m, 全取心钻孔的平均采取率79.1%.钻孔深度以揭露采空区和控制采空区边缘为原则^[3].

为直观了解各空洞特征及岩层裂隙分布等地质构造现象, 钻探时配合采用井下电视设备16组.总体来说, 孔内无水情况时, 摄像效果显著, 比较清晰连续, 真实反映了基岩分布、裂隙发育及采空分布特征; 孔内饱水及含煤时, 效果较差, 煤层中油污现象比较严重, 同时岩层局部裂隙发育并有掉石现象, 使孔内电视无法下探, 参考价值不大. 表 1为揭露采空的主要钻孔及钻探所得的区域采空特征.

1.3 采空区分布特征评价

根据物探及钻探的综合分析, 查明采空区所在地层条件, 得出采空区形状、大小等分布规模特征(见表 2).采空区主要包括4层煤组:大堡组(Ⅰ)、大堡组(Ⅱ)、长梁子组(Ⅲ)和长梁子组(Ⅳ).大堡组煤层一般发育, 煤层不连续, 局部缺失, 厚度不均匀, 分布面积小; 长梁子组煤层较发育, 煤层连续, 厚度较均匀, 分布面积广.现场基本上是无序滥采, 采矿方法属于小窑及巷道开采, 顶板管理采用全部陷落法, 存在越界开采及盗采现象.采空区形态极不规则, 属于浅层采空区, 易引发地面塌陷和地裂缝等地质灾害.

2 采空区影响范围预测

按《三下压煤留设开采规程》 ^[4]所述的方法, 利用勘察圈定的采空区位置, 由下至上分层计算, 预测采空引起的地表移动范围(见图 3).

计算公式为^[5]:

$ R = \frac{H}{{\tan \beta }} $

(1)

式中: R-影响半径(m); H-走向边界采深(m); tanβ-主要影响角正切, 参考地表移动覆岩分类表^[5]取值.

依据《规程》 ^[4], 选取计算参数(见表 3).据此计算采空区的预测影响范围, 成果见表 4.

通过以上分析可知:采空区垂直投影总面积18.2×10⁴ m², 采空区预测影响面积25.52×10⁴ m².预测面积是采空区垂直投影面积的1.4倍, 采空对地表的影响范围远大于采空区垂直投影面积.

3 采空区残留空洞的稳定性评价 3.1 采空区空洞的现状

由于采出空间较小, 部分顶板未垮落, 形成自然平衡拱, 遗留下大量的采空区残留空洞.这虽然暂时控制了地表下沉, 但由于空洞埋藏浅, 顶板松软, 覆岩碎裂或呈散体状, 可能产生"抽冒型"破坏, 并引发地面塌陷^[6], 对地面构筑物构成严重威胁.

依据《岩土工程勘察设计手册》 ^[7], 评价顶板岩层破坏的可能性, 公式如下:

$ {h_0} = \frac{{\gamma B + \sqrt {{\gamma ^2}{B^2} + 4\gamma B{p_0}\tan \varphi {K_a}} }}{{2\gamma \tan \varphi {K_a}}} $

(2)

其中: h₀-采空区顶板岩层临界厚度(m); B-巷道宽度(m); φ-顶板岩层重度(kN/m³); γ-顶板岩层综合内摩擦角(°); p₀-地面附加应力(kPa); ${K_a} = {\tan ^2}\left( {{{45}^\circ } - \frac{\varphi }{2}} \right)$.

表 5为按公式(2)的计算结果.当采空区顶板岩层厚度h小于顶板岩层临界厚度h₀时, 勘察区域内的采空区上顶板岩层处于不稳定状态, 顶板岩层有塌陷的可能性.

3.2 采空区活化的稳定性评价

老采空区存在进一步活化的潜在威胁, 体现出很强的隐蔽性和复杂性特征, 具体表现如下.

1) 采空区位于地下深处, 也许是一层、也许是几层, 形态也随着煤层的变化而变化.其具体发育特征难以彻底查清, 导致采空区活化具有很强的隐蔽性.

2) 在水文地质条件变化、地震和地面堆载等多种因素的作用下, 多层采空区的连通、叠加效应明显, 且部分采空区充满水, 水对采空区产生复杂的力学作用, 采空区活化机理和过程非常复杂.

3) 部分残留的采空区矿洞范围大、埋深浅, 对地表威胁大.此类采空区的活化和失稳破坏具有很大的突然性, 引起的塌陷时间也难以估计.

4) 暂时稳定的采空区, 其变形是长期缓慢的过程, 可能在数十年到上百年才发生活化, 而目前已发生过活化的老采区, 将来也有再次活化的可能.

4 采空区覆岩三带发育特征评价

根据《矿区水文地质工程地质勘探规范》 ^[8], 定量评价采空区覆岩三带的发育特征.垮落带按公式(3)计算, 导水裂隙带按公式(4)计算.

$ {H_{\rm{c}}} = (3 - 4)M $

(3)

$ {H_{\rm{f}}} = \frac{{100M}}{{3.3n + 3.8}} + 5.1 $

(4)

式中: H_c-垮落带高度(m); H_f-导水裂隙带高度(m); M-煤层采厚(m); n-煤层分层数.

根据上述公式, 对煤层的垮落带和导水裂隙带进行计算, 具体见表 6.从表中可见:

1号采空区垮落带和裂隙带的高度合值34~67 m, 接近或超出煤层上覆正常基岩厚度, 采空区埋深23.5~71.2 m, 弯曲带接近或已露出地表, 地表第四系厚11.1 m左右, 则弯曲带厚度0~14 m, 上覆岩层垮落后在地面可能发生塌陷坑和地表移动盆地.

2号采空区位置距1、3号采空区较近, 未进行钻孔验证.参考1、3号采空区沉陷特征, 2号采空区若是Ⅲ煤或Ⅳ煤的采空区, 垮落带和裂隙带的高度合值小于煤层上覆正常基岩厚度.采空区埋深70 m左右, 弯曲带至地面距离3.0 m左右, 地表覆第四系很薄, 则弯曲带的厚度3.0 m左右, 局部岩石裂隙、节理发育, 地表发生塌陷可能性小, 表现形式为地表移动盆地.

3号采空区垮落带和裂隙带的高度合值50.31 m.由于断层挤压抬升影响, 靠近断层一侧煤层边缘抬升翘起, 上覆岩层为0.7 m, 局部顶板直接为第四系覆盖, 采空区埋深22.7 m左右, 弯曲带已露出地表, 上覆岩层垮落后在地面可能发生塌陷坑或地表移动盆地.

4号采空区为浅部采煤后形成, 垮落带和裂隙带的高度合值34.0~62.0 m, 采空区埋深41.0~78.0 m.采空区北部弯曲带接近地表, 南部采空区弯曲带已露出地表.弯曲带厚度0~30 m, 上覆岩层垮落后在地面可能发生塌陷坑.

5 地表移动和变形特征评价 5.1 地表移动和变形形式

勘察结果表明, 本场地为小窑"礼堂式"开采形成的采空区, 采空范围窄小, 巷道的高宽尺寸仅2~3 m.开拓方式以巷道式或短壁式为主, 因采深较浅, 且顶板不支撑, 导致地表变形剧烈.地表移动主要表现为塌陷坑、地表移动盆地及地裂缝3种形式, 具体特征如下.

1) 塌陷坑边缘一般比较陡, 平面形状呈圆形或椭圆形, 直径随深度增加, 空间形状为漏斗状锥形落洞.塌陷坑形成区域的覆岩较薄^[6], 岩性主要为软弱的风化层和松散层.

2) 地表移动盆地的特征是范围较大、深度较浅的盘状凹地.形成原因是煤柱体受压破坏, 或压入顶底板, 覆岩层垮落或弯曲下沉所致^[6].

3) 地裂缝成组发育, 走向平行于开采面的前进方向, 同组裂缝相互平行.单裂缝呈上宽下窄的特征, 两侧高差变化不大.

图 4为采空区地表下沉典型特征图.

因采空区引起的地裂缝地质灾害危害程度较大, 危险性中等; 引起的地面塌陷及地表移动盆地地质灾害危害程度大, 危险性大.地面塌陷和地裂缝灾害已造成既有构筑物不同程度的变形、开裂等现象.

5.2 地表变形特征参数分析

依据《规范》 ^[1], 对地表变形的特征参数进行定量分析.公式如下.

$ 最大下沉值: {W_{\max }} = m \cdot q \cdot \cos a $

(5)

$ 最大倾斜值:{I_{\max }} = \frac{{{W_{\max }}}}{r} $

(6)

$ 最大曲率值:{k_{\max }} = \pm 1.52\frac{{{W_{\max }}}}{{{r^2}}} $

(7)

$ 最大水平位移值:{u_{\max }} = b \cdot {W_{\max }} $

(8)

$ 地面影响区半径值:r = \frac{H}{{\tan b}} $

(9)

式中: q-下沉系数; a-矿层倾角(°); m-开采厚度(m); b-水平移动系数, 取0.3.

按式(5)~(9), 计算各煤层开采后的地表移动、变形和倾斜值等特征参数, 结果如表 7.

表 7数据显示:

1) 各煤层开采情况不同对地面影响也不同. 1、3号采空区对地表构筑物影响最严重, 4号采空区范围内发生地表塌陷可能性最大. 1、2、3、4号采空区的地表活动均会进一步加强, 将对当地居民生活造成严重威胁.

2) 地面塌陷、地裂缝、房屋开裂的出现和发展, 表明地表移动且速度较快, 采空影响区域处于地表移动活跃期.经计算可知, 地表移动尚未达到水平位移和塌陷限值.其他未出现地表移动现象的区域, 处于暂时稳定状态或变形初始期.

6 结论

1) 本勘察区基本属于无序小窑及巷道开采, 顶板管理属于全陷落.就地表变形灾害勘察结果来看, 因采空区引起的地裂缝灾害危害程度较大, 危险性中等; 引起的地面塌陷灾害危害程度大, 危险性大.地质灾害已造成既有构筑物不同程度上的变形、开裂等现象.

2) 采空区的预测面积是采空区垂直投影面积的近1.4倍, 说明采空对地表的影响范围远大于采空区垂直投影面积.顶板岩层的临界厚度大于上覆岩层厚度地段处于不稳定状态, 顶板覆岩有塌陷的可能性.

3) 采空区内各煤层的顶板覆岩主要为软弱的风化层和松散层, 底板岩石坚硬程度相对较高, 仅局部为软岩.勘察区存在地下采煤活动和地下水的影响, 导致采空区的顶板、底板岩层强度降低和预留煤柱的破坏, 是诱发地面塌陷的原因.

4) 1号和3号采空区, 垮落带和裂隙带的高度合值接近或超出上覆正常基岩厚度, 加上断层抬升紧压影响, 在地面可能发生塌陷坑或地表移动盆地; 2号采空区的垮落带和裂隙带高度合值小于上覆正常基岩厚度, 发生塌陷坑的可能性小; 4号采空区北部弯曲带接近地表, 南部采空区弯曲带已露出地表, 上覆岩层垮落后可能出现地面塌陷坑.

5) 各采空区地面变形时期不尽相同, 1号和3号采空区对地表构筑物的影响最严重, 4号采空区范围内发生地面塌陷的可能性最大. 1、2、3、4号采空区的地表活动均会进一步加强, 将对当地居民生活造成严重威胁.

6) 勘察区范围内的地下煤炭资源继续开采、周边矿山生产爆破、地下水环境的变化等众多因素, 将打破采空区的现有平衡状态, 诱发采空区活化发生, 引发采空区的地面变形加剧.