渭北矿区地表裂陷地质灾害成因及防治.pdf

第19卷 增刊 2004 年6月 地球科学进展 ADVANCE IN EARTH SCIENCES Vol.19 Suppl. J un.，2004 文章编号1001- 8166 （2004 ）增-0258- 04 渭北矿区地表裂陷地质灾害成因及防治 李振林 （陕西能源职业技术学院， 陕西 咸阳 712000 ） 摘 要 讨论了渭北矿区地表裂陷的成因、 危害、 防治的方法和意义。指出地震、 活动性断裂、 人类 采矿活动、 地下水活动等地质作用和煤层埋藏地质条件是矿区地表裂陷地质灾害的主要原因。矿 山有关部门在减灾、 防灾方面应采取的措施。 关 键 词 渭北矿区； 地表裂陷； 地质灾害 裂陷规律； 防治措施 中图分类号 P694 文献标识码A 渭北铜川、 蒲白、 澄合、 韩城四大矿区是陕西省 主要产煤区之一， 开采历史悠久， 伴随煤炭开发已引 起了普遍的矿区地表裂缝、 陷落， 以下称作地表裂 陷， 且以地表裂陷为祸根的滑坡、 泥石流、 地表水污 染、 地下水流场改变、 矿井涌水量增大、 建筑物破坏、 土地资源损失等严重影响矿区生态环境和矿井正常 生产的现象屡次发生， 造成了无法估量的经济损失。 因此分析矿区地表裂陷地质灾害的成因， 采取有效 措施减轻和避免这一危害具有重要意义。 1 矿区地表裂陷地质灾害成因分析 1.1 内力型地表裂陷地质灾害 （1）地震造成地表裂陷。地震是一种潜在的突 发性和破坏性极大的地质灾害； 地震时常使地表出 现裂陷。如西安地裂陷， 其形成的地质作用复杂， 从 地裂缝活动强度看， 与我国1976 年前后华北地区地 震活动高潮密切相关。我国是一个多震国家， 且 80％以上的煤矿位于地震分布区， 矿区许多大的地 裂陷与地震有关。1993 年9月5日， 大同矿区发生 顶板冒落， 产生里氏2.7 级地震， 造成矿区地表产生 裂缝34条， 受灾面积3.76 km 2。陕西省历史上曾多 次发生地震， 谓北四大矿区均分布于七度裂度区， 深 受地震灾害影响。如韩城矿区； 处于汾渭地堑强震 带之中， 平均每2～3 年就有一次有感地震发生， 地 震作用影响着其它外力地质作用。所以， 渭北各矿 区的地表裂陷灾害与近年来的矿区地震关系紧密。 （2）活动性断层造成地表裂陷。活动性断层是 现代地壳运动的不稳定区， 包括现今正在活动的或 近期曾活动过的、 不久的将来可能会重新活动的断 层。断层发生时一方面可诱发地震， 另一方面， 断层 活动使附近地面变形， 产生地表裂陷。如澄合矿区 杨庄地裂缝就产生在杨庄大断裂带上， 自1989 年以 来， 杨庄断裂带活动明显， 产生的地裂缝延伸在地表 黄土层中， 走向40 NW 长约1 km ， 宽5 m， 深1～3 m。地表水沿此地裂缝急速下渗， 使附近居民住宅 及蓄水池严重破坏。韩城矿区东南边缘的Fl大断 裂是一条公认的典型的活动性大断裂， 也是本地区 最大的地质灾害源。近年来韩城多次地震的发生及 滑坡均与此断裂活动有关， 就在断裂带附近产生了 一系列的地表裂陷。 （3）煤层埋藏地质条件对地表裂陷的影响。煤 层埋藏地质条件包括煤层的埋藏深度、 煤层倾角大 小、 煤层厚度大小和上覆岩层情况等， 它们是影响煤 矿开采裂陷的内因之一。矿区开采证实 煤层埋藏 较浅、 倾角较大、 煤层开采厚度大， 采空区空间大时， 开采引起的地表裂陷范围也大。煤层上覆岩层强度 低， 分层薄， 第四纪沉积物厚度大时， 采空区地表裂 陷的范围和幅度也大。第四纪黄土层厚度影响地表 裂陷的幅度情况在渭北矿区尤其是铜川矿区很突 出， 表现为 在开采深度、 开采宽度和开采高度接近 收稿日期 2004- 04- 10． 作者简介 李振林 （1962-）， 男， 陕西咸阳市人， 副教授， 从事工程地质及环境地质教学研究 ． E - m ail lizhenlinhou ＠ tom . com 情况下， 上覆黄土层较厚区 （100 m 左右 ）地表裂陷 深度比黄土层较薄区 （小于30 m ） 大1.4 倍。 1.2 外力型地表裂陷地质灾害 矿区外力型地表裂陷主要是人们采矿活动和地 下水活动造成的。 （1）煤矿开采产生的地表裂陷。煤层井工开采 形成采空区， 采空区的直接顶板岩层在自重力及上 覆岩层的作用下， 首先向下产生弧形弯曲和位移。 当超过岩层的抗拉强度时， 弧形不断加大， 位移增 加， 最后发生断裂、 破碎， 直至冒顶。当回采工作面 切眼开始向前推进距离相当于1 / 4～1/2 Ho （Ho为 平均采深 ）时， 开采引起的沉陷使地表下沉， 在地表 形成一个比开采范围大得多的下沉盆地， 在盆地边 缘产生张力， 形成拉张裂隙， 并随着盆地的逐渐下 降， 在外力作用下。裂缝不断扩张， 促使地表产生一 系列地裂陷。澄合矿区因采矿产生地面裂陷最严重 的地区位于董家河矿、 权家河矿、 二矿及县办尧头斜 井的采空区范围内， 累计开采面积6.94 km 2， 移动 裂陷面积达7.4 km 2。据统计， 韩城矿区明显的地 裂陷有183 处， 裂缝宽0.1 ～2.5 m ， 有的深不见底。 分布于桑树坪、 野鸡岭、 胡岭、 杨家岭至五里桥一带， 总面积达41.5 km 2。铜川和蒲白矿区因采矿也产 生了程度不同的地表裂陷。 铜川、 蒲白、 澄合等黄土覆盖层较厚的矿区， 受 黄土层特有物理力学性质影响， 煤矿开采引起的地 表裂陷除下沉幅度大外， 还有传播速度快、 移动持续 的时间短， 在采空区周围常形成椭圆形的裂陷坑。 危害严重， 最典型的有蒲白矿区南井头矿4501 工作 面和澄合矿区董家河矿12501 工作面。 南井头矿4501 工作面开采深度94 m ， 黄土厚 60 m ， 土岩厚度比为1.76 ， 采厚2.1 m ， 煤层倾角0 ～1 。当工作面从切眼向前推进40 m 时， 切眼内侧 的地表开始出现裂缝， 随工作面推进， 在工作面上前 方一定范围内依次出现地表裂缝， 大裂缝2～3 条， 宽达400 ～700 m m ， 倾向采空区， 呈台阶状， 台阶高 差300 ～500 m m ， 并在采空区周围地表有一系列椭 圆形裂陷坑。董家河矿12501 工作面， 开采平均深 度292.3 m ， 黄土层厚106.20 m ， 土岩厚度比为 0.57 ， 煤层倾角7 ， 采厚2.19 m ， 并随工作面向前推 进， 也很快在采空区上方一定范围出现一系列地裂 缝， 最大宽度达156 m m ， 台阶高差194 m m ， 经过一 场大雨后， 在距采空区40 ～60 m 处有一系列串珠状 裂陷坑， 坑宽3～10 m ， 深达6.5 ～8.0 m ， 灾害严重。 （2）地下水活动产生的地表裂陷。石灰岩、 白 云岩等可溶性岩石在地下水的溶蚀作用下产生塌陷 的现象叫岩溶塌陷。渭北四矿区CP煤系的基底 是奥陶纪石灰岩， 其中古代溶洞非常发育， 尤其是构 造破坏地带。在矿山开发前， 由于地下水不断地溶 蚀， 溶洞越来越大， 在地质构造力和上覆岩层重力长 期作用下， 溶洞塌陷， 上覆煤系随之陷落， 形成陷落 柱。当陷落波及上覆黄土层， 在雨水、 地表水下渗作 用下， 地表产生裂陷。铜川矿区的鸭口煤矿、 东坡煤 矿、 澄合矿区的二矿等生产矿井工作面中和探煤巷 道均遇到这样的陷落柱， 有的经揭露， 陷落柱中松软 的含水泥砂很快涌人坑道， 影响安全生产， 不得不重 开切眼。并经及时处理有效地防止了上部黄土层裂 陷。在煤矿开发时期， 由于生产及生活需要， 抽取了 大量的地下水， 抽取液体引起液压下降使地层压密 而导致地表沉降裂陷。同时采矿产生塌陷破坏了含 水层的完整性， 生产矿井大量疏排矿井水等使地下 水流场剧烈波动， 原来被堵塞的落水洞、 裂隙和与之 相连接的下部排水通道复活， 重新成为地下水集中 活动地段， 将孔洞、 裂隙中充填物及覆盖的泥砂， 土 层潜蚀搬运走， 导致盖体土层下形成隐伏土洞。由 于黄土沉积松散， 发育柱状节理， 又具有湿陷性， 在 重力和地表水作用下产生地表裂陷。这一方面在各 矿区均有不同程度的表现。 总之， 渭北矿区地表裂陷就是上述内外力型地 质作用造成的， 这些地质作用表现方式和强度在各 矿区有所不同， 因而造成的地质灾害程度各异， 其中 以煤矿开采活动造成的裂陷范围和幅度最大。 2 矿区地表裂陷的危害 矿区地表裂陷一开始规模较小， 随时间推移和 采空区不断扩大， 裂陷灾害范围大面积增加， 同时诱 发其他地质灾害。近年来， 韩城矿区的马沟渠煤矿 地表裂陷造成区内牛家岭村20％的民房受损， 石家 庄80户居民受灾严重， 使村庄被迫搬迁。象山煤矿 新修的电厂运煤干线公路和桑树坪矿铁路2号隧道 均因两矿区地裂陷造成多处开裂破坏， 严重威胁行 车安全。而且象山矿地裂陷诱发电厂发生滑坡， 连 续7次滑动， 造成上亿元损失。澄合矿区地表裂陷 造成矿区西变电所房屋开裂， 变压器倾斜； 南尧、 段 家坡、 柳家垣、 小孟庄村被迫搬迁； 小河口村田间地 头用水泥筑成的灌溉水渠扭曲变形和错位， 无法使 用； 南尧村村民用来蓄积降水饮用的水窖被破坏无 法蓄水， 该村1998 年6月22日因地裂陷使房屋倒 塌， 死亡1人。铜川矿区东部地表裂陷诱发大面积 952 增刊 李振林 渭北矿区地表裂陷地质灾害成因及防治 滑坡和崩塌， 破坏耕地。金华山矿附近小煤窑采空 区造成某乡村学校刚建成的校舍成为危房， 学生无 法上课等。此外， 地表裂陷使地表水和被破坏的含 水层水涌入坑道， 淹没矿井， 影响安全生产， 也增加 了排水费用。地表裂陷导致地表水与地下水沟通， 使矿区有限的水源被污染， 造成饮用水源枯竭。在 边坡地带， 地裂陷诱发滑坡， 崩塌和泥石流， 造成了 更大的地质灾害。 矿山部门轻视上述地质灾害的产生和发展的原 因较多， 主要有2个方面。一方面是矿区地裂陷常 在采矿后一定时间才发生， 开始时范围小， 多处于人 口密度小的山地区， 矿山生产单位以提高煤炭产量 为首要任务； 另一方面是从前国家对矿区采矿造成 的地表裂陷土地损失有相应的征地和补偿办法， 所 以煤矿生产单位因矿区地裂陷灾害自身受损失不 大。1997 年后， 国家明确规定， 矿区对地表裂陷损 失的土地尽量减少， 对被破坏的土地设法复垦， 并取 消征地补偿， “谁破坏， 谁复垦 ”， 这样， 煤矿每年用 于赔偿地表裂陷造成地方人员及财产损失费和土地 复垦费用巨大， 而且容易引起煤矿与地方群众的矛 盾激化， 严重影响了生产效益。地表裂陷使矿区本 来就脆弱的生态环境严重破坏， 制约了矿区经济发 展， 必须高度重视。 3 矿区地表裂陷规律及防治措施 3.1 矿区地表裂陷规律 目前， 矿区地表裂陷难以避免， 灾害严重， 但是， 从大量矿区地表裂陷现象和成因分析可知， 各种地 质作用造成的地表裂陷有一定规律， 表现为 （1）时间上的相关性。地表裂陷出现的时间与 煤矿回采时间有一定相关性， 大面积地裂陷， 一般在 采空区放顶后1～2 年开始出现， 开始为地裂缝， 并 不断发展， 有的地区出现地裂缝的时间更短。 （2）扩展的同步性。地表裂陷分布的范围随采 空区扩大而增大， 二者扩展方向基本一致， 同步性显 著。 （3）地表上下的对照性。采矿活动造成的地表 裂陷均出现在地下采空区之上的地表。地下水活动 异常区和活动性断裂分布区造成的地表裂陷也具有 上下对照性。大气降水和地表水体对地表裂陷有加 剧作用。 （4）方向的一致性。地表裂陷的展布方向与煤 矿回采工作面的方向、 活动性断裂走向基本一致。 （5）煤层埋藏条件及开采技术条件影响地表裂 陷发生的规模大小。 （6）炮采震动也能加剧地表裂陷的程度。 3.2 矿区地表裂陷灾害的防治 为了减轻和防治地表裂陷地质灾害， 我们应该 仔细分析矿区地表裂陷产生的原因及相互关系， 充 分认识其规律性， 利用规律有效地作好防治工作。 对部分不再发展的地表裂陷， 或因黄土吸收和缓冲 作用而趋于闭合的地表裂缝， 为防止活化， 应进行回 填、 夯实、 复耕， 井作好地表防水措施， 对正在发生的 或将要发生的地表裂陷要依据规律作到主动防灾， 可从地质、 测量和采掘等方面综合考虑。 （1）矿山地质部门严格执行 地质灾害防治办 法 ， 调查地表裂陷灾害发生条件， 弄清影响灾害发 生的矿层因素、 岩性因素、 水文地质因素， 作好对活 动性断裂和地震活动的监测和预报工作， 编制出矿 区 “地质灾害发育程度图 ”， 以地表裂陷为重点， 进 行预测， 对涉及到的地表重要设施采取加固措施， 指 导采掘方案设计， 为矿山开发合理进行而避让地质 灾害， 为防灾采取超前措施提供依据。 （2）矿山测量部门应该做好矿区地表变形和岩 层移动观测， 建立观测控制网， 对重点部位加强观测 记录， 作出地表裂陷趋势分析。准确地测绘出井下 采空区分布图和地面对比图， 预测地表裂陷区域及 程度， 对地面重要建筑及居民区的地表裂陷重点观 测， 配合矿山主管部门做好安全防范工作。 （3）矿山采掘部门应根据地质测量部门提供的 依据采取合理的采掘方案， 并做好顶板管理及采空 区处理。在黄土覆盖较厚的易发生地表裂陷区， 根 据开采深度与开采厚度比例来预测地表沉降幅度， 采取相应防范措施。布置回采工作面时应避免移动 盆地倾向与地表坡向相同， 避免工作面走向与山地 走向一致， 以防止大面积地表裂陷和地裂缝贯通使 山坡失稳。在采空区充分保留支撑矿柱， 尽量回填。 对危岩体采用锚喷支护或预应力锚杆支护， 以保岩 体稳定。对重要的易受水体影响的可处理地段按需 要在岩土界面附近一定范围内用水泥或水玻璃作水 平帷幕注浆， 以隔断地下水波动， 加固地基， 防止裂 陷。对危险地段的建筑物及居民区采取迁移的办 法， 确保人员及财产安全。 4 结 语 渭北矿区地表裂陷普遍存在， 危害严重。矿区 地裂陷地质灾害是可以预防的， 做好防治和减灾工 作社会效益和经济效益巨大。 062 地球科学进展 第19卷 渭北矿区地表裂陷是地震作用、 活动性断裂、 煤 层埋藏地质条件、 采矿活动和地下水等内外力地质 作用共同影响的结果， 以采矿活动产生的地裂陷范 围广， 幅度大。 矿区地表裂陷有一定的规律性， 人们可以充分 认识它们。只要坚持认真分析的态度， 针对不同成 因的地裂陷灾害， 采取适当措施， “一固二避 ” ， 综合 治理， 能够将矿区地表裂陷地质灾害减少到最低限 度， 将发展经济与保护环境统一起来， 使矿区生态环 境努力改善， 让矿区经济得到可持续发展。 参考文献 （ References 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Itpointsoutthatgeologicalfunctions and buried coalbed such as earthquake ， groundwater and so on. These geological conditionsarethe maincause ofgr ound fractureand geologicalcalam ity. Mine d epartmentsconcerned are supposed totake measures in reducing and prev enting the geologicalcalam ity. Key w ords Ground fracturecauses ； Calam ities ； Fractureregularity ； Prevention and cure measures. 162 增刊 李振林 渭北矿区地表裂陷地质灾害成因及防治