太原盆地地裂缝发育规律及防控措施_周长松.pdf

第 44 卷 第 2 期 煤田地质与勘探 Vol. 44 No.2 2016 年 4 月 COAL GEOLOGY National Basic Research Program of China973 Program2001CB201001; The Fundamental Research Funds for the Institute of Karst Geology, Chinese Academy of Geological Sciences 121237128100261 作者简介 周长松1987，男，江苏盐城人，硕士，研究方向为水文地质与环境地质. E-mailzhouchangsongsx 引用格式 周长松，邹胜章，夏日元，等. 太原盆地地裂缝发育规律及防控措施[J]. 煤田地质与勘探，2016，44273–78. ZHOU Changsong, ZOU Shengzhang, XIA Riyuan, et al. Development regularity and control measures of ground fissures in Taiyan basin[J]. Coal Geology 2. Nantong Surveying and Design Institute of Water Resources Co., Ltd, Nantong 226006, China Abstract Taiyuan basin is a area that ground fissures frequently take place in Shanxi province, the ground fissures have damaged the industry and agriculture production and given rise to largely lose for the citizen and affected economical development. So, to grasp the development regularity of ground fissures and the ation mechanism become very necessary. According to the basic characteristics of geological environment in Taiyuan basin, the arti- cle analyzed the temporal and spatial distribution of ground fissures. On the basis of the temporal and spatial dis- tribution of ground fissures, combined with the main influence factors, the ground fissures are divided into four basic types. Then, the paper analyzed the ation mechanism of the ground fissures of the four types, and thus proposed corresponding prevention and control measures. Research results would provide basis for the improve- ment of local environmental conditions and the control of geological disasters. Key words ground fissure; Taiyuan basin; earthquake; groundwater; fault; goaf 地裂缝是地表岩层、土体在自然因素或人为因 素作用下引起的地面开裂现象。自 20 世纪 50 年代 以来，世界上许多国家和地区时常有地裂缝灾害的报 道，其发生频率和灾害损失呈逐年加剧的趋势[1-2]。我 国是受地裂缝灾害影响最大的国家之一，据初步对 陕西、山西、山东、河北、河南、安徽、江苏、北 京、天津、上海等 10 省市的统计，已有 40 多个地 级市区发现 1 000 余处地裂缝， 累计损失达数百亿 元。这些地裂缝时常穿越大型厂矿、重要建筑、城 市道路、农田和水利工程等，造成沿线建筑损坏、 管道破裂、道路开裂和农田荒废，对区域经济发展 和人民安居乐业构成了严重威胁[3]。因此，开展相 关地区地裂缝发育规律的研究，对区域经济社会的 可持续发展具有一定实际意义。 目前国内关于地裂缝发育规律的研究比较多， 代表性的研究成果有于军等[4]从地下水过量开采 的角度研究了苏锡常地区地裂缝；邓亚虹等[5]从深 部构造活动的角度对渭河盆地地裂缝的孕育机理进 ChaoXing 74 煤田地质与勘探 第 44 卷 行了探讨；徐扬等[6]从区域断裂的角度研究了交城 地裂缝；白海波[7]从构造、大气降水、人类活动等 角度对徐州矿区地裂缝进行了分析。由于影响地裂 缝形成的因素众多，现有的研究成果有时并不能全 面的反映出地裂缝的形成机理，因此仍需加强对已 有的地裂缝进行系统研究。 太原盆地位于山西省中部，是山西三大断陷盆 地之一，区内人口密度大，煤炭采矿业发达。改革 开放以来经济社会获得快速发展的同时，也带来了 地裂缝等地质环境问题。不时出现的地裂缝对人民 的生产、生活造成了较大影响。本研究以区内地裂 缝为研究对象， 在区域地质环境背景条件的基础上， 对煤矿开采、地下水超采、地震活动、断裂活动等 条件下的地裂缝发育特征与作用机制进行了刻画， 研究结果可为区内地裂缝灾害防治、城市远景规划 及地下水合理开采提供参考。 1 地质环境背景条件 太原盆地又称晋中盆地， 属于典型的断陷盆地， 其东西两侧分布有吕梁山脉和太行山脉。空间上呈 NESW 向展布，北至太原市的阳曲县，南达晋中 的介休市，面积约 5.0103 km2图 1 [3]。区内地势北 高南低，四周高中间低，地面标高 740.01 813.8 m。 东西两侧隆起带出露的地层有奥陶系、石炭系、二 叠系及三叠系，中间凹陷区沉积的地层主要为新生 界以来的第四系[8]。 区内 NE 向断裂较为发育， 东侧 太谷和西侧交城两条区域性大断裂构成了盆地东西 边界， 大断裂之间另发育 30 余条次生小断裂图 1。 太谷断裂总体走向 NE， 倾向 NW， 为高角度正断层， 自北端的范村到南端的常乐村，长约 9.0104 m[9]； 交城断裂总体走向 NE，倾向 SE，为高角度正断层， 北起上兰村，向南经清徐、交城、文水，至汾阳栗 家庄，长约 1.3105 m[10]。自新生代以来，盆地范围 内构造活动较为强烈，并呈现出盆地西部断裂带构 造活动强于东部断裂带的特征，不均一的构造活动 强度造成盆地东西部产生差异沉降，其中西部沉降 幅度大于东部，形成的新生界地层也厚于东部，结 果使得太原盆地的基底呈现掀斜状态 [3,11]。 2 地裂缝发育特征 太原盆地地裂缝于 1974 年在榆次县修文镇首 次发现，近 40 a 相继在平遥、介休、文水等县多处 发生，至今已发现 145 处不包含隐伏地裂缝，其 中 129 处仍处于活动或间断活动状态。初步统计， 该区地裂缝灾害已造成直接经济损失达 5.39 亿元， 图 1 太原盆地断裂构造及地裂缝分布图 Fig.1 The distribution of fault structure and ground fissure in Taiyuan basin 对当地社会经济发展造成了严重影响图 1、表 1。 2.1 分布情况 根据收集的资料和现场踏勘成果，太原盆地地 裂缝可划分为 3 大分布区，盆地南部煤矿开采区地 裂缝、盆地中东部平原区地裂缝及盆地西部交城断 裂带地裂缝。 a. 煤矿开采区地裂缝 煤矿开采区地裂缝主要 分布在盆地南部孝义、介休矿区，以及平遥的西南 侧矿区，共调查 59 处地裂缝，其中孝义矿区 19 处， 介休矿区 35 处，平遥矿区 5 处。矿区地裂缝主要出 现在 1991 年以后， 在 19962005 年为集中出现期， 共出现 40 处地裂缝，占总数的 68。 b. 中东部平原区地裂缝 太原盆地中东部平原 区地裂缝位于榆次、太谷、祁县、平遥等县，合计 有 69 处，其中有 38 处出现在 2000 年以后。从发育 程度来看，太谷、祁县最为发育，祁县西管村地裂 缝长度达到 22.4103 m，为山西省最长的地裂缝； 从分布情况来看，榆次分布有 4 处带地裂缝，其 中 3 处带位于城区及近郊；太谷分布有 43 处带 地裂缝， 走向以 NE 向为主， 长度最大达 3.5103 m； 祁县分布有 8 处带地裂缝，走向也以 NE 向为主， 长度一般为 5.01037.0103 m；平遥县分布有 17 处带地裂缝，其中 12 处位于县境中部冲洪积倾斜 ChaoXing 第 2 期 周长松等 太原盆地地裂缝发育规律及防控措施 75 表 1 太原盆地地裂缝分布 Table 1 The distribution of ground fissure in Taiyuan basin 县名 地裂缝数目/处 首次出现的年份 经济损失/万元 不稳定处数/处 诱发因素 太谷 43 1978 485.21 41 地下水超采 平遥 17 1981 227.4 16 地下水超采、煤矿开采 祁县 8 1976 783.62 8 构造运动、地下水超采 榆次 6 1974 13 385 6 构造运动、地下水超采 清徐 3 1998 13 331 3 交城断裂控制 交城 1 1991 68 1 构造运动 文水 11 1995 225 4 构造运动 汾阳 2 1990 116 2 构造运动 孝义 19 1990 9 500 15 煤矿开采 介休 35 1997 15 852 33 煤矿开采 平原区和与其相邻的冲积平原区，5 处位于董家庄 村、邢家庄、枣林、石奄村等煤炭开采村庄，长度 均小于 300 m。 c. 交城断裂带地裂缝 交城断裂带地裂缝主要位 于盆地西部清徐交城文水汾阳一带，合计 17 处， 其中 8 处出现在 2000 年以后。 该区地裂缝多沿边 山地带分布，位于交城隆起和沉积平原的交界地带， 一般在断裂的南侧出露，具有走向稳定，延伸性长等 特点。地裂缝平面形态多呈直线状，水平张开量一般 在 1.010–28.010–2 m， 最宽达 1.0 m， 地裂缝两侧兼 有垂直位错，房屋裂缝两侧垂直位错量一般为 1.010–21.010–1 m， 影响带宽度 2.0101 1.6102 m。 2.2 基本特征 a. 形态特征 煤矿开采区地裂缝通常以直线型 居多，少数为折线型，长度主要为 5.01013.0 102 m，宽度一般 8.010–28.010–1 m，可见深度 1.55.0 m；中东部平原区地裂缝以直线型、锯齿型 居多，长度一般为 1.01027.0103 m，宽度 0.11.5 m；断裂带地裂缝形态以折线型、直线型居多，长 度 3.01029.0103 m，宽度 2.010–24.010–1 m。 b. 展布方向 煤矿开采区出现的地裂缝展布方 向一般与采掘方向一致， 顺着采空塌陷区周边开裂； 地下水超采区地裂缝一般出现在地表沉降区边缘； 断裂带附近出现的地裂缝，其展布方向常与山前黄 土台地前缘陡坎的走向相平行。 c. 剖面特征 太原盆地地裂缝总体上呈现出上 宽下窄楔形的特征。 d. 出现形式 煤矿开采区地裂缝通常以多缝组 合形式出现，每处由 35 条单缝组成，局部由数十 条单缝组成； 地下水超采区和交城断裂带附近地裂 缝以单缝形式出现较多， 偶尔以双缝或多缝组合形 式出现。 2.3 随时间变化规律 1974 年在修文西双王香村一带出现的地 裂缝是太原盆地最早发现的地裂缝， 之后在盆地的 不同区域陆续出现新的地裂缝。从时间上看，采空 塌陷区出现的地裂缝与煤矿开采活动有明显的相 关性， 如 20 世纪 80 年代在平遥县卜宜乡矿区一带 初现地裂缝，随着煤炭开采范围向南扩大，90 年 代以后陆续在南部董家庄村等煤矿开采区发现新 的地裂缝；又如 20 世纪 90 年代末至 21 世纪初为 介休、孝义煤矿大规模开采期，而此期间在矿区陆 续出现了大量地裂缝。地下水超采区地裂缝，其出 现时间通常滞后于地下水的超采时间，如平遥、太 谷、 祁县等县的平原区在 20 世纪 90 年代末陆续出 现地下水降落漏斗，但在出现降落漏斗 1 a 甚至数 年后才陆续在漏斗边缘出现地裂缝。 断裂带附近的 地裂缝出现时间受自然、人为等多重因素影响，出 现时间无明显规律可循。 通过对太原盆地地裂缝出 现时间的统计发现表 2，地裂缝的发生年份可分 为 3 个时间阶段， 其中 1990 年以前为缓慢出现期， 合计有 24 处，占地裂缝总数的 17；19912005 年为密集出现期， 合计 112 处， 占总数的 77； 2006 年至今为相对平衡期，合计 9 处，占总数的 6。 上述统计揭示太原盆地地裂缝灾害主要发生在 19912005 年，而这一时期正是煤矿开采、地下 水过量开采相对强烈的时期， 这表明人类活动在很 大程度上决定着地裂缝的发生与发展。 ChaoXing 76 煤田地质与勘探 第 44 卷 表 2 太原盆地地裂缝发生时间统计 Table 2 The statistics of ground fissure of Taiyuan basin 年份 裂缝数目/处 所占比例/ 1980及以前 11 8 19811985 8 6 19861990 5 3 19911995 20 14 19962000 43 30 20012005 49 33 2006及以后 9 6 3 地裂缝成因机制 太原盆地地裂缝是内动力、外动力及人类活动 相互作用的产物，其发育发展受新构造运动、地层 岩性、包气带土壤特性、地震活动、大气降水、煤 矿开采、地下水开采等多因素影响。总的来看，地 质构造和地应力释放是地裂缝形成的内因，煤炭开 采和地下水超采是地裂缝形成的主要激发因素，地 震活动及大气降水促进了地裂缝的进一步发展。 3.1 采空塌陷成因地裂缝 煤矿开采过程中因产生采空塌陷而易形成地裂 缝，其力学机理是地下矿层被大面积采空后，原 先的应力平衡将会被打破，新的应力平衡将会在矿 柱上得到重建[12]。此时，如果承受应力的矿柱设计 合理，则矿柱系统稳定，进而整个井巷稳定；若矿 柱设计尺寸不合理，在某些必然矿柱受到的荷载超 过岩石强度或偶然因素如风化、地震以及累进破 坏的作用下，某一矿柱承受的应力首先超过其允许 强度而产生破坏，遭到破坏的矿柱所承载的荷载必 将转移到邻近矿柱上，使矿柱系统产生连锁破坏而 打破原有的平衡，顶板岩层在自重和上覆岩土体压 力的双重作用下向采空区垮落。由于采空区内岩土 体工程地质条件存在差异， 使地表发生不均匀沉降， 并在采空区上方形成弯曲、倾斜、水平拉伸或压缩 3 种变形[3]。随着这些变形进一步发展，沉降区会形 成差异性的拉、压应力分布图 2，即在中间部位出 现压应力，在沉降边缘处出现拉应力，并在最大拉 应力 a、d 两点处形成张性地裂缝，孝义、平遥、介 休 3 县矿区发生的 59 处地裂缝就属于这种成因。 3.2 地下水超采成因地裂缝 已有的模型试验和监测成果[1,4]表明，超采地下 水也是加剧地裂缝发生、发展的主要因素。根据地 下水埋藏赋存条件，可将区内含水岩组划分为 4 种 基本类型[3]第四系全新统含水岩组，埋深 050 m； 第四系中、上更新统承压含水岩组，埋深在 50 200 m；第四系下更新统湖积冲积层承压弱含水岩 组，埋深 200400 m；古近系和新近系红土夹薄层 图 2 采空区地面下沉压应力、拉应力分布图 Fig.2 Distribution of compressive stress and tensile stress of the surface subsidence in mined-out area 砂砾石湖积承压弱含水岩组。目前区内主要开采埋 深在 50200 m 的弱承压含水层。由于持续的过量 开采，从 20 世纪 90 年代起榆次、太谷、祁县、平 遥等县陆续出现地下水降落漏斗和地面沉降，并在 局部沉降带周边出现了地裂缝。这种因地下水超采 而引发地裂缝的过程可以通过太沙基应力原理来解 释自然条件下地下土层所承受的荷载主要为上覆 土层的自重，当地下水水位逐渐下降，土层将不断 地被压缩。由太沙基应力原理[13]可知，在土层压缩 的过程中，总应力没有变化，随着孔隙水压力不断 减小，有效应力必将逐渐增加。当地下水水位下降 到一定阈值时，就会在主采区域形成降落漏斗。此 时，当漏斗范围内的应力差异传到地表时，就会形 成地面沉降。随着沉降量的进一步增大，在差异沉 降带的边缘将首先出现地裂缝，榆次、太谷、祁县、 平遥 4 县出现的 69 处地裂缝与之有关。 在上述土层压缩的过程中，由于不同土层压缩 程度和固结速度差异较大，从而导致在地下水超采 的条件下，地表出现的地面沉降在时间上又有所差 别。对于砂性土含水层，由于孔隙水压力消散的速 度较快，在短时间内就可完成压缩过程，反映到地 表就是在短时间内就能见到地面沉降，但由于砂土 含水层压缩过程具有可恢复性，在一定条件下由之 引起的地面沉降可得到控制；对于黏性土层来说， 由于孔隙水压力消散缓慢，短期内压缩效果并不显 著，其固结压缩过程将持续较长时间，地下水超采 几个月甚至几年后才能在地表产生地面沉降，由于 黏性土层压缩变形一经形成就不易恢复，从而导致 在地表沉降带应力差异处产生永久裂缝。 3.3 地震成因地裂缝 太原盆地位于山西地震带中部，属华北地震带 发震最频繁的地区之一。 据史料记载， 从12891968 年，太原盆地发生地震震级 ML≥4.75 级地震就有 25 次[14-15]，其中 1618 年 5 月 20 日发生的地震 6.5 ChaoXing 第 2 期 周长松等 太原盆地地裂缝发育规律及防控措施 77 级为最大一次。 而从 1969 年以来[16]， 太原盆地发生 2 级以上地震多达 210 余次图 3，其中以 34 级居 多，最高 4.75 级发生在太原小店区1993 年 6 月 26 日。从图 3 可以看出太原盆地地震震源主要集中在 3 个区域，一是盆地北部的太原、清徐、榆次三角 区；二是盆地东部太谷断裂带沿线；三是在盆地南 缘的汾阳、孝义、介休一带的断裂带上。总体上来 看，从 20 世纪 60 年代末至 21 世纪初，太原盆地发 生的地震震级小但频率高，而太原盆地地裂缝于 1974 年初现于榆次，从 80 年代初至 90 年代末地裂 缝相继在祁县、太谷等十个县出现，地裂缝的出现 与地震在时间上同步，表明地裂缝很可能与同期频 繁的小震活动相关。小震活动不像大震活动使近地 岩土层在短期内就产生强烈剪切变形、错位移动， 而是通过频繁的震动不断地对上覆岩层进行应力作 用，逐渐使岩层发生形变，当累积应力超过岩层弹 性极限时，上覆岩层就会产生错位变形，此时当上 覆地层为软弱层疏松砂、砾、人工填土，则可能 发生强烈沉降，当上覆地层为与地基岩性不同或厚 度不同的区域，则可能产生不均匀沉降，这两种情 况最终均能使横跨地表的工程设施发生裂缝。 3.4 断裂活动成因地裂缝 区内断层比较发育，主次断裂 30 余条，其中交 城断裂和太谷断裂为区内的主断裂，北田、平遥等断 裂为交城、太谷主断裂下的次级断裂。据野外探槽资 料[10-11]，自全新世以来，交城断裂带累计错动位移约 11.5 m，年平均错动速率约为 1 mm，这表明盆地西部 构造活动比较活跃。而对汾阳、文水、交城、清徐 4 县 10 处地裂缝发育特征的分析， 发现这些地裂缝展布 方向常与山前黄土台地前缘陡坎走向相平行，不受地 形地貌、 水文地质条件及人类活动的影响， 可能是区 内构造活动或深部断裂的蠕动而引起的地表开裂现 象[3]。另据地震勘探资料[6]，清徐西部、交城北部及 汾阳杏花村地裂缝在空间位置上与交城断裂高度吻合 图 1，在垂向上均与下伏断层间断相连，这进一步证 实了断层活动是该区地裂缝形成的内在原因。从力学 的角度来看， 断层活动促进地裂缝发育的力学过程为 随着交城断层在内应力作用下发生张性蠕动，基底断 裂会出现缓缓的上下错动，并呈现出上盘下降、下盘 上升的运动趋势，这为数百米厚的第四系土层提供了 潜在的临空面[3,11]，在水平拉张应力和自重应力的复 合作用下，上覆土层逐步产生自下而上的侧向扩展， 并进行着侧向应力蓄积，当侧向应力蓄积到一定程度 时，将会以开裂形式在近地表低围压状态的土体中释 放应变能量，最终在地表形成裂缝。 图 3 太原盆地地震分布图 Fig.3 The distribution of earthquake in Taiyuan basin 4 地裂缝灾害的防治对策 太原盆地地裂缝成因复杂，地裂缝有时是由某 一因素起主导作用，其它因素起促进作用，如太谷 40余处地裂缝主要是由地下水的超采导致地面沉降 所引起的， 后期的降雨促使原有地裂缝进一步发展； 有时是两种或多种因素共同作用下形成的，如清徐 地裂缝就是在地下水超采和断层活动共同作用下形 成的。为了保障区域内人民安居乐业，减小地裂缝 灾害造成的损失，可以采取以下措施进行防治。 a. 划分影响带范围。首先根据地裂缝的发育特 征和分布情况来划分影响带范围，在影响带范围内 进行城市规划与建设时，要查明区内断裂构造分布 与活动情况， 拟建场地尽可能避开地裂缝核心影响 带；同时需针对性地减少人为活动，如对于地下水 超采区，需控制和减少开采量，必要时可对超采区 进行人工回灌。 b. 避让加固法。对于地裂缝两侧的建筑，局部 的微小变形或开裂可以通过加固处理，如通过高压 喷射注浆来加固地基，或通过钢筋混凝土梁来加固 上部结构；对于已经遭受较大破坏的工程设施，根 据实际情况进行局部拆除，必要时进行全部拆除， 避免造成更大的损失。 c. 动态监测法。在人口密集区和重要工民建建 筑设施附近可安置一定密度的固定监测设备，通过 ChaoXing 78 煤田地质与勘探 第 44 卷 卫星、音频大地电场、高分辨率中波反射等方法监 测地面沉降、地裂缝活动情况，根据地面沉降情况 和地裂缝发展变化情况划分潜在地裂缝易发区，对 年沉降量不断增大和地裂缝不断发展的区域要提前 做好地裂缝的防灾工作。 d. 开采回填法。在水文地质条件适合的时候， 开矿废渣可以就地填充到采空区，保证采空区围岩 的稳定性，减少地裂缝发生的概率[17]。对于某些采 空区，条件具备时甚至可改造成地下水库。 参考文献 [1] 彭建兵. 西安地裂缝灾害[M]. 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