關(guān)于榆袖礦區(qū)大砭窯煤礦地面塌陷與地裂縫發(fā)育規(guī)律的探索
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神木縣長期的煤炭資源開發(fā)和特殊的氣候條件、地理條件、地表物質(zhì)組成條件使本就脆弱的生態(tài)環(huán)境、地質(zhì)環(huán)境變得更加惡劣。截至2014年10月，全縣采空區(qū)面積達414.5 kIT12，采空區(qū)導(dǎo)致的地質(zhì)災(zāi)害類型有塌陷、崩塌、滑坡、泥石流等，其中最主要的地質(zhì)災(zāi)害為地面塌陷及地裂縫。
大砭窯煤礦位于神木縣以東西溝鄉(xiāng)一帶，礦區(qū)面積為25. 4088 km2，截至2013年6月，已開采5_2煤層形成的采空區(qū)面積達4. 54 kff12。
2 地面塌陷及地裂縫發(fā)育規(guī)律
2.1 地質(zhì)概況
大砭窯煤礦位于榆神礦區(qū)東部，地貌單元以黃土梁峁區(qū)為主，有少量沙土沉積，地表基本被第四系黃土所覆蓋。除較大溝谷兩側(cè)有基巖出露外，煤礦范圍內(nèi)地表均被第四系、新近系沉積物覆蓋。地層由上到下依次為全新統(tǒng)風(fēng)積沙( Q4eol)及沖積層( Q4 al)、第四系中更新統(tǒng)離石黃土(Q2 eol)、新近系上新統(tǒng)保德組(N2b)、侏羅系中統(tǒng)延安組(J2y)、三疊系上統(tǒng)永坪組(T3y)。
大砭窯礦區(qū)含煤地層為侏羅系中統(tǒng)延安組，共含3層煤層，自上而下編號依次為4_3、4-3下、5_2煤層，其中5_2煤層為全區(qū)可采煤層，其余為不可采煤層�？刹擅簩悠骄穸葹�2. 46 m左右，呈現(xiàn)北厚南薄的趨勢。
2.2 地面塌陷或地裂縫的發(fā)育特征
2. 2.1 采空區(qū)分布范圍
5-2煤層埋深為56～166 m，礦井原以房柱式開采，對于頂板穩(wěn)定性較差的煤層，開采3.5 m，預(yù)留6m；對于頂板穩(wěn)定性較好的煤層，開采5m，預(yù)留Sm，房柱式開采形成的采空區(qū)面積較小。近年來，礦井以機械化綜采為主，形成了大面積的采空區(qū)。根據(jù)收集資料與野外調(diào)查，大砭窯煤礦開采所形成的采空區(qū)主要位于井田的東北部，面積約為4. 54 km2。
2.2.2 地面塌陷或地裂縫的發(fā)育特征
礦區(qū)地面塌陷的表現(xiàn)形式以地面裂縫為主，無明顯的塌陷坑。大砭窯煤礦地面塌陷范圍較大，分3個區(qū)進行調(diào)查，各區(qū)的地裂縫發(fā)育特征分述如下：
(l)楊桃峁變形區(qū)。該區(qū)煤礦開采時間較早，開采方式為房柱式開采，最早變形塌陷的時間為2001年。該區(qū)域內(nèi)變電站旁發(fā)現(xiàn)有一條裂縫，一直延伸到廟圪土達的山頂龍王廟旁，整體呈弧形，走向為30�！�100。，長度約2 km。
(2)火燒界變形區(qū)。該區(qū)煤礦開采時間為2001-2002年，開采方式為機械化綜采，最早變形塌陷時間為2003年。該區(qū)域內(nèi)大部分裂縫都已被掩埋，調(diào)查只見部分裂縫，走向為90。。
(3)四道溝一六道溝變形區(qū)。四道溝村附近地區(qū)煤礦開采時間為2004～2008年，開采方式為機械化綜采，最近發(fā)生塌陷的時間為2013年。塌陷區(qū)域內(nèi)發(fā)育多條裂縫，其中最大的裂縫走向90。～270。，長500～1000 m，寬0.2 m，深0.3～2 m不等。六道溝村附近地區(qū)煤礦開采時間為2009年，開采方式為機械化綜采，最近發(fā)生塌陷的時間為2013年。塌陷區(qū)域內(nèi)可見多條裂縫，其中變形最大的裂縫走向20。～50。，長300 m，寬0.2 m，深Zm。在溝壑邊可見由塌陷引發(fā)的次生滑坡、崩塌災(zāi)害。
2.2.3 不同開采方式下地面塌陷和地裂縫的展布規(guī)律
(l)房柱式開采引發(fā)地面塌陷或地裂縫的展布規(guī)律。大砭窯煤礦開采歷史較長，20世紀50年代已經(jīng)開始開采，開采方式為房柱式，主要集中在礦區(qū)的北部。煤礦開采形成了一定面積的采空區(qū)，但留有保護煤柱，早期未形成明顯的地面塌陷，近年來下覆煤柱逐漸垮塌，其支撐能力下降，地面變形有加劇態(tài)勢，表現(xiàn)為地面裂縫、塌陷坑等。本礦區(qū)楊桃峁村附近區(qū)域為早期房柱式開采形成的采空區(qū)，根據(jù)本次調(diào)查，該區(qū)域內(nèi)變電站旁于2001年發(fā)現(xiàn)一條裂縫，長度約2 km．最寬處約2m，深度約5 m，部分區(qū)域可見到2m×2m的小型塌陷坑�？砂l(fā)現(xiàn)房柱式開采形成的地面塌陷具有滯后效應(yīng)，為采空后長時間間隔的突發(fā)性塌陷，形成的裂縫一般較長，寬度與深度均較大。
(2)綜采區(qū)地面塌陷或地裂縫的展布規(guī)律。綜采工作面采空區(qū)面積大，塌陷面積也大。結(jié)合礦區(qū)1：10000地形底圖、井上井下對照圖、礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理方案及綜合勘查成果等資料，以北部兩個工作面的采空區(qū)為重點研究對象，全面追蹤地面裂縫的走向、寬度、深度及下錯高度等。
本次調(diào)查在兩個工作面共布設(shè)探槽20個，通過槽探工程揭露地表3m內(nèi)裂縫的傾向等特征。
根據(jù)探槽揭露的情況可知，裂縫均垂直于地表，未見明顯的傾斜面；探槽挖好后，用鋼尺探測裂縫深度，受土埋及尺長影響，裂縫底部多數(shù)未揭露；裂縫多呈上窄下寬狀。
根據(jù)裂縫的走向及布設(shè)探槽的位置，本次共跟蹤裂縫30條，控制點主要布設(shè)在拐點及裂縫相交的節(jié)點位置處，共布設(shè)控制點176個，如圖1所示。
從圖1可以看出，順著工作面推進方向，裂縫多呈弧形展布，位于工作面間的裂縫走向多與工作面推進方向一致。
2.3 裂隙發(fā)育高度預(yù)測
根據(jù)“三帶”理論，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為采高的18～28倍，重點地段5-2煤層采厚為3. 16 m，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為56. 88～88. 48 m，在溝谷地區(qū)裂隙帶已溝通至第四系地表。
采空區(qū)地表最高點高程為1253. 50 m，512煤層底板標高為1111. 33 m，在地層較薄地區(qū)，呈現(xiàn)明顯非連續(xù)移動變形，即開采后地表形成塌陷坑、大的裂縫切割和臺階狀沉陷（隨工作面開采的動態(tài)裂縫和開采邊界以外形成一組永久裂縫）和開采引起滑坡坍塌等地質(zhì)災(zāi)害。
3地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度評價
地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度分區(qū)的目的是正確認識地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育分布現(xiàn)狀，科學(xué)地預(yù)測地質(zhì)災(zāi)害未來發(fā)展趨勢。
3.1評價方法
根據(jù)多種方法的比選，調(diào)查區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)的劃分采用綜合指數(shù)評價方法。將地質(zhì)災(zāi)害影響因子按其不同分類對地質(zhì)災(zāi)害的影響程度進行量化賦值1、2、3、4，疊加求和，確定地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度。計算公式如下：
式中：SI-綜合指數(shù)；
Fi -影響因素及分類，
Z-影響因子的數(shù)量，本次評價共有7個影響因子，i=(1，2，3，……，7);
j——影響因子的分類數(shù)量，本次評價共分4類，j=(1，2，3，4)。
由前所述，調(diào)查區(qū)地質(zhì)災(zāi)害類型主要有滑坡、崩塌、地面塌陷，其影響因素主要是地質(zhì)環(huán)境條件、人類工程活動和降水，因此參與評價的、能夠量化的影響因素主要為地形地貌、地層巖性、道路建設(shè)、采礦活動、削坡建房、多年降水量和地質(zhì)災(zāi)害點密度這7個影響因素和作為評價因子，建立了調(diào)查區(qū)地質(zhì)災(zāi)害單因子評價圖層。
3.2評價結(jié)果
通過地理信息系統(tǒng)MAPGIS空間分析，將7個因子根據(jù)影響程度從低到高選擇1、2、3、4進行賦值求和，根據(jù)量化結(jié)果，各因子和最大值為25，最小值為7，并以0. 25為等值線間隔生成等值線分區(qū)。擬選定各因子和為18～25之間單元格為高易發(fā)區(qū)，各因子和為12. 5～18之間的單元格為中易發(fā)區(qū)，各因子和為8. 75～12.5之間的單元格為低易發(fā)區(qū)，各因子和小于8. 75的單元格為非易發(fā)區(qū)。區(qū)內(nèi)各因子之和均大于12.5的單元格，即為高易發(fā)區(qū)和中易發(fā)區(qū)。
根據(jù)本次調(diào)查結(jié)果，在綜合考慮該礦區(qū)地形地貌差異、采礦活動強弱程度及影響范圍等基礎(chǔ)上，最終形成調(diào)查區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度分區(qū)圖，如圖2所示，具體情況見表1。
4 地質(zhì)災(zāi)害的危險性評價
4，1 調(diào)查評價方法
通過地理信息系統(tǒng)MAPGIS空間分析功能，將災(zāi)害點險情等級與易發(fā)區(qū)進行空間疊加評價。
疊加結(jié)果根據(jù)危險程度從低到高選擇l、2、3、4進行賦值，在區(qū)間1～4之間生成等值線圖，以0. 25為等值線間隔。
根據(jù)評價結(jié)果，擬選定賦值大于3. 25為高危險區(qū)，賦值位于2.5～3. 25的單元格為中危險區(qū)，賦值等于2.5的單元格為低危險區(qū)，賦值小于2.5的單元格為極低危險區(qū)。再根據(jù)野外調(diào)查的實際情況以及“就大不就小，就高不就低”、“區(qū)內(nèi)相異、區(qū)內(nèi)相同”的原則，最終形成調(diào)查區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害詳細調(diào)查危險程度分區(qū)圖。
4.2評價結(jié)果
根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度和區(qū)內(nèi)3處地質(zhì)災(zāi)害點險情等級，確定重點地段地質(zhì)災(zāi)害的危險性分區(qū)。神木縣重點地段地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)分為高易發(fā)區(qū)和中易發(fā)區(qū)，大砭窯地面塌陷險情等級為小型，根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害詳細調(diào)查技術(shù)要求中地質(zhì)災(zāi)害危險性區(qū)劃評價標準，見表2，礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險性等級應(yīng)為中危險區(qū)和低危險區(qū)，考慮到高易發(fā)區(qū)內(nèi)塌陷面積較大，地表裂縫發(fā)育嚴重，且區(qū)內(nèi)有公路及礦區(qū)道路通過，車流量較大，故將該區(qū)危險性等級提高一個級別，分為高危險區(qū)和低危險區(qū)，如圖2所示。
(l)高危險區(qū)。高危險區(qū)與高易發(fā)區(qū)重合，主要分布在該礦區(qū)的北部和東部，面積為18. 57 kmz，占礦區(qū)總面積的71. 4%。大砭窯煤礦地面塌陷面積較大，主要位于礦區(qū)北部，梁峁上裂縫縱橫交錯，威脅居民的耕地及林地；榆西老公路及礦區(qū)公路裂縫發(fā)育，多平行排列，呈臺坎狀下錯，威脅過往車輛及行人，危險性較大。該區(qū)南部為501盤區(qū)和502、504盤區(qū)部分地區(qū)，且501盤區(qū)即將開采。501盤區(qū)中部、南部仍有六道溝村、上中咀峁村村民居住，一旦煤礦開采，引發(fā)地面塌陷的可能性大，威脅村民生命財產(chǎn)安全，危險性大。
(2)低危險區(qū)。低危險區(qū)與中易發(fā)區(qū)重合，主要分布在該礦區(qū)的西南部，面積為7. 43 km2，占礦區(qū)總面積的28. 6%。該區(qū)地形較為平坦，尚未開采，未發(fā)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害點，該區(qū)今后開采將不可避免地出現(xiàn)各類礦山地質(zhì)環(huán)境問題，如破壞地貌景觀、占用林地資源、地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生等。因此在后續(xù)的煤礦開采過程中，應(yīng)將生態(tài)保護與礦山開采緊密地結(jié)合起來，邊開發(fā)邊保護地質(zhì)環(huán)境。
5結(jié)語
通過上述調(diào)查和分析，對大砭窯煤礦地質(zhì)環(huán)境有以下認識：
(l)大砭窯礦區(qū)重點研究區(qū)開采強度為中等，從梁峁至溝谷裂縫逐漸增多，近等間距排列，在地勢較低區(qū)域，裂隙帶可能延伸至地表，裂縫在斜坡地帶可見明顯階梯狀下錯陡坎且均垂直于地表，未見明顯的傾斜面。北部房柱式開采相對綜采形成的地裂縫一般長而深，裂縫間距較大，密度小，裂縫出現(xiàn)時間較滯后。
(2)綜合考慮地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度和險情等級，將大砭窯礦區(qū)劃分為高危險區(qū)和低危險區(qū)，其中高危險區(qū)面積18. 57 krT12，低危險區(qū)面積7. 43 kIT12。
6摘 要
調(diào)查了榆神礦區(qū)大砭窯煤礦地面塌陷及地裂縫現(xiàn)狀，以煤礦開采的歷史、區(qū)域地質(zhì)概況及煤層開采情況為背景論述并總結(jié)了采空區(qū)分布范圍、地面塌陷和地裂縫分布特征。研究了大砭窯煤礦以房柱式開采和機械綜采兩種不同開采方式引發(fā)地面塌陷和地裂縫的展布規(guī)律，并將礦區(qū)劃分為高、中兩個易發(fā)區(qū)。根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度和區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害點險情等級，將礦區(qū)劃分為地質(zhì)災(zāi)害高危險區(qū)和低危險區(qū)。
