基于危险性评估的煤矿采空区塌陷地质灾害分区研究

基于危险性评估的煤矿采空区塌陷地质灾害分区研究

0采空凹陷危险性评估研究乌鲁木齐八道湾地区是采矿和采矿坍塌风险容易的地区。长期以来，该地区的煤炭开采形成了大量的采空区，导致了大量的土壤崩塌，危及当地生态环境和人民生命财产安全，严重制约了当地生产力的发展和城市规划的发展。因此在全面了解该地区煤矿采空区的分布特征和现状的基础上进行采空塌陷危险性评估研究具有重要的意义。以往对煤矿采空区塌陷危险性的评估大多是根据顶板安全厚度或者导水裂隙带高度等单一因素进行的研究,鉴于此,笔者以乌鲁木齐八道湾地区某煤矿采空区为研究对象进行综合评估研究。即:首先利用野外调查、物探、钻探等手段查明采空塌陷分布和特征,进行现状评估;然后依据矿区限采标高条件下的采空塌陷影响范围和导水裂隙带高度计算确定的采空塌陷影响范围,两者相对比,进行预测评估;最后在现状评估和预测评估的基础上进行危险性分区。这样使综合性评估研究结果更为具体、可靠,可为研究区用地规划、工程建设和地质灾害防治提供科学依据。1研究区地质背景及地下水类型研究区位于乌鲁木齐八道湾地区,东西宽3.5km,南北长5km,总面积约15.17km2。该区北部及南部黄土丘陵区分布有煤矿采空塌陷坑(槽)及地裂缝,塌陷坑(槽)呈圆、椭圆、长条形带状分布,其延伸方向与煤层走向一致,出露的主要地层为第四纪和侏罗纪地层,各地层岩性一般多由粉砂岩、细砂岩、泥岩、炭质泥岩及煤组成,煤层走向52°～67°,倾向305°,倾角64°～88°。研究区范围内涉及向斜、背斜褶皱以及断层等构造,地下水类型主要为碎屑岩类孔隙裂隙水和松散岩类孔隙水。碎屑岩类孔隙裂隙水的含水层岩性为煤层顶板的砂岩和粉砂岩,由于补给条件差,岩层渗透性甚差,含水性极弱,与采空区的水力联系不密切,对其稳定性基本无影响;松散岩类孔隙水的含水层为第四纪砂卵砾石层,含水层厚5～15m,水位埋深2～4m,水量丰富,据前人勘探资料,单井涌水量大于1000m3/d,对采空区稳定性影响较大。研究区范围及构造线剖面见图1。2研究区域内采空坍塌风险的评估研究区主要地质灾害为分布在该区南北两侧的崩塌6处、地面塌陷(群)30处、塌陷伴生地裂缝(群)11处,这里主要研究采空塌陷危险性现状。2.1地面凹陷槽研究区采空塌陷主要表现为伴生组合:①塌陷坑—地裂缝组合(见图2),主要分布在研究区南部塌陷坑(群)北侧,与地面塌陷坑(群)的走向一致,宽度一般0.2～0.7m,最宽可达1.1m,长度一般为60～100m;②串珠状塌陷坑组合,多见于岩层倾角较大、采空区距地表较浅的地区(见图3、图4);③山体滑塌和地裂缝组合,主要分布在研究区南北两侧的采空区。据野外调查,共发现30个地面塌陷坑(群),其面积为66～970m2,深度为3～10m,最深可达25m,体积为594～13600m3,均为小型地面塌陷;塌陷群基本沿目前开采的B3-6煤层走向展布,并形成了塌陷槽(见图5),塌陷槽宽30～35m、深15～25m。其中典型塌陷坑(群)规模特征见表1。2.2采空凹陷形成原因通过研究发现,地面塌陷主要分布于区内南北两侧采空区一带,伴生地裂缝主要分布在区内南部,它们对地形地貌和植被破坏较为严重,威胁过往行人、车辆及煤矿生产安全,其危害程度中等,并依据采空塌陷发育特征及其规模,现状评估结果为危险性中等,详见表1。3研究区域内采空坍塌风险的预测采空塌陷危险性预测评估的主要依据是:矿区限采标高条件下用解析法确定的塌陷影响范围和用导水裂隙带高度计算的塌陷影响范围,两者进行对比。3.1顶板破坏高度计算矿区内可采煤层上部均有塌陷坑,可根据导水裂隙带高度Hf评价是否继续塌陷,基本参数取值见表2、表3,其计算公式如下:Hf=[100×M×h/(7.5×h+293)]+7.3(1)式中:Hf为导水裂隙带高度(m);M为煤层厚度(m);h为采煤工作面小阶段垂高(采空区高度)(m)。对于近距离急倾斜煤层,各煤层厚度通过下式进行调整:Mz1-2=M2+(M1-h1-2/y2)(2)式中:Mz1-2为上、下煤层综合开采厚度(m);M2为下层煤开采厚度(m);M1为上层煤开采厚度(m);h1-2为上、下煤层之间的法线距离(m);y2为下层煤的冒高与采厚之比,冒落高度Hm=(0.4～0.5)Hf。当上、下层煤之间距离小于5.0m时,则其综合开采厚度为Mz1-2=M1+M2(3)计算原则:Hf=H时,采空区顶板会被破坏;反之,采空区对顶板破坏影响较小,基本局限于采空底板在地面投影范围内。其计算结果见表2、表3。3.2采空区导水裂隙带过滤法采空区对地表破坏范围的预测采用最大导水裂隙带高度图解法,即:通过南北两侧垂直煤层走向的剖面,标示采空区的分布位置;再依据采空区导水裂隙带最大高度与采空区顶板埋深,采用移动角与边界角直接确定采空区对顶底板的影响范围;然后投影到地面转换成平面影响范围。计算原则:Hf>H时,采用H作为计算底界;当Hf<H时,采用Hf为计算底界。由于篇幅有限,计算简图仅以N4剖面线为例加以示意(见图6),其参数取值见表4,计算结果见表5。3.3筛选危险性较高的区域间工程建设预测评价结果南、北两侧采空区导水裂隙带最大高度均大于其顶板厚度,所以塌陷危险性较大。在采空区移动边界线以内为破坏区,在此范围内建设工程均会遭受塌陷及伴生地裂缝灾害危害,危害程度大,预测评价结果为危险性大;在移动边界与稳定边界之内的区域工程遭受塌陷灾害危险性中等,危害程度中等,预测评价结果为危险性中等;在稳定边界以外区域,不受煤矿开采及采空区的影响,工程建设遭受塌陷灾害可能性小,危害程度小,预测评价结果为危险性小。4地质灾害的危险程度评估综合评估是在现状评估和预测评估的基础上,采用定性、半定量的方法评估地质灾害的危害程度,确定地质灾害的危险性级别,其标准见表6。依据现状评估和预测评估结果,以及研究区地面塌陷发育强度和危害程度,将评估区划分为塌陷灾害危险性大区、中等区和小区。(1)采空区顶底板围岩分布在区内南、北两侧,采空区顶板移动边界之间,塌陷及塌陷地裂缝地质灾害严重,现状评估为塌陷及塌陷地裂缝规模小、稳定性差、危险性中等、危害程度中等,主要表现为采空区顶底板围岩的移动破坏危及地表建筑物的安全使用,预测评估为危险性大区,综合评估为危险性大区,面积约4.12km2。(2)地面泥石流灾害治理现状分布在区内南、北两侧,采空区顶板稳定边界与移动边界之间,目前没有发现地面塌陷地质灾害,现状评估为危险性小区,预测评估为可能会受到煤矿采空影响,综合评估为危险性中等区,面积约0.86km2。(3)地质灾害危险性小区评估分布在区内中部、顶板稳定边界以外的区域,没有塌陷、地面沉降及地裂缝等地质灾害发育,现状评估为地质灾害危险性小,预测评估为地质灾害危险性小,综合评估为地质灾害危险性小区,面积约10.19km2。5对采空凹陷的地质条件要具备以下把(1)采空塌陷危险性综合评估研究可为采空区场地的工程建设、用地规划和地质灾害防治提供科学依据:对塌陷危险性大区(Ⅰ),工程建设易加剧塌陷灾害发生,建设场地适宜性差,不能作为建设工程用地;对塌陷危险性中等区(Ⅱ),建设场地基本适宜,不能建设重要建筑物,对建筑物基础进行相应的结构处理,可以进行一般工业厂房建设;对塌陷危险性小区(Ⅲ)