第ｌ８卷 第２期 ２０１１年 安全与环境工程 Ｓａｆｅｔｙ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖｏ１．１８ ＮＯ．２ Ｍａｒ． ２０１１ ３月 煤矿采空区塌陷地质灾害评估研究 以鸟鲁木齐八道湾地区某煤矿采空区为例 王新刚 ，张龙菊 。，冯晓腊 ，李云安 （１．中国地质大学岩土钻掘与防护教育部工程研究中心，武汉４３００７４； ２．中国地质大学工程学院，武汉４３００７４） 摘 要：本文以乌鲁木齐八道湾地区某煤矿采空区为研究对象，通过野外地质调查、物探、钻探等手段对该煤矿采空 区塌陷地质灾害进行现状评估，评估结果为危害程度中等、危险性中等；采用最大导水裂隙带高度法和解析法进行预 测评估，评估结果为很有可能继续塌陷；在现状评估和预测评估的基础上，进行了综合性分区评估，将研究区划分为 采空塌陷危险性大区、中等区和小区。该研究结果可为研究区建设用地规划和地质灾害防治提供科学依据。 关键词：煤矿采空区；地面塌陷；地质灾害；危险性评估 中图分类号：Ｘ４３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１—１５５６（２０１１）０２—００１８－０５ Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｎ Ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ Ｈａｚａｒｄｓ ｉｎ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅ Ｇｏａｆｓ Ｔａｋｉｎｇ ｔｈｅ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｉｎｇ Ｇｏａｌ ｉｎ Ｕｒｕｍａｉ Ｅｉｇｈｔ Ｂａｙ Ａｒｅａ ｆｏｒ Ｅｘａｍｐｌｅ ＷＡＮＧ Ｘｉｎ－ｇａｎｇ ，ＺＨＡＮＧ Ｌｏｎｇ－ｊｕ ，ＦＥＮＧ Ｘｉａｏ—ｌａ ，ＬＩ ｙｕｎ—ａｎ２ （１．Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｒｏｃｋ—ｓｏｉｌ ａｎｄ Ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｇｅｏｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｗｕｈａｎ ４３００７４，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｆａｃｕｌｔｙ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｇｅｏｓｃｉｅｎｃｅ，Ｗｕｈａｎ ４３００７４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｂｊ ｅｃｔ ｉｓ ａ ｃｏａｌ ｍｉｎｉｎｇ ｇｏａｆ ｉｎ Ｕｒｕｍｑｉ Ｅｉｇｈｔ Ｂａｙ Ａｒｅａ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｏｆ ｃｏｌｌａｐｓｅ ｒｉｓｋ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｃａｒｒｉｅｓ ｏｕｔ ｔｈｅ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｒｅｇｉｏｎａｌ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｉｍ ｔｏ ｐｒｏｖｉｄｅ ａ ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｌａｎｄ ｐｌａｎｎｉｎｇ ａｎｄ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｈａｚａｒｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ａｒｅａ．Ｆｉｅｌｄ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｓｕｒｖｅｙｓ，ｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌ ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｈａｚａｒｄ ｒｉｓｋ ｉｓ ｍｏｄｅｒ－ ａｔｅ；ｔｈｅ ｆｏｒｅｃａｓｔ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｂｙ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｈｅｉｇｈｔ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｆｌｏｗｉｎｇ ｔｈｅ ｆｒａｃｔｕｒｅｄ ｚｏｎｅ ａｎｄ ｔｈｅ ａｎａｌｙｔｉｃａｌ ｍｅｔｈｏｄ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｃｏｌｌａｐｓｅ ｍａｙ ｃｏｎｔｉｎｕｅ；ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｒｅｇｉｏｎａｌ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｄｉｖｉｄｅｓ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ａｒｅａ ｉｎｔｏ ｌａｒｇｅ一，ｍｅｄｉｕｍ—ａｎｄ ｓｍａｌｌ—ｓｉｚｅｄ ｓｅｃｔｉｏｎｓ ｉｎ ｔｈｅ ｒｉｓｋ ｏｆ ｍｉｎｉｎｇ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｏａｌ ｍｉｎｉｎｇ ｇｏａｆ￣ｃｏｌｌａｐｓｅ；ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｈａｚａｒｄ；ｒｉｓｋ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ０ 引 言 乌鲁木齐八道湾地区是采空塌陷易发区，该地 区长期的煤炭地下开采形成了大量的采空区，并已 引起大量的地面塌陷，时刻威胁着当地的生态环境 和人民生命财产安全，严重制约着当地的生产力发 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［１ ］，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［４］、物探［５］、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 展和城市规划建设。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。 收稿日期：２０１０—０８—０６ 修回Ｅｔ期：２０１０一ｌｌ一１２ 作者简介：王新刚（１９８６一），男，硕士研究生，主要研究方向为岩土体稳定性及地质灾害评价。Ｅ－ｍａｉｌ：ｗａｎｇｘｉｎｇａｎｇＯ１５＠１６３．ｃｏｒｎ 第２期 王新刚等：煤矿采空区塌陷地质灾害评估研究——以乌鲁木齐八道湾地区某煤矿采空区为例 ｌ９ 行危险性分区。这样使综合性评估研究结果更为具 岩、泥岩、炭质泥岩及煤组成，煤层走向５２。～６７。，倾 体、可靠，可为研究区用地规划、工程建设和地质灾 向３０５。，倾角６４。～８８。。研究区范围内涉及向斜、背 害防治提供科学依据。 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。碎屑岩类孑Ｌ隙裂 １研究区概况ｌ６］ 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 研究区位于乌鲁木齐八道湾地区，东西宽３．５ 空区的水力联系不密切，对其稳定性基本无影响；松 ｋｍ，南北长５ ｋｍ，总面积约１５．１７ ｋｍ 。该区北部 散岩类孔隙水的含水层为第四纪砂卵砾石层，含水 及南部黄土丘陵区分布有煤矿采空塌陷坑（槽）及地 层厚５～１５ ｍ，水位埋深２～４ ｍ，水量丰富，据前人 裂缝，塌陷坑（槽）呈圆、椭圆、长条形带状分布，其延 勘探资料，单井涌水量大于１ ０００ ｍ。／ｄ，对采空区稳 伸方向与煤层走向一致，出露的主要地层为第四纪 定性影响较大。研究区范围及构造线剖面见图１。 和侏罗纪地层，各地层岩性一般多由粉砂岩、细砂 研究区范围 ８００ ８００ ４００ ４００ ２００ ２００ ０ ０ ２００ ２ＯＯ ４００ ４００ 器 自ＢＩ 煤层及编号＋２Ｂ ３围竿 三回岱罢号圈 ｌ Ｉ 理竖层 西 ６Ｂ『——回Ｉ ＋２笔剖面方向 蠢头囤萋Ｂ １＋２垂Ｂ ３冲．６ 及角度 图１研究区范围及构造线剖面示意图 Ｆｉｇ．１ Ｓｔｕｄｙ ａｒｅａ ａｎｄ ｔｅｃｔｏｎｉｃ ｌｉｎｅ ｐｒｏｆｉｌｅ ｄｉａｇｒａｍ 了塌陷槽（见图５），塌陷槽宽３０～３５ ｍ、深１５～２５ ２ 研究区采空塌陷危险性现状评估 ｍ。其中典型塌陷坑（群）规模特征见表１。 表１研究区典型地面塌陷坑（群）规模特征 研究区主要地质灾害为分布在该区南北两侧的 Ｔａｂｌｅ １ Ｔｙｐｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｒｏｕｎｄ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ 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 采空塌陷发育特征及其规模 研究区采空塌陷主要表现为伴生组合：①塌陷 坑一地裂缝组合（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０．２～０．７ ｍ，最宽可达１．１ ｍ，长度一般为 ６Ｏ～１Ｏ０ ｍ；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 ２．２采空塌陷危险性现状评估 山体滑塌和地裂缝组合，主要分布在研究区南北两 通过研究发现，地面塌陷主要分布于区内南北 侧的采空区。 两侧采空区一带，伴生地裂缝主要分布在区内南部， 据野外调查，共发现３Ｏ个地面塌陷坑（群），其 它们对地形地貌和植被破坏较为严重，威胁过往行 面积为６６～９７０ ｍ ，深度为３～１０ ｍ，最深可达２５ 人、车辆及煤矿生产安全，其危害程度中等，并依据 ｍ，体积为５９４～１３ ６００ ｍ。，均为小型地面塌陷；塌 采空塌陷发育特征及其规模，现状评估结果为危险 陷群基本沿目前开采的 煤层走向展布，并形成 性中等，详见表１。 第 期 王新侧等：煤矿采空区塌陷地质灾害评竺 兰二兰兰兰 兰 兰兰兰兰 兰 — 表２ 南侧采空区物探解译及导水裂隙带高度ｔｌｓ计算结果 表４采空区对地表影响参数取值 Ｔａｂｌｅ ４ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｏｆ ｍｉｎｅｄ ａｒｅａ ｏｎ ｓｕｒｆａｃ。 Ｔａｂｌｅ ２ Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌ ｉｎｔｅｒｐｒｅｔａｔｉｏｎ。ｆ ｇｏｂ ａｎｄ ｔｈｅ ｈｅｉｇｈ Ｈ，ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｆｌｏｗｉｎｇ ｔｈｅ ｆｒａｃｔｕｒｅｄ ｚｏｎｅ ｉｎ ｓｏｕｔｈ 表３ 北侧采空区物探解译及导水裂隙带高度日，计算结果 Ｔａｂｌｅ ３ Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃａ１ ｉｎｔｅｒｐｒｅｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｇｏｂ ａｎｄ ｔｈｅ ｈｅｉｇｈｔ Ｈ，ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｆｌｏｗｉｎｇ ｔｈｅ ｆｒａｃｔ“ 。ｄ 。“。 ｉｎ ｎｏｒｔｈ 剖面采空区 线号 编号 霖 高度 板埋深／ 带商度 备 备注 Ｎ１采空区Ｉ ５０ １１０ ３０６ － ０ （、 ／－／ｆ Ｎ２采空区Ｉ １００ １７６ ３９０．８１ Ｈ＜Ｈ， Ｎ。采空区Ｉ ４５ ２１２ ４３５．５３ Ｈ％Ｈ／ Ｎ 采空区Ｉ ６５ １８４ ３４０．４２ Ｈ＜Ｈｆ Ｎ５ 已回填 已回填 Ｎ６ 蠢囊婆曩磊箍蚕 署地表投影的距离（７．１ ４２ ｍ，ｍ） ．ｒ整动 显距离（３４・３８ ｍＪ ７００ 丁一了— — ————～ ６５０ 恒６００ ５５Ｏ ５００ ０ ４０ ８０ １２０ １６０ ２００ ２４０ ２８０ 里程／ｒｌｌ 图６ Ｎ 剖面线解析法计算简图 Ｆｉｇ．６ Ｄｉａｇｒａｍ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｇｏｂ ｉｍｐ 。 ｏｎ ｓｕｒｆａｃｅ ｉｎ Ｎ４ ｓｅｃｔｉｏｎ ｌｉｎｅ 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， 一 一∞ ∞如 表５ 采空区对顶板的影响范围计算结果 Ｔａｂｌｅ ５ Ｒｅｓｕｌｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｏｆ ｍｉｎｅｄ ａｒｅａ Ｏｉｌ ｒｏｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ 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研究区综合性分区评估 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 引，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。 表６地质灾害危险性分级标准 Ｔａｂｌｅ ６ Ｃｒｉｔｅｒｉａ ｏｆ ｇｅｏｌｏｇｉｃ ｈａｚａｒｄ ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ 。 确 要素 一． 危险性分级 堑 塑堕亟 地质灾害危害程度 危险性大 强发育 危害大 危险性中等 中等发育 危害中等 危险性小 弱发育 危害小 （１）危险性大区（Ｉ）：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 ２２ 安全与环境工程 第１８卷 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４．１２ ｋｍ。。 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），场地适宜工程建设，该区域内地质环境 简单，工程建设遭受塌陷危害的可能性小，引发、加 剧塌陷的可能性小，危险性也小，易于处理。 （２）危险性中等区（Ｕ）：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 （２）在有煤矿采空塌陷存在的场地进行工程建 设时，塌陷危险性评价可作为前期地质灾害评价的 依据，但不能代替工程地质勘察工作。同时，还要加 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０．８６ ｋｍ。。 （３）危险性小区（Ｉ］Ｉ）：分布在区内中部、顶板稳 强采空塌陷地质灾害的监测预报工作，并需在预测 塌陷区内设立警示标志。 参考文献： ［１３张云明．高速公路下伏采空区稳定性评价方法探讨［Ｊ］．铁道勘 测与设计，２００７，（３）：５８—６２． ［２１张建，张远芳，袁铁柱，等．采空区稳定性分析与评价［Ｊ］．水利与 建筑工程学报，２０１０，８（２）：１４５—１４６． 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１０．１９ ｋｍ。。 ５结论 ［３］余克井，刘金保．某矿山住宅区地下采空区稳定性评价及治理 口］．有色冶金设计与研究，２０１０，３１（３）：１—３． ［４］李智毅，唐辉明．岩土工程勘察［Ｍ］．武汉：中国地质大学出版 （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 社，２０００：５—１０． ［５３雷宛．工程与环境物探教程［Ｍ］．北京：地质出版社，２００６． ［６］中国地质大学（武汉）。乌鲁木齐八道湾某煤矿地面塌陷地质灾 害勘查报告［Ｒ］．武汉：中国地质大学，２０１０． ［７３ ＧＢ５００２１—２００１，岩土工程勘察规范Ｉｓ３． 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 Ｉｓ］国土资源部．地质灾害危险性评估技术要求Ｉｓ１．２００４． （上接第１７页） 由图９可知：随着库水位的下降，西壤坡斜坡稳 近孔隙水压力发生明显变化，但坡体内部影响甚微 （２）通过对岸坡进行渗流场与应力场耦合模拟 定性呈现先降低后升高的趋势。同样选取其中的 Ｍ－Ｐ法进行稳定性变化分析，在库水位１７５ ｍ与降 雨作用下，西壤坡的稳定性系数为１．７１７；当库水位 降至１４５ ｍ时，西壤坡的稳定性系数为１＿８４８，斜坡 的稳定性系数涨幅为７．６２ 。在库水位下降的前 期，西壤坡的稳定性系数有所下降，笔者判断是由于 库水位的骤降，坡体内地下水的滞后效应而在坡体 内形成一定的动水压力，在动水压力的作用下，坡体 的下滑力增大，从而导致坡体稳定性的降低，但随着 分析，得到了西壤坡斜坡变形特征云图，通过对云图 的分析，得到西壤坡在各种工况下变形相对较小，说 明岸坡在库水位变化与降雨作用下处于稳定状态。 （３）采用Ｊａｎｂｕ法、Ｂｉｓｈｏｐ法、Ｍ—Ｐ法分别对西 壤坡在１４５ Ｉｌｌ、１５１ ｒｉ１、１５７ ＩＴＩ、１６３ ｍ、１６９ ｍ、１７５ １２＂１ 时库水位的稳定性进行计算，得到了稳定性的变化 规律。库水位上升过程中，初期稳定性变化甚微，随 着时间的增加稳定性系数逐渐降低；在库水位下降 时间的推移，坡体内动水压力逐渐降低，故而又呈现 随着库水位下降、稳定性系数不断升高的特征。 过程中，稳定性系数呈先降低后升高的趋势。 参考文献： ［１］廖秋林，李晓，李守定，等．三峡库区千将坪滑坡的发生、地质地 貌特征、成因及滑坡判据研究［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００５， ２４（１ ７）：３ １４６—３ １５３． ４结 论 （１）库水位由１４５ １ＴＩ升至１７５ ｒｎ的过程中，地 下水位浸润线呈明显向岸坡内弯曲的形态，岸坡地 下水位并不立即随库水位快速上升，具有一定的滞 后性，孔隙水压力分布随着库水位上涨而改变；库水 位由１７５ ｍ降至１４５ ｍ的过程中，地下水位浸润线 明显向岸坡外弯曲，孑Ｌ隙水压力分布随着库水位下 ［ｚ］吴宏伟，陈守义，庞宇威．雨水人渗对非饱和土坡稳定性影响的 参数研究［Ｊ］．岩土力学，１９９９，２Ｏ（１）：１—１４． ［３３李远耀．三峡库首区顺层基岩岸坡变形机制与稳定性研究［Ｄ］． 武汉：中国地质大学，硕士学位论文，２００７． ［４］陈丽霞．三峡水库库岸单体滑坡灾害风险预测研究［Ｄ］．武汉：中 国地质大学，博士学位论文，２００８． ［５］柴波．巴东新城区库岸斜坡岩体结构系统研究［Ｄ］．武汉：中国地 质大学，博士学位论文，２００８． 降而明显向下弯曲。在降雨作用下，斜坡体表面附