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摘 要:用层次分析的方法,阐述了松宜煤矿区塌陷的形成及其发育分布情况,对矿山地质环境评价与治理及深部煤层开采具有重要的指导意义。
本文来自职称论文发表的竭力网络搜索和整理得来的。
关键词:矿山;塌陷;层次分析
1 概述
松宜煤矿区位于仁和坪向斜东端,南北宽约9km,东西长约15km,向斜轴位于矿区中部偏南,呈东西向展布。由新到老出露的地层有:三叠系大冶灰岩,二叠系长兴灰岩、吴家坪硅质泥岩、茅口灰岩、栖霞灰岩、梁山组(煤系),石炭系黄龙灰岩,泥盆系砂岩,志留系泥页岩等。其中黄龙灰岩、栖霞灰岩、茅口灰岩、长兴灰岩、大冶灰岩溶洞裂隙发育,是易引发塌陷的地层。据矿区勘探钻孔资料,大冶灰岩和茅口灰岩见溶洞率最高,其次是栖霞灰岩和黄龙灰岩,少数溶洞被泥砂充填或半充填。溶洞水平分带不明显,在不同深度和标高都可见到较大的溶洞。
本区属鄂西南低山地貌,地势总体北高南低,地形坡度在20°左右。常年性河流有干沟河、洛溪河、陈家河、尖岩河,河边溶洞发育,老塌陷坑较多。河水通过溶洞、溶蚀裂隙直接补给地下,成为矿坑涌水的主要来源之一。
矿区自20世纪50~60年代开始进行规模性开发,至今已有50~60年的历史。近几年由于煤炭资源紧缺及煤炭市场化运作,致使该区煤炭资源的开发强度和开发速度达到高峰。北部、南部(即向斜两翼)矿层埋藏浅的矿山经过多次复采,资源已接近尾声,但开采后形成的大面积采空区,造成地表出现较多塌陷,对矿区地质环境破坏较大,很多房屋因此而搬迁。中部(即向斜核部)矿层埋藏深的矿山由于地表塌陷等造成地下水直接涌入井下,石家湾、干沟河、猴子洞煤矿就是因洛溪河床塌陷穿洞而撤退。邻近小型矿山在+160地下水位线以下的煤炭资源因水患而处于呆滞状态,无法得到经济利用。塌陷问题已严重影响到了矿山的生产及矿区人民的生活。
2 成因机制
2.1 岩溶塌陷
本区为岩溶地区,喀斯特形态以溶洞为主,其次为溶蚀洼地、溶沟、溶隙、溶孔、落水洞及地下暗河等,在地表多被土层覆盖。由于覆盖层与下伏基岩渗透系数差异大,当地下水位上升时,地下水的水力梯度和流速相应加大,对上覆土层和洞穴、溶隙中的充填物进行冲刷和淘空,并将土颗粒随水带走,这时在与碳酸岩体顶板接触处的土层中开始形成土洞。土洞的形成改变了土层中的原始应力状态,引起洞顶的坍落。在地下水不断潜蚀、土洞中空气负压吸附及土体重力坍落等作用下,土洞不断向上发展成拱形。当土层厚度较大时,可形成天然平衡拱,土洞停止发展而隐伏于地下;当土层较薄时,土洞不能形成天然平衡拱,其顶部不断坍落,一直达到地表,形成地表岩溶塌陷。其形状一般近圆形,深3~6m,面积从几平方米至十几平方米不等,地面多表现为被土层半填埋的老塌陷坑。
2.2 采空塌陷
矿区北部及南部煤炭资源由于埋藏浅,一般距地表几十至上百米,采动次数多,回采率高,甚至有些预留保安煤柱也遭到了掠夺性开采。在不规范的开采方式下,造成采空区顶部岩层破碎严重,放顶回填后有些破碎带直达地表,使地面出现下凹状勺形塌陷坑,或倾向一边的宽大地裂缝。在山坡上则明显表现为沿巷道或采空区形成的条形凹陷,周围裂缝较多,沿采空区而延伸,并随开采强度、厚度、面积及回填情况等而出现不同的塌陷程度和塌陷面积。该塌陷形态目前在各小型矿山表现强烈,对地表环境破坏较大。
2.3 采空促成的岩溶塌陷
深部煤层的开采,也易引起新塌陷的出现和老塌陷的复活。放顶回填后冒落带和裂隙带的生成,沟通了溶洞之间及各含水层之间的水力联系。常年过量抽取地下水形成的大面积降落疏干漏斗,造成地下水循环条件的改变和加快。由于地下水的排泄和雨水的补给不同步性,造成地下水位在枯水季节大幅下降,在雨季又快速上升,水位波动强烈。强烈波动的动水位所形成的动压力作用在盖层之上,加速了土体的机械潜蚀破坏及崩解破坏;同时水位的大幅波动引起土洞空腔内气压的正负变化也使土体内力的平衡状态被打破,这些水动力、气动力及土力学作用加速了塌陷的生成。特别是河床附近及雨水易于汇聚的低洼地带,大量聚集的水体所形成的水体自重力充当了作用在土洞顶板土体上的静荷载,促成了溶洞发展为塌陷。
3 相关因素分析
3.1 地层岩性
塌陷多由溶洞引起,而岩溶的发育程度主要受岩性控制。本区为碳酸岩区,石炭、二叠、三叠纪都有纯度较高的石灰岩存在,且溶洞、溶隙发育,是能产生岩溶塌陷的物质基础。
3.2 地质构造
区内断裂构造较为发育,大体可分为北东及东西向两组断裂。北东方向断裂多为高角度正断层,组合形成条带状地垒和地堑或阶梯式构造,且随较大断层的生成伴生出一系列羽毛状或“入”字形小断裂;近东西向的以逆断层为主。断裂构造破坏了岩层的完整性,加剧了可溶蚀性地下水的活动,促成的溶洞的生成和发育,为塌陷的形成创造了条件,最终表现为断层破碎带周围塌陷坑较多。
3.3 水文地质条件
水文地质条件是形成溶洞和使溶洞发展为塌陷的重要因素。由于该区梁山组顶部泥岩中含有黄铁矿,氧化后使地下水水质呈弱~强酸性,增强了地下水对碳酸盐岩的溶蚀能力。常年抽取地下水加快了地下水的循环,也加速了溶蚀作用的进程,为溶洞进一步发展为塌陷创造条件。地下水不仅是溶蚀致陷的内在因素,也是产生塌陷外在动力。
3.4 开采活动
煤层在未开采前,各岩层处于相对稳定状态,地下水溶蚀作用弱,岩溶发展缓慢,塌陷发生少。随着开采活动的进行,顶、底板岩层遭到破坏,地应力重新分布,地下水活动强烈,溶蚀作用加强,各种致陷因素的相互作用和共同影响,最终导致采空区及其周围塌陷明显增多。且多发生在雨后,带有采矿破坏的迹象。
4 评价方法
塌陷是一个涉及多种因素的复杂工程地质问题,影响塌陷的因素是多方面的,而每个因素对塌陷的影响程度又是不同的,不同块段的致陷因素也存在主次差异,如何判别不同块段与致陷有关的因素及其影响程度,进而分析不同块段致陷因素的综合影响效应,是解决问题的关键,层次分析法提供的思路适合于分析和解决这类问题(见图1)。
5 结论
(1)矿区北部及南部老采空区,煤层埋藏浅,在人类高强度采矿活动下,致陷因素以人类工程活动为主,而自然地质因素居于次要地位,地面多出现采空塌陷,
(2)在采空区地下水降落漏斗边缘,由于水文地质条件改变而多引发岩溶塌陷。
(3)在深部老采空区内,自然地质因素在人类采矿活动基础上表现得更加活跃,裂隙增多,地下水活动强烈,顶部岩体完整性遭到破坏,地面多出现由采空诱发的岩溶塌陷。
参考文献
1 王滨,贺可强.岩溶塌陷渗压效应致塌机理研究—以山东省枣庄市岩溶塌陷为例[J].中国地质灾害与防治学报,2005(1)
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