地面變形地質(zhì)災(zāi)害特征及演化

時(shí)間:2022-08-12 03:07:15

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地面變形地質(zhì)災(zāi)害特征及演化

摘要:地面變形地質(zhì)災(zāi)害具有突發(fā)性、隱蔽性強(qiáng),危險(xiǎn)性大等特點(diǎn)。鹽湖礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害類型主要以塌陷坑、地裂縫、地面不均勻沉降為主。礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害初始期為2000~2007年、盛發(fā)期2008~2013年、平緩期2014年至今,區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。但由于礦區(qū)歷史遺留問題較復(fù)雜,地面變形區(qū)缺乏監(jiān)測(cè)資料,難以取得量化的數(shù)據(jù),仍需加強(qiáng)地面變形監(jiān)測(cè)工作及地質(zhì)災(zāi)害隱患防范。

關(guān)鍵詞:地面變形;災(zāi)害特征演化分析

近年來,采取切實(shí)技術(shù)措施,科學(xué)有效防治地質(zhì)災(zāi)害,確保人民生命財(cái)產(chǎn)安全、安居樂業(yè)、保障社會(huì)穩(wěn)定,越來越受到礦區(qū)企業(yè)和當(dāng)?shù)卣闹匾暋H欢?,由于歷史原因及礦區(qū)的不規(guī)范開采形成的大量采空區(qū),造成區(qū)域內(nèi)不同程度的地面變形的地質(zhì)災(zāi)害時(shí)有發(fā)生,嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)厣a(chǎn)、生活和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。本文以湖南省衡陽市常寧市鹽湖鎮(zhèn)上沖村地面變形地質(zhì)災(zāi)害補(bǔ)充調(diào)查[1]為例,查明了研究區(qū)基本情況;通過物探及地面調(diào)查手段,研究分析了冒落帶、裂隙帶、彎曲帶與地面變形地質(zhì)災(zāi)害形成機(jī)理;查明了區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害類型及時(shí)空對(duì)應(yīng)關(guān)系,綜合分析了地面變形地質(zhì)災(zāi)害變形初始期、盛發(fā)期、平緩期及發(fā)展趨勢(shì)。

1研究區(qū)概況

1.1自然地理環(huán)境

研究區(qū)位于湖南省衡陽市常寧市東南部的鹽湖鎮(zhèn)境內(nèi),距常寧市城區(qū)約14km,屬剝蝕丘陵地貌,地勢(shì)總體東部和西部高,中部低;南面高、北面低,最大相對(duì)高差為132m。天子江為區(qū)內(nèi)主要地表徑流,該河流量季節(jié)性變化顯著,雨季下游最大流量24.089m3/s,一般流量1~5m3/s。區(qū)內(nèi)氣候?yàn)閬啛釒Ъ撅L(fēng)氣候,歷年降雨為902~1812.2mm,多年平均降雨量1342.93mm,日最大降雨量141.3mm(1976年7月9日),1972年~1981年月最大降雨量233.1mm,降雨集中在3~6月;水面蒸發(fā)量為1017.5~1491.7mm/a。

1.2地質(zhì)

區(qū)內(nèi)地層較為簡單,出露地層由新到老有第四系(Q)、三疊系下統(tǒng)大冶組(T1d)、二疊系上統(tǒng)大隆組(P3d)、二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P3l)。礦區(qū)位于鹽湖向斜南段,主體構(gòu)造走向成南北向展布。

1.3開采基本情況

鹽湖礦區(qū)開采歷史悠久,清朝中期煤礦即已開采。老窯基本沿地表煤層露頭開采,開采密度大,但規(guī)模很小,采深大多在幾十米以內(nèi),主要位于鹽湖向斜的東翼沿煤層露頭地帶。20世紀(jì)80年代,區(qū)內(nèi)有證無證小煤礦多達(dá)50余家,開采深度達(dá)±0m標(biāo)高,小煤窯無計(jì)劃開采,造成了極大的資源浪費(fèi),對(duì)礦山地質(zhì)環(huán)境影響較大。區(qū)內(nèi)煤層情況:有4層煤分別為2、5、6、7煤層,2煤為大部分可采煤層,5煤為局部可采煤層,6煤為主采煤層,7煤不可采[2];區(qū)內(nèi)現(xiàn)狀只開采6煤層,2、5煤未開采。區(qū)內(nèi)6煤層開采情況:三個(gè)水平-42m水平、-150m水平、-250m水平開采布置采區(qū),淺部-42m水平以上資源于1983年已開采完;-42~-150m水平也已基本采完;-250m水平?jīng)]有正式形成工作面?,F(xiàn)狀區(qū)內(nèi)停止了采礦活動(dòng)見表1。

2地質(zhì)災(zāi)害特征

2.1地質(zhì)災(zāi)害類型

根據(jù)野外調(diào)查成果,區(qū)內(nèi)地面變形地質(zhì)災(zāi)害有:塌陷坑、地裂縫、地面不均勻沉降、農(nóng)田漏失等,見圖1。尤其以地面塌陷坑最為直觀、破壞性最大[3],見表2.

2.2地質(zhì)災(zāi)害分布

與礦山開采時(shí)空對(duì)應(yīng)關(guān)系分析2005年以前和2006~2011年礦業(yè)活動(dòng)陸續(xù)引發(fā)了塌陷坑、地面不均勻沉降、地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害,造成了周邊居民房屋不同程度開裂,地下水位下降等現(xiàn)象。地面變形地質(zhì)災(zāi)害與礦山開采具有正相關(guān)系[4],見圖1、表3。

3地質(zhì)災(zāi)害形成機(jī)理及影響因素分析

3.1形成機(jī)理

區(qū)內(nèi)采空區(qū)主要依靠留設(shè)保安煤柱維持穩(wěn)定,礦業(yè)活動(dòng)后形成采空區(qū),破壞了巖體天然應(yīng)力平衡狀態(tài),隨著開采區(qū)域的增大,采空區(qū)的頂板在應(yīng)力作用下不斷發(fā)生變形、破壞、位移和冒落,自下而上出現(xiàn)冒落帶、裂隙帶、彎曲帶,結(jié)果在地表形成地質(zhì)災(zāi)害[5]。(1)冒落帶冒落帶為采空區(qū)頂板破碎坍落形成,其厚度一般為采礦厚度的3~4倍[6]。礦山開采煤層平均厚度2.61m,最大處有9.69m,區(qū)內(nèi)冒落帶平均厚度為7.83~10.44m,最大厚度約38.76m。據(jù)S3線物探解譯剖面見圖2。分析可知,電阻率等值線呈明顯低阻凹陷帶,異常編號(hào)分別為AS2-1、AS2-2,推測(cè)為煤層采空區(qū)及冒落帶,厚度約40m,與計(jì)算值基本一致。(2)裂隙帶裂隙帶處于冒落帶之上,其產(chǎn)生了較大的彎曲和變形,厚度一般取采礦厚度的12~18倍[7],故調(diào)查區(qū)內(nèi)裂隙帶平均厚度為31.32~46.98m,最大厚度約174.42m。根據(jù)物探成果綜合分析,官?zèng)_村裂隙帶分布標(biāo)高60~-100m,面積約約0.06km2,呈橢圓形;上沖村分布標(biāo)高為60~-110m,面積約1.1km2,整體呈條帶狀(見圖3)。裂隙帶分布區(qū)域基本上和煤層采空區(qū)分布一致。(3)彎曲帶彎曲帶為裂隙帶頂面至地面高度,是不破裂的彎曲帶。彎曲帶地層為大冶組(T1d)泥質(zhì)灰?guī)r,其受采空區(qū)影響,巖溶洞穴發(fā)育,根據(jù)物探成果,淺部巖溶發(fā)育帶主要分布標(biāo)高+60~+110m,多為條帶狀或橢圓狀,見圖3。野外地面調(diào)查地質(zhì)災(zāi)害主要分布在官?zèng)_村和上沖村和物探成果基本吻合。

3.2影響因素分析

地面變形地質(zhì)災(zāi)害影響因素眾多,主要因素有:駣深采厚比、地質(zhì)構(gòu)造、頂板覆巖、抽排地下水等因素[8]。(1)采深采厚比:礦山煤層開采深度為20~311m,煤層開采厚度為1.8~6.5m,當(dāng)采深采厚比越大,對(duì)地面影響小,反之則大。(2)地質(zhì)構(gòu)造:區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造較發(fā)育,煤層開采后對(duì)地表影響較大。(3)頂板覆巖:直接頂板粉砂巖,偽頂泥巖、炭質(zhì)泥。開采過程中,巖層大都遭受了不同程度的破壞,產(chǎn)生各種節(jié)理裂隙、壁理,勢(shì)必造成礦坑冒頂、片幫,導(dǎo)致垮落帶的變化,并引發(fā)采空區(qū)上部覆巖發(fā)生彎曲變形,從而出現(xiàn)地面不均勻沉降。(4)抽排地下水:區(qū)內(nèi)隨著開采區(qū)的不斷發(fā)展擴(kuò)大、加深,采礦區(qū)頂板冒落活動(dòng)頻繁,隨著礦井疏干區(qū)的擴(kuò)大,巖石的飽和狀態(tài)遭到嚴(yán)重破壞,地下水位急劇下降,泉水不再涌出,水井干涸;接下來地表開裂、沉降、塌陷,又因大氣降雨地表水、地下水的沖刷作用下,老采區(qū)又形成了新的空洞。上部土層與巖層裂縫加寬加深,為地表水、地下水徑流潰入提供了通道,逐漸形成空洞或崩落,失去了地層本身平衡狀態(tài),在地應(yīng)力作用下,地面建筑物產(chǎn)生不均勻沉降,造成開裂、塌陷,局部位移等嚴(yán)重地質(zhì)災(zāi)害。

4地質(zhì)災(zāi)害演化分析

4.1初始期、盛發(fā)期、平緩期以及目前穩(wěn)定現(xiàn)狀

區(qū)內(nèi)受煤礦開采影響,區(qū)內(nèi)變形現(xiàn)象主要表現(xiàn)為地面塌陷、地面不均勻沉降、地裂縫。根據(jù)野外調(diào)查成果,該地區(qū)地面變形始發(fā)于2000年,通過訪問有明確發(fā)生時(shí)間的地面變形現(xiàn)象共45處,對(duì)其發(fā)生時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)見圖4。根據(jù)圖4統(tǒng)計(jì)結(jié)果,分析2000年以來區(qū)內(nèi)變形現(xiàn)象發(fā)生發(fā)展趨勢(shì),區(qū)內(nèi)采空區(qū)地面變形現(xiàn)象發(fā)生階段分為三個(gè)時(shí)期,即:初始期、盛發(fā)期、平緩期[9]。初始期:變形初始期為2000~2007年。在該時(shí)期內(nèi),由于煤礦開采,巷道頂板的垮落、變形及地下水位下降對(duì)地表巖土體應(yīng)力平衡的影響初步顯現(xiàn),地面變形現(xiàn)象開始發(fā)生,地面變形現(xiàn)象發(fā)生數(shù)量較少,甚至連續(xù)兩年沒有發(fā)生地面變形現(xiàn)象;地面變形現(xiàn)象多集中在鹽湖鎮(zhèn)、官?zèng)_村2組、裕民居委會(huì)等地段。盛發(fā)期:變形盛發(fā)期為2008~2013年。在該時(shí)期內(nèi),由于煤礦開采活動(dòng)旺盛,巷道頂板的垮落、變形及地下水位下降完全破壞了地表巖土體原有的應(yīng)力平衡狀態(tài),地面變形現(xiàn)象愈演愈烈,地面變形現(xiàn)象發(fā)生數(shù)量總體呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì);隨著煤礦開采對(duì)地表巖土體的影響范圍的進(jìn)一步擴(kuò)大,上沖村開始發(fā)生地面變形現(xiàn)象。平緩期:變形平緩期為2014年至今。在該時(shí)期內(nèi),由于煤礦開采活動(dòng)停止,巷道頂板逐漸穩(wěn)定,地下水位下降趨勢(shì)減緩,表層巖土體逐漸達(dá)到新的應(yīng)力平衡狀態(tài),地面變形現(xiàn)象發(fā)生數(shù)量少,且呈現(xiàn)出逐漸減少的趨勢(shì)。目前處于平緩期,地面變形現(xiàn)象發(fā)生數(shù)量少,隨著煤礦開采的停止,巷道頂板逐漸穩(wěn)定,地下水位回升,表層巖土體逐漸達(dá)到新的應(yīng)力平衡狀態(tài),故推測(cè)工作區(qū)采空地面變形目前處于逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

4.2發(fā)展趨勢(shì)

通過該項(xiàng)目野外調(diào)查和室內(nèi)綜合研究分析,對(duì)區(qū)內(nèi)地面變形地質(zhì)災(zāi)害發(fā)展趨勢(shì)[7]有如下認(rèn)識(shí):隨著區(qū)內(nèi)煤礦開采完全停止,巷道頂板逐漸穩(wěn)定,地下水位回升,表層巖土體逐漸達(dá)到新的應(yīng)力平衡狀態(tài),2014年以后僅發(fā)生了兩處地面變形現(xiàn)象:2014年鹽湖中學(xué)廁所輕度損壞;2016年3月,鹽湖鎮(zhèn)上沖村5組發(fā)生一處地面塌陷,塌陷坑規(guī)模為小型;可以看出,2013年以后,地面變形數(shù)量少,變形量小,隨著時(shí)間的推移,表層巖土體進(jìn)一步趨于平衡狀態(tài),該區(qū)內(nèi)變形現(xiàn)象發(fā)生頻率及規(guī)模將進(jìn)一步減少,區(qū)內(nèi)地面變形將逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

5結(jié)論

1)地面變形地質(zhì)災(zāi)害類型主要以塌陷坑、地裂縫、地面不均勻沉降為主。

2)通過對(duì)區(qū)內(nèi)地面變形現(xiàn)象統(tǒng)計(jì),分析變形初始期為2000~2007年、盛發(fā)期2008~2013年、平緩期2014年至今。3)現(xiàn)狀區(qū)內(nèi)停止了礦業(yè)活動(dòng),采空區(qū)地面變形地質(zhì)災(zāi)害逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài),但因?yàn)槭抢系V區(qū),歷史遺留問題較復(fù)雜,地面變形區(qū)缺乏監(jiān)測(cè)資料,難以取得量化的數(shù)據(jù),仍需加強(qiáng)地面變形監(jiān)測(cè)工作及地質(zhì)災(zāi)害隱患防范。

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作者:蔣麗蘭 劉治宇 王杜鵑 蔣魁 楊超 單位:湖南省煤炭地質(zhì)勘查院 湖南省勘查設(shè)計(jì)研究院