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万利一矿技术改造项目工程建设引发或加剧地质灾害危险性的预测评估

作者: 边秀英 梁海军

  摘要:经地面地质灾害调查,现状条件下评估区不存在崩塌、滑坡、泥石流、地面沉降、风蚀沙埋等地质灾害,主要存在地裂缝和采空塌陷地质灾害。通过对资料分析、计算对工程建设过程中和建成后引发地质灾害的可能性及危险性进行评估。预测万利一矿技术改造项目地面工程建设不会引发或加剧崩塌、滑坡和泥石流等地质灾害。井下采煤形成采空区后,可能会引发地面塌陷灾害。
  关键词:地质灾害;引发或加剧;预测评估;地面塌陷
  
  前言
  为满足市场对煤炭需求不断增长及万利公司发展的需要,万利煤炭分公司决定进一步对资源进行整合,充分发挥资源的规模效益。整合改造后的万利一矿范围由原万利一井、二井、昌汉沟井、韩家村井、乔家渠井、添漫梁一、二号井井田等组成,面积约92km2。
  1工程概况与征地范围
  1.1工程概况
  万利一矿技改项目井田位于鄂尔多斯市东胜区北约7km处,技改后矿井生产的煤炭拟由包神铁路韩家村车站装车外运,交通较为便利。井田南北长约11km,东西宽约9km,面积92km2。地理坐标为东经 :109°52′42″― 110°02′24″;北纬 :39°50′09″― 39°58′53″,矿井9层主要可采煤层的煤炭资源地质储量1659.545Mt,全矿井设计可采储量639.141Mt。
  万利一矿矿井设计生产能力为年产煤5-8Mt,服务年限为91.3-57.1 年,矿井开拓方式采用主斜井――副平硐综合开拓方式,在充分利用现有井巷工程的基础上进行井田开拓布置。即利用原昌汗沟煤矿工业场地的副井平硐及风井,在韩家村火车站附近新增主斜井,煤炭出井后直接上仓装车外运。
  1.2 气象、水文
  1.2.1气象:多年平均气温: 6.3℃;多年平均降水量:357.1mm;多年平均蒸发量:2535mm。最大冻土深度:1.71m(1977年2、3月份)。最大风速:14m/s;大风日数年平均:26d;全年盛行风向:W、NW。
  1.2.2水文:万利一矿井田位于鄂尔多斯高原东胜分水岭北侧,属黄河流域,评估区包含罕台川与哈什拉川的部分流域,以中部添漫梁为分水岭,罕台川和哈什拉川主沟均在井田之外,其中罕台川紧靠井田西侧,哈什拉川位于井田东部,都为黄河的一级支流,哈什拉川的支沟主要有昌汗沟、马厂窖沟,罕台川的支沟有添尔漫沟,鄂勒斯太沟,沟谷两侧发育树枝状冲沟,丰水年份有渗出的泉水形成溪流,流量很小,雨季汇集洪流注入黄河。评估区内东南部马厂窖沟中游有拦洪蓄水的小型水库,是区内的常年地表水体,面积约0.1km 2,水量变化与降水有直接关系,丰水年份量大,枯水年份量小。
  1.3 地形、地貌
  1.3.1地形:评估区位于鄂尔多斯高原东北部,地形总趋势南高北低,因中部南北向区域分水岭添漫梁的影响,使得区内地形又呈中部高,向东(哈什拉川流域)、向西(罕台川流域)渐低的趋势。由于长期遭受风化剥蚀和迳流冲刷,区内沟谷发育,形成典型的剥蚀丘陵地貌。各沟谷两侧发育冲沟,冲沟切割强烈。地形起伏较大,最高点位于评估区中南部添漫梁上,海拔高程1489 m ,最低点位于东部昌汗沟,海拔高程1365m,相对高差一般10-70m左右,最大达100m之多。
  1.3.2地貌:评估区地貌按其成因、形态可划分为剥蚀丘陵、沟谷及风积沙地三类。①剥蚀丘陵:是评估区主体地貌类型,地面高程1400~1589m,相对高差70m。地形起伏不平,冲沟发育。岩性组合为白垩系砂岩、砂砾岩、侏罗系砂岩、粉砂岩、泥岩及煤系地层等,植被较发育。②沟谷:主要河谷为西部添尔漫沟,鄂勒斯太沟,东部昌汗沟、马厂窖沟,冲沟发育呈树枝状分布于各沟谷两侧。主沟谷断面大都呈“U”型,局部源头处及小冲沟断面呈“V”型,沟床相对较平坦,两侧谷坡缓倾,局部陡倾,基岩裸露明显。均为季节性排洪河谷。岩性组合为冲洪积中粗砂及砾砂层,松散层厚度一般0.8~5.2m。③风积沙地:零星分布于评估区的西南部一带,分布范围较小,地形起伏不平,地表植被较发育,为固定、半固定沙丘,岩性组合为风积粉砂、细砂,厚度一般0.5~3.3m。
  2地质构造与区域地壳稳定性
  2.1地质构造:井田处于华北地台鄂尔多斯台向斜东胜隆起区之东北部,沉积基底为三迭系,基本构造形态为一向南西倾斜的单斜构造,地层产状平缓,倾角一般小于3度,褶曲不发育,仅沿走向有宽缓的波状起伏。没有发现断距大于20m的断层,无岩浆岩侵入,亦无岩溶陷落柱存在。但浅部小型断层还是存在的,落差一般小于10m。井田属于较简单地质构造类型,即Ⅱa型。
  2.2区域地壳稳定性:根据《中国地震动峰值加速度区划图》(GB18306―2001),该区的地震基本烈度为7度,相应地震动峰值加速度为0.10g。历史最大地震震级不超过4级。区域强震多集中表现在由银~呼裂谷控制的银川~五原~呼市一带,和由汾~渭裂谷控制的西安~太原一线,震中部位多集中在深大断裂的复合相交部位,对本区影响弱,地震反应不灵敏。综上所述,评估区内地质构造简单,地震活动弱,地壳稳定。
  3工程地质条件
  3.1岩土体类型:评估区内出露和揭露的地层主要有第四系地层、白垩系地层、侏罗系地层和三叠系地层。根据地层岩性和结构特征,区内岩土体类型可分为:硬质岩类、软质岩类和砂性土类。
  3.2岩土体工程地质特征:①硬质岩类;主要是三叠系和侏罗系砂岩、粉砂岩地层,地表无出露,结构致密,质硬,承载力高,工程地质条件好。②软质岩类:主要是风化的侏罗系和白垩系砂岩、泥岩和粉砂质泥岩地层,由于风化,结构疏松,易碎,承载力偏低。③砂性土类:主要为第四系冲积洪积层和黄土状土和风积砂,冲积洪积层分布在沟谷中,结构松散,为砂砾石层;黄土状土零星分布于沟谷源头及沟谷两岸,黄土状土具垂直节理,稳定性差,容易垮塌;故工程地质条件较差;风积砂分布在评估区东南部的郝什家一带。
  4工程建设引发或加剧地质灾害危险性的预测
  万利一矿技术改造项目工程建设主要为井下采煤工程,其次为工业场地、排矸石场地等地面工程。
  4.1地面建设工程
  工业场地:万利一矿技改项目工业场地为二块,前期利用昌汗沟工业场地加以扩建;后期新建主斜井工业场地,位于井田中西部的海子沟北岸,后期原昌汗沟工业场地作为副井平硐场地。①原昌汗沟工业场地:位于昌汗沟一支沟的入汇处,地形较平坦,地势西部略高,场地扩建时周边会形成小于5m的切坡,切后坡体为白垩系及侏罗系砂岩、砂质泥岩,地层产状近似水平、较稳定,边坡稳定性好,不会成为不稳定边坡。②新建海子沟工业场地:位于海子沟北岸,地形北高南低,东高西低,海拔高度1395~1420m,建设基准面为1398m和1410m,工程建设存在高切坡,最大高度10 m左右,切坡为二级设置,切后坡体为白垩系及侏罗系砂岩、砂质泥岩,地层产状近似水平、较稳定,边坡稳定性好,不会成为不稳定边坡。 ③排矸场地:位于海子沟工业场地东北1.5km处的一个较宽沟谷内,储存选煤厂洗选出来的矸石等。矿井掘进矸石一般不出井,回填采空区。本工程主要工程是筑拦石坝,没有挖方工程,不会形成高切坡。④进场及排矸公路:进场及排矸公路是在原有的小路上进行改扩建,没有大的挖方工程,也不会形成高切坡。
  可见地面工程建设不会引发崩塌、滑坡和泥石流等地质灾害。评估区现状条件下的地质灾害距地面工程较远,地面工程建设不会加剧该类灾害的危险性。综上所述,地面工程建设不会引发或加剧崩塌、滑坡和泥石流等地质灾害。
  4.2井下采煤工程
  井下采煤形成采空区后,可能会引发地面塌陷灾害。
  4.2.1地面塌陷灾害的预测:本井田可采煤层计有9个煤组,各煤层的赋存情况在井田内差别较大。为保证各煤层之间的联络工程量小,各煤组之间有较均衡的储量和服务年限,可研将所有的煤层分成三组,即上煤组(主要包括2-2上、2-2中、3-1煤层),中煤组(主要包括4-1上、4-1、4-2中煤层)和下煤组(主要包括5-1、6-1上、6-2中煤层)。
  据收集的煤勘孔资料,分别计算了每个钻孔的煤层采深采厚比值,计算方法为:煤层厚度m/煤层顶板深度m(煤层厚度为大于0.8m的可采煤层厚度之和。煤层顶板深度取各可采煤层顶板深度的算术平均值)。并按采深采厚比大于30为地面沉陷区,采深采厚比小于30为地面塌陷区,30~20之间作为危险性中等区;小于20作为危险性大区。预测评估如下:(1)开采顶层煤时:本井田各煤层的赋存情况在井田内差别较大,分布不均,把厚度大于0.8m的单层可采煤层作为顶层煤,采深采厚比值在4.0~157.7之间。当顶层煤开采后,区内西北部小面积、东部大面积发生地面塌陷外,全区大部为地面沉陷区。(2)开采上组煤层时:本井田上组煤层包括2-2上、2-2中、3-1三个可采煤层,采深采厚比值在4.0~76.8之间。当上组煤层开采后,区内除中南部发生地面沉陷外,全区大部为地面塌陷区。(3)开采中组煤层时:采深采厚比值在7.1~67.4之间。全区大部为地面塌陷区。(4)开采下组煤层时:本井田下组煤层包括5-1、6-1上、6-2中三个可采煤层,采深采厚比值在10.7~55.3之间。全区大部为地面塌陷区。(5)当煤层综合开采时:煤层厚度取大于0.8m的可采煤层厚度之和,厚度在5.08~28.68m之间,顶板埋深取中组煤层的顶板深度值。经计算,采深采厚比值在2.2~17.3之间。当区内煤层综合开采后,全区为地面塌陷区。综上所述,评估区内因井下采煤产生采空区后,会引发地面塌陷灾害,为地面塌陷型。
  4.2.2煤层采空区地面塌陷变形预测:煤层采空区发生地面塌陷变形,可能会造成房屋、道路、输电线路等到被破坏。采空区产生的导水裂隙带可能会与上覆基岩风化裂隙带贯通,导致上部含水层发生渗漏, 水源被疏干、破坏。
  (1)地表变形量预测:本次评估对整个井田开采后计算预测地表移动和变形的特征值。计算公式选择适用于本井田缓倾斜煤层充分采动时的Budryk-Knothe(布得雷克―克诺特)方法(工程地质手册784页),计算公式如下:
  η0=q0M、r = H/tanβ、i0=η0/r
  K0=±η0/r2、ξ0=bη0、ε0=±1.52i0b
  据神东大柳塔矿区监测成果,本井田为重复采动,下沉系数q0值取0.60。
  本煤矿煤层综合开采时,开采深度下组煤层在88.00~308.01m之间:东边界131.83~163.13m,西边界205.47~285.59m,南边界192.82~308.01m,北边界88.00~102.75m。
  移动角β,本煤矿为多层重复采动,故tanβ取值为2.4。水平移动系数b据大柳塔煤田资料取值0.31。
  将上述数据代入公式,求得地面影响区的半径:东边界61.45m,西边界102.30m,南边界104.3m,北边界39.74m。
  可见,井田开采对地表变形影响较大。对整个井田(平均采煤厚度)而言,其下沉值为10.44m,最大倾斜值为99.43mm/m,最大曲率值±0.9469mm/m2,最大水平移动值3.236m,最大水平变形值±46.85mm/m。对井田局部(最大煤层厚度) 而言,预测最大下沉值可达17.21m,最大倾斜值为163.90mm/m,最大曲率值±1.561mm/m2,最大水平移动值5.335m,最大水平变形值±77.23mm/m。
  由于煤矿开采引发地面塌陷沉降,预测使西南部地区最大沉降值达到17~18m,中部地区沉降值10m左右,这样会导致地表迳流微环境发生变化,局部地段汇集地表迳流形成低洼滩地。
  (2)采空区地表变形引起地面建筑物变形的预测:《岩土工程勘察规范》第5.5.5条规定,采空区宜根据开采情况、地表移动盆地特征和变形大小,划分为不宜建筑的场地和相对稳定的场地。本井田(平均采煤厚度)最大倾斜值为99.43mm/m,最大曲率值±0.9469mm/m2,大于规范规定的指标,地表沉陷变形对房屋的破坏程度是比较大的。因此,井田开采各盘区范围内不宜作为建筑场地,或者说各盘区范围内的建筑场地下面不宜开采。
  4.2.3采空区覆岩移动变形可能波及上覆含水层疏干的预测: 分布于区内各沟谷中的第四系孔隙潜水含水层富水性弱~中等,是矿区内的主要含水层,为本区农业灌溉和居民生活用水的主要来源。该含水层水位埋藏浅,主要接受大气降水补给,虽含水量较小,但水质较为理想。志丹群、侏罗系中统含水层的富水性弱,煤系地层上部隔水层的隔水性能较好。
  井田开采后,采空区围岩应力发生变化,主要是顶板陷落,产生冒落带、导水裂隙带和弯曲变形带。其中导水裂隙带有可能沟通上下含水层,引起上部含水层水位下降,甚至疏干,矿井内会出现大量涌水。本次评估计算了煤层开采时产生的最大导水裂隙带高度(或者称其为厚度)。计算公式如下:
  Hf=5.1+100M/(3.3 n+3.8)
  式中:Hf―导水裂隙带最大高度(m);
  M―累计采厚(m); n―煤分层层数。
  计算公式适用范围为煤层倾角0°-54°,岩石抗压强度20―40Mpa,顶板管理方法为全部陷落,与本井田各煤层条件基本一致。
  万利井田综采后,最大导水裂隙带高度为119.80 m,导水裂隙带高度(最大值的)平均值在53.53~118.47 m之间。考虑基岩顶部风化裂隙带厚度,据地质报告统计资料,本区煤层的风化带斜深为28m左右,垂深平均18.28m,本区域取经验值30 m,其综合裂隙带厚度(导水裂隙带与风化裂隙带厚度之和)最大为148.47 m,最小为83.53 m。井田开采煤层顶板深度取中组煤层顶板深度的平均值,煤层埋深在43.87~211.07m之间。计算结果ZK001、008、408、ZK303、ZK1507、W15、1703等7个孔处,综合裂隙带上窜的高度大于此处煤层顶板深度,会沟通顶部沟谷潜水含水层,从而破坏沟谷潜水水源地。具体地说,评估区内因地下采煤会导致北部边界处的添尔曼沟、武家沟和东南部马厂窑沟一带的沟谷含水层潜水的渗漏。其余余地区不存在沟通顶部含水层、破坏水源地的问题。
  结论
  1、评估区内现状条件下存在地面塌陷、地裂缝灾害,现状评估认为地裂缝灾害发育规模小,危害程度小,造成的损失小,危险性小。
  2、预测评估认为:工程建设可能会引发地面塌陷灾害,根据采深采厚比值具体确定为地面塌陷型。工程建设本身可能遭受的地质灾害也是地面塌陷灾害。地面塌陷灾害表现为地面塌陷型,预测发生地面塌陷将是各开采盘区的工程勘察有限责任公司, 2 0 08 .
  范围。其面积预测为83.837 km2。
  参考文献:
  [ 1 ] 杨广元, 边秀英,梁海军 等. 万利一矿技术改造项目地质灾害危险性评估报告[ R] 。 鄂尔多斯市地质[ 2 ] 内蒙古一0四地质队. 内蒙古东胜水文地质普查报告( 1 : 2 0万) [ R] , 1 9 7 8。


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