断裂（带）对采空塌陷及地裂缝地质灾害的影响——以山东新泰市河山子村为例

常允新，王振涛，冯在敏

（山东省地质环境监测总站，山东济南 2 50014）

0 引言

在矿山开采过程中，断层可引起底板突水、断层突水甚至微地震［1-2］，已得到充分重视并有较多研究。但有关断层引发和加剧地裂缝地质灾害方面的研究尚不多见。本文以新泰市河山子村地裂缝为例，指出断层可使采空塌陷、地裂缝地质灾害的影响范围较传统预测结果大为增加，期望通过本文的探讨，能够进一步丰富采空地面塌陷、地裂缝地质灾害防治的理论研究。

1 地质背景

河山子村地势东北高，西南低，迈莱河位于村庄西北沿地势由东北向西南径流。莲花山断层由村庄东部呈北西—南东向穿过，该断层属区域控制性断裂，控制了新泰盆地的北部边界，走向NW-SE，倾向SW，倾角60°～70°，为一正断层，断距大于 2000m。断层东侧（下盘）为泰山群变质岩，西侧（上盘）分布古近纪石灰质角砾岩，下覆石炭系山西组煤系地层。村庄中部及以西被第四系覆盖，由西向东逐步变厚，一般2～10m。某煤矿位于村庄西部，矿区东边界于村庄西部贯穿南北，距离东侧的莲花山断层340m（图1）。

2 工程活动

2.1 矿山开发活动

煤矿主要开采二煤和四煤。二煤已形成采空区面积 0.193km2，其中 2000年以前的采空区0.049km2；四煤采空区面积0.185km2，其中2000年以前的采空区0.088km2，除此以外村庄附近没有其他采空区。

图1 矿山地质环境及地质剖面示意图Fig.1 Mine geological environment and geological section map

2.2 地下水开采

该地段第四系松散岩类孔隙水富水性500m3/d，水位埋深4m左右，开采量很小。古近纪朱家沟组裂隙岩溶水富水性1000～2000m3/d，水位埋深6～7m，开采井动水位9～11m，是当地居民生产、生活用水来源。

矿山企业于1993年4月开始在迈莱河东侧开采古近纪朱家沟组裂隙岩溶水，四个开采井总开采量为5000m3/d。2002年保留一眼供水水井，其余封闭，开采井井深约200m，供水量150m3/d。在迈莱河西侧有镇供水站水井一眼，井深107m，2005年开始开采古近纪朱家沟组裂隙岩溶水，供水量约900 m3/d。

3 房屋（地）裂缝地质灾害特征

自2000年开始，河山子村开始产生地裂缝和房屋裂缝，逐年加重，延续至今，共有17户居民房屋发生裂缝，裂缝点呈东南-西北方向沿莲花山断层带展布，断层带中心较两侧更为严重，南部较北部更为严重，均表现出南盘下降且向南西拉张位移的特征，下降位移量约20～50mm，向南西拉张位移约20mm，最大裂缝宽度70mm。而莲花山断层以西至矿区之间房屋开裂和地面裂缝不严重，房屋斑裂现象不明显。断层北部房屋未见斑裂现象。

4 房屋（地）裂缝成因分析

结合河山子村地质环境条件和工程活动特点，引起地裂缝的原因有3种可能，一是区域性构造活动，即莲花山断层复活；二是地下水开采造成岩溶塌陷；三是采空塌陷伴生地裂缝，各种原因分析如下。

4.1 区域构造活动

除河山子村以外，该断层分别从王家寨、上石灰峪等村庄居民区穿过，未见活动迹象，没有地裂缝或房屋裂缝发生，可排除区域构造活动引发地裂缝的可能性。

4.2 地下水开采

从地裂缝持续发展的过程分析，2002年矿山企业水源井关闭前，断裂带内发现房屋裂缝宽度2mm，2002年水源井关闭，之后房屋裂缝持续发展，至现状最宽已达70mm，2005年的新建房屋也逐渐发生裂缝，宽度30～40mm。在地下水开采量调整过程中，房屋裂缝一直处于发展、加剧过程。房屋裂缝地段基岩大部裸露，槽探资料排除岩溶塌陷的可能。

4.3 采空塌陷

4.3.1 房屋裂缝与煤矿开采的时间、空间关系

矿区北部的Ⅰ号采空区形成于1998～2000年，南部的Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ号采空区形成于2000～2007年。而断层带房屋裂缝发现于2000年，之后逐年加重，且南部的房屋裂缝较北部严重，两者在空间、时间分布上具有明显的对应性。

已开采的4层煤埋深550m，该地区岩性为煤系地层砂岩、泥岩和古近纪石灰质角砾岩，按经验值，沉陷盆地影响角一般为65°［3］，采空塌陷（沉陷盆地）影响范围（半径）为257m（图1）。现断裂带及裂缝房屋点处于沉陷盆地传统理论预测影响范围之外243m。

4.3.2 影响程度分析

地下煤层被采出形成采空区以后，上覆岩层中的应力平衡状态被破坏，随着采空区的扩大，岩层应力不断改变，上覆岩层在重力作用下产生裂隙、变形、下沉和塌陷，变形特征取决于地质构造条件、煤层埋深、厚度、产状、上覆地层岩性及组合等。在整体沉降时，盆地外围及边缘受拉伸，在岩性相对均质的条件下，越接近盆地边缘，所受拉伸越小［4］。岩层节理裂隙发育，会促进变形加快，增大变形范围，扩大地表裂缝区，断层会破坏地表移动的正常规律，改变移动盆地的大小和位置［5］，有研究表明，断层带的抗剪切强度只有周围完整岩层的30％［6］。根据以上分析，由于莲花山断层为张性断层，加之支断层、裂隙的存在，破坏了上覆地层的完整性和抗拉强度，在拉应力作用下，更容易使其结构遭到破坏，因此，断层带上的地表变形更加剧烈，采空塌陷范围及地裂缝的实际范围远大于传统理论计算预测范围。就本区而言，实际变形、裂缝的影响范围比传统理论计算范围扩大了243m，相当于采空地面变形影响角减小为48°。

5 结语

矿山采空塌陷和地裂缝，是主要的矿山地质灾害，对其预测的结果直接关系到矿山自身的生产安全、周边居民的生产、生活安全稳定和可持续发展。矿区周边断层（带）的存在，将会严重影响采空塌陷的范围和特征，可能颠覆概率积分法等传统预测理论的可靠性。这种规律应该在同类地区地质灾害防治工作中引起重视。

［1］卜万奎，徐慧.某矿区带压开采逆断层活化级突水性分析［J］.煤炭学报，2011，36（7）：1177-1183.BU Wankui，XU Hui.In some mining area mining with pressure reverse fault activation level of Water Bursting Analysis［J］.Journal of China Coal Society，2011，36（7）：1177-1183.

［2］郭晓强，窦林明，陆菜平，等.采动诱发断层活化的微震活动规律研究［J］.煤炭安全，2011，42（1）：26-29.GUO Xiaoqiang，DOU Linming，LU Caiping，et al.Mining induced microseismic activity of fault activation［J］.Safety in Coal Mines，2011，42（1）：26-29.

［3］国家煤炭工业局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程［M］.北京：煤炭工业出版社，2000：259-280.State Bureau of coal industry.Buildings，water bodies，the railroad and the main roadway of coal pillars and mining rules［M］.Beijing：Coal Industry Press，2000：259-280.

［4］方宝明，常允新.西港煤矿采区地面变形分析［J］.水文地质工程地质，2006，33（4）：13-15.FANG Baoming，CHANG Yunxin.Xigang coal mining ground surface deformation analysis［J］.Hydrogeology and Engineering Geology，2006，33（4）：13-15.

［5］张苏民，杨耀坤.工程地质手册［M］.北京：中国建筑工业出版社，1982：781.ZHANG Sumin，YANG Yaokun.Manual of engineering geology［M］.Beijing：China Building Industry Press，1982：781.

［6］卜万奎，茅献彪.断层倾角对断层活化及底板突水影响的研究［J］.岩石力学与工程学报，2009，28（2）：386-394.BU Wankui，MAO Xianbiao.Fault dip on Fauinfluence research［J］.Chinese Journal of rock mechanics and Engineering，2009，28（2）：386-394.