唐山市马家沟矿开采沉陷损坏特征研究

马丙太 王 颖 周锦华 庞国兴 王乐杰

（1.河北省地质环境监测院，河北 石家庄 050000；2.大地工程开发（集团）有限公司，北京 100102）

因矿山资源位置的不可选择性、资源赋存独特性以及开采技术条件的限制性，采矿活动不可避免对地面建（构）筑物产生损坏，易打破原有的景观生态系统平衡，使得矿区环境不断恶化。由于资源赋存特点不同，采矿活动对地面的破坏特点也不尽相同，因此深入分析矿山开采沉陷变形损坏特征，是进行矿区生态环境修复与治理的前提与基础。

唐山马家沟矿位于唐山市城郊、开平城区西部，始建于1908年，2016年因政策性去产能关闭，开矿至闭坑时间跨度达108 a，长期的地下开采活动导致地面建（构）筑物、农田、交通等基础设施受损严重，成为垃圾堆放场，生态环境日趋恶化。如何治理修复和开发利用好闭坑后的马家沟矿采煤塌陷地，已成为改善唐山市生态环境，促进城市建设发展，提升居民幸福指数亟待解决的难题。该类问题在我国60余座资源枯竭型城市（如平顶山、抚顺、鹤岗等）也普遍存在。本研究以唐山市马家沟矿为例，结合该矿历史开采资料、开采塌陷历史观测数据、塌陷裂缝测量、调查及物探等资料，分析其开采塌陷损坏特征，为矿区塌陷废弃地的开发和利用提供科学依据。

1 矿区概况

马家沟矿位于河北省唐山市东北9 km处，行政区划属唐山市开平区管辖，井田走向长8.99 km，矿区面积为25.316 2 km2。该矿所处地貌单元为山前倾斜平原冲洪积扇中部，中间部分区域位于低山丘陵剥蚀残丘，地势起伏较大，地面标高+8～+44 m，地貌类型较复杂。

1.1 煤层赋存特征

开平煤田除了煤为主要矿产以外，沉积有若干层有工业利用价值的耐火黏土，马家沟矿区有陆相沉积铝土矿4层。马家沟矿井田位于开平向斜西北翼中部，开平煤田地层属华北型沉积。煤田古生代地层广泛分布，石炭—二叠系为含煤地层，含煤20余层，总厚度达540 m，含煤总厚24 m，含煤系数4.72%，主要可采煤层集中在含煤地层中部。含煤地层各统、组间连续沉积。

该矿工业广场将井田分为东西两翼，井田东部实际可采煤层两层，分别为9-2煤和12-1煤。井田西翼在8水平以上，实际进行过开采活动的煤层有8、9-1、11、9-2和12-1煤，8、9、10水平仅将9-2煤及12-1煤，11煤与12-1煤的合区部分采出。主要煤层开采厚度见表1。

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区内矾土矿赋存特征为：①G层铝土矿位于奥陶系灰岩之上，厚度为1～3 m，可作为制耐火砖原料，该矿层较薄，且不稳定，在此区域内无开采价值；②A层铝土矿位于二叠系下统顶部，厚约10 m，质量相对较高，前期在浅部曾大量开采，用作耐火砖烧制原料和化工原料。

1.2 地质构造特征

马家沟井田古生代煤系为半暴露式，其煤层与基岩露头在井田西北部边界出露地表，在露头东南大部地区被0～32 m（一般为10～30 m）厚的第四纪冲积层覆盖，与基岩呈不整合接触。根据对井田地质构造性质和成因的分析，以块段内构造的成因相同、含煤地层的含煤系数相近为原则，将井田分为西区、中区和东区3个构造块段，各构造块段内第四系厚度、地层走向和岩层倾角见表2。

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1.3 矿区历史采矿情况

马家沟矿区除了马家沟煤矿开采活动外，历史上还有多个地方煤矿、子母阶矿以及矾土矿开采活动。

1.3.1 马家沟煤矿

马家沟煤矿开拓方式采用立井，分水平、分石门的开拓方式，采用落垛、伪倾斜和走向长壁采煤法，全部陷落法管理顶板。矿区主要开采9-2煤层和12-1煤层，开采上限标高-10 m，开采下限最大标高-900 m，开采水平分为10个水平，各水平标高见表3。

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1.3.2 周边小煤矿

马家沟矿区范围内历史上存在地方煤矿、开采矾土及子母阶矿百余座，地方煤矿主要开采马家沟矿区-260 m水平以浅的资源，基本在2008年全部停产关闭，马家沟矿与地方矿井的相对位置关系如图1所示。

1.3.3 矿区四号矾土井开采史

矿区1958年开始建井，1968年改扩建为生产硬质耐火黏土的矿井，1970年正式投产，2007年关闭，开采深度为30～-390 m，采用立井（暗立井）多水平开拓方式，采矿方法为中深孔留矿法，顶板大巷集中运输。矿区主要开采A层耐火黏土矿床，厚度为4～10 m，井田范围如图1所示。

2 开采沉陷损坏特征

急倾斜煤层开采其地表损坏特征主要表现为：下山方向地表显现为台阶裂缝的非连续变形［1-2］和露头处地表出现抽冒塌陷抗［3］，另外废弃竖井井筒未进行严格回填处理后，也易在地表发生抽冒塌陷坑现象。

2.1 地表显现为台阶裂缝的非连续变形特征

2.1.1 裂缝调查与勘测

通过现场调查实测资料分析，马家沟矿西区急倾煤层开采时，在原半壁店钢铁公司附近地面出现8条地面台阶非连续变形集中裂缝带［4］，开采与裂缝相对位置关如图2所示。

图2中裂缝1～3发生在1996以前，与工作面距离634 m，井下开采深度为637 m，裂缝形态为正台阶，最大缝宽400 mm，最大落差600～800 mm。裂缝4～6发生时间在1996以前，与工作面距离1 088 m，井下开采深度637 m，裂缝形态为倒台阶，最大缝宽400 mm，最大落差150 mm。裂缝7发生时间在1998年，与工作面距离1 177 m，井下开采深度713 m，裂缝形态为倒台阶，最大缝宽90 mm，最大落差110 mm。裂缝8落差约0.8m，实测裂缝长度约420 m，与工作面距离765 m，井下开采深度711 m（图3）。

根据地裂缝与开采工作面的相对位置关系以及开采深度等要素，通过计算与分析可知，马家沟矿急倾斜煤层开采在下山方向地表形成裂缝的最外裂缝角为30°～45°［2］，在地裂缝处出现落差0.1～0.8 m、宽0.09～0.40 m的台阶状非连续变形，随着采深不断加大，裂缝仍向外延展。现场调查发现，处于裂缝处的建（构）筑物破坏严重，位于裂缝以外的建（构）筑物破坏较轻，说明开采沉陷在裂缝处发生了集中变形［5-6］。

2.1.2 采动地裂缝现状地球物理探测

开采过程中产生的地面裂缝对农田、建（构）物以及基础设施等破坏严重，开采结束若干年后采动地裂缝是否仍存在，对今后地面建设是否仍产生影响，亟需深入分析。为详细查明采动地裂缝是否已闭合密实，为今后矿区开发建设提供科学依据，本研究采用地震映像、浅层地震、高密度电法和瞬态面波4种地球物理勘探手段进行了探测，勘探工作布置见图4和表4。

通过对不同物探资料进行解译，发现采动地裂缝1～7区域地震映像法、瞬态面波法解译反映该区域波组可连续追踪，无反射波异常特征；高密度电法电性特征也未发现异常，表明因采动产生的地裂缝，在开采结束10 a后已闭合密实，对今后采空区的利用影响小（图5）。地裂缝8区域通过浅层地震反射法和高密度电法探测均存在异常反应，现场调查发现该地表裂缝仍然存在，该区域在进行采空区场地利用时应加以重视，建设建（构）筑物时应采取避让措施。

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2.2 抽冒塌陷破坏

急倾斜层开采使得在地表或者急倾斜煤层露头及露头两侧50 m地表易断断续续地出现大大小小的漏斗状圆形或椭圆形塌陷坑，一般称为塌陷漏斗或抽冒塌陷坑［7-8］。抽冒塌陷体位于所采煤层或矾土矿的露头正上方或稍向顶板方向偏移。偏离煤层或矾土露头的距离与煤层倾角、顶底板岩性及基岩表面因风化作用而破碎的深度不同有关［9-11］。

通过对马家沟矿和地方煤矿急倾斜煤层开采形成抽冒塌陷的位置、时间及分布情况的综合分析，发现该区域塌陷漏斗均位于开采煤层采深小于160 m的煤层露头一侧，不仅在开采过程中易出现抽冒塌陷，而且停采若干年后，再次发现抽冒塌陷现象，其原因可能是由于地下水的潜蚀等外力作用，导致采空区活化。这一破坏特征一般无征兆，时间和发生地点难以通过计算分析确定［12-15］。马家沟矿区开采过程中形成的抽冒塌陷坑如图6和图7（a）所示。

2.3 地面抽冒塌陷

马家沟矿区范围内存在上百座地方煤矿和矾土矿废弃竖井，根据本研究调查分析，竖井虽然已经回填多年，但是仍发生个别井筒地面抽冒塌陷事故。分析其原因为：部分竖井进行了全井筒回填，部分采用中间设置挡板对20～50 m上部井筒段进行回填，其深部未进行回填，但均因回填不密实，存在竖井与井下采空区的导水通道，在地表水及地下水的长期潜蚀作用下，易造成竖井地面抽冒塌陷，如图7（b）所示。

3 结论

（1）唐山市马家沟矿急倾斜煤层开采使得在下山方向地表出现了台阶状裂缝的非连续集中变形现象，裂缝角为30°～45°，处于裂缝处的建（构）筑物破坏严重，裂缝区以外的建（构）筑物破坏轻微。

（2）通过地震映像法、浅层地震反射法、高密度电法和瞬态面波法4种地球物理勘探手段对采动地裂缝区域进行勘测发现，因采动引起的地裂缝大部分基本密实闭合，对采空区场地利用影响小，但个别地裂缝仍存在，需加以重视。

（3）急倾斜煤层与矾土矿在采深160 m以浅的露头一侧，在开采过程中地面出现多处突然性抽冒塌陷坑，且在该区域停采数年后，依然出现零星的抽冒塌陷，这对该区域的土地整治及利用极为不利，应在整治过程中引起重视。

（4）马家沟矿区内存在上百个已回填的小煤矿及矾土矿废弃竖井，个别已回填竖井地面出现突然抽冒破坏。因此在开发利用竖井区域时，应严格做好竖井勘查工作，根据勘查结果采取必要的防治措施，确保地面建设安全。