乌鲁木齐六道湾煤矿地面塌陷研究

新疆乌鲁木齐六道湾煤矿地面塌陷研究

摘 要：依据丰富的野外调查资料，通过综合分析，概述了六道湾矿区地面塌陷的分布和现状，对地面塌陷进行了预测，阐述了地面塌陷对地质环境的破坏及危害，提出了环境恢复治理措施。
关键词：六道湾煤矿；地面塌陷；危害；预测；治理措施
1. 引言
乌鲁木齐市六道湾煤矿塌陷区位于乌鲁木齐市水磨沟区道湾乡六道湾村至七道湾之间。塌陷区西段西起南湖路（外环路东２００米处垃圾收费站，东至原六道湾煤矿西１４０米处，南以大槽塌陷带南侧边界为界，北到北大槽以北２２０米处，近似呈行四边形。六道湾煤矿已有５０多年的开采历史。由于长期开采地下煤层，在采空区及其影响范围己形成了４４０万平方米的大面积地面塌陷及沉降变形区，严重破坏了地表地质环境。塌陷区西段位于乌鲁木齐市中心地带，西面和南面紧邻南湖路和外环路，东面临近六道湾路，南面距乌鲁木齐市政府仅有７００米。塌陷区内煤层大槽内坑呈条带状或串球状遍布塌陷坑，近年来部分地方由于无序的建筑垃圾回填塌陷坑，使地表高低起伏，垃圾堆积成山；而未回填地段仍然是坑坑洼洼，地表植被严重破坏，区域内生于境极其恶劣。临近塌陷区以西约1500亩区域内的矿区老居住区和周边的坟场及各种临时搭建的建筑物，严重影响了城市的市容、市貌。
2. 采空区及地面塌陷现状和预测
2.1 采空区及地面塌陷现状
六道湾煤矿位于乌鲁木齐山前坳陷带上。矿区地层为侏罗系含煤单斜地层，地层产状比较稳定，六道湾井田共含煤33层，全部为急倾斜煤层。井田内可采煤层可分为上、下两段各４煤层组。其中：下段两个组为特厚煤层，其中第一组称为南大槽，第二组成为北大槽。上段两个组为薄层、中厚层和厚层煤形成的近距离煤层群。六道湾煤矿从 20世纪50年代起一直在持续地开采南大槽和北大槽的一、二组特厚层及北大槽以北的三、四组煤层群。到1995年第一开采水平（650米标高水平）以上预留的煤柱外，可丧煤层己基本全部采完。1995年以后，六道湾煤矿开始开采540-650米标高水平煤层。目前，南大槽东段己开采到630 米标高长平，开采深度达到１８０米左右；北大槽和北大槽以北的煤层群己开采到583 米标高水平，开采深度达到230 米左右。北大槽第二开采水平（即540-650米标高之间）的水平巷道已打到南湖南路东200米处的垃圾收费站下。表明在垃圾收费站以东六道湾某矿范围内，南大槽在630-650 米标高以上煤层已经采完或基本采完，北大槽和以北的可开采煤层在583 米标高以上已经采完或基本采完。目前，该矿正在向540米标高水平继续往深部开采。
六道湾煤矿采空区深度南大槽为60-180m,北大槽和北大槽以北的煤层群为230m 左右。采空区影响范围（以垂直煤层走向采空区最大宽度计）南大槽为76-80m，北大槽为98-106m,北大槽以北的煤层群依次向北推移40-45m 左右。采空区影响范围面积约225120m^２。地下煤层采空后，上覆岩层失去了支撑力或支撑力大大减少，当上覆岩层重力大于其下的支撑力时或遇到激发因素而使上覆岩层重力瞬时大于其支撑力时，就会发生地面塌陷。根据不同时段航空照片解译结果，六道湾煤矿塌陷区在20 世纪70年代已经基本形成，到80年代末，南大槽和北大槽塌陷已形成明显的“槽形”。塌陷坑（图1）沿煤层走向呈串珠形或带状分布，塌陷严重地段塌陷坑已连为一体，形成塌陷槽(图2)。南大槽塌陷带宽度为35-45m，塌陷变形带宽度达70-80m;北大槽塌陷带宽度40-60m，塌陷变形带宽度达100m以上；北大槽以北的煤层群均处于塌陷带或塌陷变形带之中。

2.2 采空区及地面塌陷预测
按照六道湾煤矿的开采规划预测，到2015年第二水平开采完毕，采空区深度南北大槽及北大槽以北的煤层群将达到270-280m；采空区影响范围南大槽将达到108-115m，北大槽将达到130m左右，北大槽以北的煤层群将达到220m；采空区总面积将达到265260m^２。
届时，南北大槽和北大槽以北的煤层群，采空区影响范围将连在一起或基本连在一起。第三水平和第四水平开采完毕，预测开采深度将分别达到380-390m 和510-520m；采空区影响范围将继续向北扩展，在北大槽和北大槽以北的煤层群下部，将会出现上下两层空体：上层空体为本煤槽或煤层群自身的空体，下层空体为南部相邻煤槽延伸到本煤槽或煤层群以下的深部空体。
随着六道湾煤矿继续不断地向深部开采，南湖路以东的六道湾煤矿塌陷区将一直处于不稳定状态，岩移和地面塌陷随时都有可能发生，危害十分严重。据六道湾煤矿以往进行的专项监测资料分析，因采动影响引起的地面变形、裂缝、下沉等现象属一综合移动，岩移力量影响很大，甚至可把预留的20m宽的煤柱压碎，最终一导致地面大幅度塌陷。塌陷变形、岩移破坏在煤层顶底板方向发展不平衡，沉陷不对称，一般情况下，煤层开采对顶板的影响要超过对底板的影响，底板方向的移动范围比较有限。随着该矿陡倾斜煤层继续向深部开采，地面塌陷的影响深度和影响范围将不可避免地会越来越大，地面塌陷造成的危害也将会越来越大，对地面塌陷进行环境恢复治理的费用将会大大增加，并将远远超过煤层开采的效益。
3. 地面塌陷对地质环境的破坏及危害
六道湾煤矿塌陷区位于乌鲁木齐市中心地带，地面塌陷及沉陷变形对地质环境的破坏十分严重，对乌鲁木齐市城市建设和发展影响极大。这在全国大城市中也是绝无仅有的。

地面塌陷对地质环境的破坏及危害主要表现在以下几个方面：
3.1 严重破坏了原始地形地貌
由于六道湾煤矿几十年来对急倾斜特厚煤层的开采，形成了大面积采空塌陷和沉陷变形区，严重破坏了原始地形地貌。采空区地表多被第四系黄土和松散沉积层覆盖，由于反复采动的影响，地表形成了串球状或条带状塌陷坑及塌陷槽，深度一般在30m左右，深者大于５Om。地表凹凸不平，残破不堪，与周围乌鲁木齐市的都市景观极不协调。矿区地下开采后形成的采空区和裂缝带，不仅破坏了地质环境，同时也破坏了原有的水文地质条件和蓄水构造，造成十分珍贵的水资源的污染和流失。
3.2 严重形响了乌鲁木齐市区的生态环境
地面塌陷将地表土层沉陷地下，不仅破坏了原始地形地貌，也破坏了地表植被和生态环境，造成大量的水土流失，对城市地表及人居环境造成了极为严重的损害。与此同时，塌陷区浅部由于采煤引发的煤层自燃和煤层自燃生成的CO, C02, CH4,等有害气体的逸出，对城市环境和近在咫尺的居民小区造成的环境污染和危害更加严重，导致市区的大气环境和生态环境十分恶劣，使乌鲁木齐市成为我国大城中污染最严重的城市之一。
3.3 严重影响乌鲁木齐市的城市基础设施建设
几十年来，六道湾煤矿体制几经变迁，地下采煤随意性很大，为了追求眼前的“效益”，往往是哪儿方便、好采就往哪儿采，并未严格按照设计执行。因此，目前形成的地下采空区神密莫测，地面建筑危害等防不胜防。地面塌陷不仅造成地表建筑物倒塌、破坏和人员伤亡，而一且导致供水管线、排水管道、地面防灭火管道、供热管道、通讯线路、电缆、道路等断裂或严重破坏，给城市居民的正常生产、生活带来极大危害。随着乌鲁木齐市城市建设的快速发展，目前六道湾煤矿塌陷区在很大程度上己成为制约和影响城市道路、供水、供电、供热、供气、通讯等一系列基础设施建设的“瓶颈”，不仅加大了建设的难度和投资，而且随着时问的推移，这种“瓶颈效应”将日趋严重。
3.4 严重影响乌鲁木齐国际大都市的形象
乌鲁木齐市是新疆维否尔自治区的一首府和政治、经济、文化中心，是我国大西北的重要门户和向西亚及东欧开放的窗日，是亚欧大陆桥的“桥头堡”，在西一部大开发和城市化进程中将建成我国西部的国际性大都市和一商贸中心。显然，六道湾煤矿塌陷区这块贴在乌鲁木齐市中心的大“伤疤”，已严重影响了乌鲁木齐作为国际商贸大都市的光辉形象。
由此看来，对六道湾煤矿塌陷区进行环境恢复治理，不仅是迫在眉睫，而且应当被作为乌鲁木市的形象工程，并使之成为自治区再造山川秀美的示范工程。
4. 环境恢复治理措施（1）首先应采用物探等适宜手段对该地段进行采空区勘察和地质灾害危险性评估工作，通过勘察和一评估工作，摸清地下采空区分布情况和地面塌陷状况以及采空塌陷区回填和充填程度，以便有针对性地采取更加切合实际的环境恢复和治理措施。
（2）在采空区勘察和地质灾害危险性评估的基础上分别不同区段，采取不同的环境恢复治理措施。对南北大槽采空区影响范围及经过回填和平整治理的塌陷带，可在其上种草，恢复地表植被；对南北大槽之间（宽度约4Om 左右）和北大槽与以北煤层群之间（宽度约100-120m）暂时一相对稳定的区域，可采取植树造林措施，构筑绿化带。绿化带建成后，既可美化环境，又可起到防风沙作用，其根系对地表以下土层还可起到固结作用，增加其稳定性。
（3）在采空区影响范围和回填塌陷区构建绿化带或作为绿化建设用地进行环境恢复治理时，采用滴灌或喷灌形式进行浇灌，严禁采用大水漫灌和畦灌，避免由灌溉诱发和加剧地面塌陷灾害的发生。
（4）进行环境恢复治理时，必须根据勘察和评价结果准确进行定位，可用全站仪或水准仪对南北大槽及其采空区影响范围进行测量定位，以便准确划定植树造林带和种草绿化带的确切位置。
（5）在该地段范围内严禁进行地表建（构）筑物的建设，对构建绿化带的输水管网设施，应沿煤槽采仓间预留的煤柱位置和南北大槽之间以及北大槽与以北煤层群之间相对稳定地带铺设。可选择抗变形能力强的输水管材和结构形式，并采用柔性接口，预留足够的变形长度，防止或减轻不均匀沉陷对其造成大的破坏。
（6）对区内可能出现的地裂缝和地面变形、塌陷等，应及时设置监测点进行监测，观察和监测地裂缝和地面变形的发展变化情况（雨季应加密观测次数），如发现地裂缝和地面变形有明显扩大或加速变形趋势，应及时一采取避让措施，防止不必要的灾害发生。
（7）在该地段进行植树、种草构建绿化带后，在其四周应设置铁丝网围栏和警示标志，防止游人入内，避免突发地面塌陷时一造成不必要的危害。