新疆烏魯木齊六道灣煤礦地面塌陷研究

摘 要：依據豐富的野外調查資料，通過綜合分析，概述了六道灣礦區地面塌陷的分布和現狀，對地面塌陷進行了預測，闡述了地面塌陷對地質環境的破壞及危害，提出了環境恢復治理措施。
關鍵詞：六道灣煤礦；地面塌陷；危害；預測；治理措施
1. 引言
烏魯木齊市六道灣煤礦塌陷區位于烏魯木齊市水磨溝區道灣鄉六道灣村至七道灣之間。塌陷區西段西起南湖路（外環路東２００米處垃圾收費站，東至原六道灣煤礦西１４０米處，南以大槽塌陷帶南側邊界為界，北到北大槽以北２２０米處，近似呈行四邊形。六道灣煤礦已有５０多年的開采歷史。由于長期開采地下煤層，在采空區及其影響范圍己形成了４４０萬平方米的大面積地面塌陷及沉降變形區，嚴重破壞了地表地質環境。塌陷區西段位于烏魯木齊市中心地帶，西面和南面緊鄰南湖路和外環路，東面臨近六道灣路，南面距烏魯木齊市政府僅有７００米。塌陷區內煤層大槽內坑呈條帶狀或串球狀遍布塌陷坑，近年來部分地方由于無序的建筑垃圾回填塌陷坑，使地表高低起伏，垃圾堆積成山；而未回填地段仍然是坑坑洼洼，地表植被嚴重破壞，區域內生于境極其惡劣。臨近塌陷區以西約1500畝區域內的礦區老居住區和周邊的墳場及各種臨時搭建的建筑物，嚴重影響了城市的市容、市貌。
2. 采空區及地面塌陷現狀和預測
2.1 采空區及地面塌陷現狀
六道灣煤礦位于烏魯木齊山前坳陷帶上。礦區地層為侏羅系含煤單斜地層，地層產狀比較穩定，六道灣井田共含煤33層，全部為急傾斜煤層。井田內可采煤層可分為上、下兩段各４煤層組。其中：下段兩個組為特厚煤層，其中第一組稱為南大槽，第二組成為北大槽。上段兩個組為薄層、中厚層和厚層煤形成的近距離煤層群。六道灣煤礦從 20世紀50年代起一直在持續地開采南大槽和北大槽的一、二組特厚層及北大槽以北的三、四組煤層群。到1995年第一開采水平（650米標高水平）以上預留的煤柱外，可喪煤層己基本全部采完。1995年以后，六道灣煤礦開始開采540-650米標高水平煤層。目前，南大槽東段己開采到630 米標高長平，開采深度達到１８０米左右；北大槽和北大槽以北的煤層群己開采到583 米標高水平，開采深度達到230 米左右。北大槽第二開采水平（即540-650米標高之間）的水平巷道已打到南湖南路東200米處的垃圾收費站下。表明在垃圾收費站以東六道灣某礦范圍內，南大槽在630-650 米標高以上煤層已經采完或基本采完，北大槽和以北的可開采煤層在583 米標高以上已經采完或基本采完。目前，該礦正在向540米標高水平繼續往深部開采。
六道灣煤礦采空區深度南大槽為60-180m,北大槽和北大槽以北的煤層群為230m 左右。采空區影響范圍（以垂直煤層走向采空區最大寬度計）南大槽為76-80m，北大槽為98-106m,北大槽以北的煤層群依次向北推移40-45m 左右。采空區影響范圍面積約225120m^２。地下煤層采空后，上覆巖層失去了支撐力或支撐力大大減少，當上覆巖層重力大于其下的支撐力時或遇到激發因素而使上覆巖層重力瞬時大于其支撐力時，就會發生地面塌陷。根據不同時段航空照片解譯結果，六道灣煤礦塌陷區在20 世紀70年代已經基本形成，到80年代末，南大槽和北大槽塌陷已形成明顯的“槽形”。塌陷坑（圖1）沿煤層走向呈串珠形或帶狀分布，塌陷嚴重地段塌陷坑已連為一體，形成塌陷槽(圖2)。南大槽塌陷帶寬度為35-45m，塌陷變形帶寬度達70-80m;北大槽塌陷帶寬度40-60m，塌陷變形帶寬度達100m以上；北大槽以北的煤層群均處于塌陷帶或塌陷變形帶之中。

2.2 采空區及地面塌陷預測
按照六道灣煤礦的開采規劃預測，到2015年第二水平開采完畢，采空區深度南北大槽及北大槽以北的煤層群將達到270-280m；采空區影響范圍南大槽將達到108-115m，北大槽將達到130m左右，北大槽以北的煤層群將達到220m；采空區總面積將達到265260m^２。
屆時，南北大槽和北大槽以北的煤層群，采空區影響范圍將連在一起或基本連在一起。第三水平和第四水平開采完畢，預測開采深度將分別達到380-390m 和510-520m；采空區影響范圍將繼續向北擴展，在北大槽和北大槽以北的煤層群下部，將會出現上下兩層空體：上層空體為本煤槽或煤層群自身的空體，下層空體為南部相鄰煤槽延伸到本煤槽或煤層群以下的深部空體。
隨著六道灣煤礦繼續不斷地向深部開采，南湖路以東的六道灣煤礦塌陷區將一直處于不穩定狀態，巖移和地面塌陷隨時都有可能發生，危害十分嚴重。據六道灣煤礦以往進行的專項監測資料分析，因采動影響引起的地面變形、裂縫、下沉等現象屬一綜合移動，巖移力量影響很大，甚至可把預留的20m寬的煤柱壓碎，最終一導致地面大幅度塌陷。塌陷變形、巖移破壞在煤層頂底板方向發展不平衡，沉陷不對稱，一般情況下，煤層開采對頂板的影響要超過對底板的影響，底板方向的移動范圍比較有限。隨著該礦陡傾斜煤層繼續向深部開采，地面塌陷的影響深度和影響范圍將不可避免地會越來越大，地面塌陷造成的危害也將會越來越大，對地面塌陷進行環境恢復治理的費用將會大大增加，并將遠遠超過煤層開采的效益。
3. 地面塌陷對地質環境的破壞及危害
六道灣煤礦塌陷區位于烏魯木齊市中心地帶，地面塌陷及沉陷變形對地質環境的破壞十分嚴重，對烏魯木齊市城市建設和發展影響極大。這在全國大城市中也是絕無僅有的。

地面塌陷對地質環境的破壞及危害主要表現在以下幾個方面：
3.1 嚴重破壞了原始地形地貌
由于六道灣煤礦幾十年來對急傾斜特厚煤層的開采，形成了大面積采空塌陷和沉陷變形區，嚴重破壞了原始地形地貌。采空區地表多被第四系黃土和松散沉積層覆蓋，由于反復采動的影響，地表形成了串球狀或條帶狀塌陷坑及塌陷槽，深度一般在30m左右，深者大于５Om。地表凹凸不平，殘破不堪，與周圍烏魯木齊市的都市景觀極不協調。礦區地下開采后形成的采空區和裂縫帶，不僅破壞了地質環境，同時也破壞了原有的水文地質條件和蓄水構造，造成十分珍貴的水資源的污染和流失。
3.2 嚴重形響了烏魯木齊市區的生態環境
地面塌陷將地表土層沉陷地下，不僅破壞了原始地形地貌，也破壞了地表植被和生態環境，造成大量的水土流失，對城市地表及人居環境造成了極為嚴重的損害。與此同時，塌陷區淺部由于采煤引發的煤層自燃和煤層自燃生成的CO, C02, CH4,等有害氣體的逸出，對城市環境和近在咫尺的居民小區造成的環境污染和危害更加嚴重，導致市區的大氣環境和生態環境十分惡劣，使烏魯木齊市成為我國大城中污染最嚴重的城市之一。
3.3 嚴重影響烏魯木齊市的城市基礎設施建設
幾十年來，六道灣煤礦體制幾經變遷，地下采煤隨意性很大，為了追求眼前的“效益”，往往是哪兒方便、好采就往哪兒采，并未嚴格按照設計執行。因此，目前形成的地下采空區神密莫測，地面建筑危害等防不勝防。地面塌陷不僅造成地表建筑物倒塌、破壞和人員傷亡，而一且導致供水管線、排水管道、地面防滅火管道、供熱管道、通訊線路、電纜、道路等斷裂或嚴重破壞，給城市居民的正常生產、生活帶來極大危害。隨著烏魯木齊市城市建設的快速發展，目前六道灣煤礦塌陷區在很大程度上己成為制約和影響城市道路、供水、供電、供熱、供氣、通訊等一系列基礎設施建設的“瓶頸”，不僅加大了建設的難度和投資，而且隨著時問的推移，這種“瓶頸效應”將日趨嚴重。
3.4 嚴重影響烏魯木齊國際大都市的形象
烏魯木齊市是新疆維否爾自治區的一首府和政治、經濟、文化中心，是我國大西北的重要門戶和向西亞及東歐開放的窗日，是亞歐大陸橋的“橋頭堡”，在西一部大開發和城市化進程中將建成我國西部的國際性大都市和一商貿中心。顯然，六道灣煤礦塌陷區這塊貼在烏魯木齊市中心的大“傷疤”，已嚴重影響了烏魯木齊作為國際商貿大都市的光輝形象。
由此看來，對六道灣煤礦塌陷區進行環境恢復治理，不僅是迫在眉睫，而且應當被作為烏魯木市的形象工程，并使之成為自治區再造山川秀美的示范工程。
4. 環境恢復治理措施（1）首先應采用物探等適宜手段對該地段進行采空區勘察和地質災害危險性評估工作，通過勘察和一評估工作，摸清地下采空區分布情況和地面塌陷狀況以及采空塌陷區回填和充填程度，以便有針對性地采取更加切合實際的環境恢復和治理措施。
（2）在采空區勘察和地質災害危險性評估的基礎上分別不同區段，采取不同的環境恢復治理措施。對南北大槽采空區影響范圍及經過回填和平整治理的塌陷帶，可在其上種草，恢復地表植被；對南北大槽之間（寬度約4Om 左右）和北大槽與以北煤層群之間（寬度約100-120m）暫時一相對穩定的區域，可采取植樹造林措施，構筑綠化帶。綠化帶建成后，既可美化環境，又可起到防風沙作用，其根系對地表以下土層還可起到固結作用，增加其穩定性。
（3）在采空區影響范圍和回填塌陷區構建綠化帶或作為綠化建設用地進行環境恢復治理時，采用滴灌或噴灌形式進行澆灌，嚴禁采用大水漫灌和畦灌，避免由灌溉誘發和加劇地面塌陷災害的發生。
（4）進行環境恢復治理時，必須根據勘察和評價結果準確進行定位，可用全站儀或水準儀對南北大槽及其采空區影響范圍進行測量定位，以便準確劃定植樹造林帶和種草綠化帶的確切位置。
（5）在該地段范圍內嚴禁進行地表建（構）筑物的建設，對構建綠化帶的輸水管網設施，應沿煤槽采倉間預留的煤柱位置和南北大槽之間以及北大槽與以北煤層群之間相對穩定地帶鋪設。可選擇抗變形能力強的輸水管材和結構形式，并采用柔性接口，預留足夠的變形長度，防止或減輕不均勻沉陷對其造成大的破壞。
（6）對區內可能出現的地裂縫和地面變形、塌陷等，應及時設置監測點進行監測，觀察和監測地裂縫和地面變形的發展變化情況（雨季應加密觀測次數），如發現地裂縫和地面變形有明顯擴大或加速變形趨勢，應及時一采取避讓措施，防止不必要的災害發生。
（7）在該地段進行植樹、種草構建綠化帶后，在其四周應設置鐵絲網圍欄和警示標志，防止游人入內，避免突發地面塌陷時一造成不必要的危害。