论文部分内容阅读
摘 要根据现场调查、勘查成果，在煤田地质环境条件分析的基础上，简述了老市政府-榆林桥南-天湖桥南地区地表变形的分布特征及发育特点，受采煤活动引发的断层活化效应作用，榆林桥南地区地表变形最为强烈，伴随地面沉陷发育有四条地裂缝，其次为老市政府地区发，有一条地裂缝，而天湖桥南地区未见采煤活动引发的变性破坏。在此基础上划分出硬岩区倾倒拉张破坏型、软岩区地表移动沉陷破坏型、浅层地表塌陷破坏型三种成因机制。
关键词地表变形；地面沉陷；地裂；成因机制
中图分类号P3 文献标识码A文章编号1673-9671-(2011)111-0091-01
抚顺市是个因煤而兴建的城市，“煤在城下，城在媒上”。同时抚顺城区坐落在浑河断裂带之上，位于不同地质体相互交错的构造薄弱部位，地质构造条件复杂。由于受采煤活动的影响，地表变形较为发育，主要表现为地面沉陷和地裂缝。
1地质环境条件
抚顺市位于浑河河谷平原上，东西长约30 km，南北宽6 km-8 km，平均海拔65 m-99 m，地势东高西低，东部为山地丘陵区，西部融入辽河平原。抚顺市区出露的地层由老至新有太古界花岗质片麻岩；中生界白垩系小岭组安山岩、凝灰岩及含砾砂岩；新生界古近系及第四系。
浑河断裂是形成于太古代的NEE向区域性壳层断裂，中生代燕山运动，浑河断裂活动由挤压转为拉伸，在断裂带内和断裂带南侧形成了多个不连续的地堑或半地堑式盆地，堆积了小岭组火山-火山碎屑岩系。
地表变形是受采煤活动和含煤构造等因素综合作用。据野外调查统计，截止2008年底，在老市政府-榆林桥南-天湖桥南地区已发现64处变形破坏点，其中老市政府地区内分布有4处，占总数的6.25%；榆林桥南地区内分布60处，占总数的93.75%；天湖桥南地区除有地基不均匀变形或建筑物本身的结构引起的变形破坏外，没有发现与采煤活动有关引起的变形破坏点。
2地表变形成因机制分析
浑河断裂整体是稳定的，但由于煤田开采而诱发了浑河断裂抚顺段的局部活动，断裂的这种活化效应是导致抚顺城区地表变形的主要因素。抚顺城区地质结构特殊，岩体结构和岩石力学性质差异很大。老市政府地区、榆林桥南地区F1A断层以北为花岗片麻岩硬岩区，F1A断层以南为白垩系砂砾岩和古近系煤系地层、绿色页岩、泥岩等软岩区。硬岩区与软岩区的变形破坏模式明显不同，硬岩区以倾倒拉张破坏类型为主；软岩区以移动盆地“地表沉陷”变形破坏型为主。
2.1硬岩区倾倒拉张破坏型
花岗片麻岩硬岩区变形破坏的主要表现形式有以下两种。
1）骑跨断层的建筑物呈线状破坏。
2）横跨断层两侧呈南高北低的“反跌坎”态势，即断层北侧的沉降量高于南侧的沉降量，形成较明显的沉降差。
这些断层将硬岩区岩体在空间上切割成近平行的岩体条块，在平面上呈长条带状展布；硬岩区新鲜花岗片麻岩强度高，抗压强度60 MPa以上，抗拉能力较强，抗拉强度大于3 MPa，岩体本身一般不易被拉开破坏，而断层是在地壳运动过程中地质体内产生的软弱结构面，也是岩块与岩块之间的地质分界线。在煤田采矿活动影响范围内，断层带是岩块或地质体位移变形中的间断点或突变点，能够造成断层带附近岩石产生剧烈变形，引发地面沉陷或形成地裂缝。
平行岩体的倾倒拉张形式的运动是硬岩区发生变形破坏的主要模式。老虎台煤矿正在进行大规模的综放开采，采出空间周边岩体应力失衡，在重力的作用下，岩块体将发生指向采空区的的运动。
按照上述岩块体运动理论，地表除断层线两侧有差异沉降外，还应有小范围的整体沉降，并且总体表现为南低北高，符合采煤沉陷的大
趋势。
2.2软岩区地表移动沉陷破坏型
F1A断层以南为软岩区，变形破坏形式以大面积地表移动沉陷为主。据2004年监测数据显示，老虎台矿沉陷区最大垂直沉陷量达16.4 m。
软岩区岩性以页岩、泥岩、煤为主，夹砂砾岩，岩体本身强度低，饱和抗压强度小于5 MPa，抗拉能力更差，小于0.2 MPa，煤系地层倾角较缓，煤层被采掘后，随着地下开采工作面逐步向前推进，煤层顶板临空面积不断扩大，相当于上覆岩层重量随之不断增加。而当煤层顶板岩体拉伸应力达到或超过岩体力学抗拉极限时，采空区煤层顶板岩层便会发生垂向或侧向拉伸位移变形。这种拉伸位移变形一般以横梁或悬臂梁形式沿岩层层面法线方向向下弯曲，并沿层面产生断裂、离层空间和层间裂隙，同时导致地层破碎和冒顶塌落现象。上覆岩层变形破坏逐步向地表发展，当开采范围足够大时，岩层移动发展到地表，在地表形成一个比采空区大很多倍的沉陷盆地。
采空区因应力平衡体系的打破，导致大范围的岩体破坏并发生位移。采沉区上覆岩体的移动具有明显的分带性，一般自下而上可分为三个带：冒落带、离层带和岩层整体位移带。
冒落带的岩石破碎，破碎块之间的空隙多而大，由下而上可细分为不规则冒落带和规则冒落带，根据抚顺多年采煤经验，煤层上覆岩体冒落后的膨胀率为1.3，以此为依据，抚顺地区采煤冒落理论段是开采高度的3.34倍。离层带位于冒落带之上，段高一般是冒落带的2-3倍。
岩层整体位移带位于离层带之上至地表之间，其影响范围达到地表时便形成地面沉陷区。地表移动整个动态过程划分为：初始阶段，活跃阶段，衰减阶段。
1）初始阶段：以量测精度为依据，把采动地表下沉10 mm作为开始移动的起点，直至地表点下沉速度达每月50 mm为止。
2）活跃阶段：采动地表点下沉速度大于每月50 mm的整个时间段均为活跃阶段，在此阶段内地表变形最大，地表变形对建筑物的影响也
最大。
3）衰减阶段：采动地表下沉速度小于每月50 mm直至下沉速度到每月5 mm为止，称衰减阶段。
实际上榆林桥南地区老虎台矿采用综合机械化放顶煤法采煤，单层最大采放高度达20 m，上覆岩体扰动强烈，地面沉陷严重。老虎台矿以北区域，即榆林桥南地区仍处于变形发展状态之中。
2.3浅层地表塌陷破坏型
在软岩区浅层还有一种变形破坏现象表现为塌陷坑的形式，地面塌陷坑形成的必要条件是要有浅埋的洞室或采空区，有大气降雨渗漏条件，长时间的地下水潜蚀作用，最终形成塌陷坑。
参考文献
[1]王声喜,郭兰昌,程克愚.抚顺市主要地质灾害的成因机制及防治对策[J].地质灾害与环境保护.2008,19(2):1-6.
[2]赵广信,常耀广.浑河断裂带(抚顺段)应变分析[J].测绘通报,1995,5:3-6.
[3]孙秀波,蒋永臻,刘茂华,等.抚顺市地裂缝特征及形成机理分析[J].中国地质灾害及防治学报,2008,19(4):42-45.
作者简介
郭兰昌（1965—），男，高级工程师，1989年毕业于长春地质学院水文地质与工程地质专业，现主要从事工程勘察和环境地质的研究工作。
关键词地表变形；地面沉陷；地裂；成因机制
中图分类号P3 文献标识码A文章编号1673-9671-(2011)111-0091-01
抚顺市是个因煤而兴建的城市，“煤在城下，城在媒上”。同时抚顺城区坐落在浑河断裂带之上，位于不同地质体相互交错的构造薄弱部位，地质构造条件复杂。由于受采煤活动的影响，地表变形较为发育，主要表现为地面沉陷和地裂缝。
1地质环境条件
抚顺市位于浑河河谷平原上，东西长约30 km，南北宽6 km-8 km，平均海拔65 m-99 m，地势东高西低，东部为山地丘陵区，西部融入辽河平原。抚顺市区出露的地层由老至新有太古界花岗质片麻岩；中生界白垩系小岭组安山岩、凝灰岩及含砾砂岩；新生界古近系及第四系。
浑河断裂是形成于太古代的NEE向区域性壳层断裂，中生代燕山运动，浑河断裂活动由挤压转为拉伸，在断裂带内和断裂带南侧形成了多个不连续的地堑或半地堑式盆地，堆积了小岭组火山-火山碎屑岩系。
地表变形是受采煤活动和含煤构造等因素综合作用。据野外调查统计，截止2008年底，在老市政府-榆林桥南-天湖桥南地区已发现64处变形破坏点，其中老市政府地区内分布有4处，占总数的6.25%；榆林桥南地区内分布60处，占总数的93.75%；天湖桥南地区除有地基不均匀变形或建筑物本身的结构引起的变形破坏外，没有发现与采煤活动有关引起的变形破坏点。
2地表变形成因机制分析
浑河断裂整体是稳定的，但由于煤田开采而诱发了浑河断裂抚顺段的局部活动，断裂的这种活化效应是导致抚顺城区地表变形的主要因素。抚顺城区地质结构特殊，岩体结构和岩石力学性质差异很大。老市政府地区、榆林桥南地区F1A断层以北为花岗片麻岩硬岩区，F1A断层以南为白垩系砂砾岩和古近系煤系地层、绿色页岩、泥岩等软岩区。硬岩区与软岩区的变形破坏模式明显不同，硬岩区以倾倒拉张破坏类型为主；软岩区以移动盆地“地表沉陷”变形破坏型为主。
2.1硬岩区倾倒拉张破坏型
花岗片麻岩硬岩区变形破坏的主要表现形式有以下两种。
1）骑跨断层的建筑物呈线状破坏。
2）横跨断层两侧呈南高北低的“反跌坎”态势，即断层北侧的沉降量高于南侧的沉降量，形成较明显的沉降差。
这些断层将硬岩区岩体在空间上切割成近平行的岩体条块，在平面上呈长条带状展布；硬岩区新鲜花岗片麻岩强度高，抗压强度60 MPa以上，抗拉能力较强，抗拉强度大于3 MPa，岩体本身一般不易被拉开破坏，而断层是在地壳运动过程中地质体内产生的软弱结构面，也是岩块与岩块之间的地质分界线。在煤田采矿活动影响范围内，断层带是岩块或地质体位移变形中的间断点或突变点，能够造成断层带附近岩石产生剧烈变形，引发地面沉陷或形成地裂缝。
平行岩体的倾倒拉张形式的运动是硬岩区发生变形破坏的主要模式。老虎台煤矿正在进行大规模的综放开采，采出空间周边岩体应力失衡，在重力的作用下，岩块体将发生指向采空区的的运动。
按照上述岩块体运动理论，地表除断层线两侧有差异沉降外，还应有小范围的整体沉降，并且总体表现为南低北高，符合采煤沉陷的大
趋势。
2.2软岩区地表移动沉陷破坏型
F1A断层以南为软岩区，变形破坏形式以大面积地表移动沉陷为主。据2004年监测数据显示，老虎台矿沉陷区最大垂直沉陷量达16.4 m。
软岩区岩性以页岩、泥岩、煤为主，夹砂砾岩，岩体本身强度低，饱和抗压强度小于5 MPa，抗拉能力更差，小于0.2 MPa，煤系地层倾角较缓，煤层被采掘后，随着地下开采工作面逐步向前推进，煤层顶板临空面积不断扩大，相当于上覆岩层重量随之不断增加。而当煤层顶板岩体拉伸应力达到或超过岩体力学抗拉极限时，采空区煤层顶板岩层便会发生垂向或侧向拉伸位移变形。这种拉伸位移变形一般以横梁或悬臂梁形式沿岩层层面法线方向向下弯曲，并沿层面产生断裂、离层空间和层间裂隙，同时导致地层破碎和冒顶塌落现象。上覆岩层变形破坏逐步向地表发展，当开采范围足够大时，岩层移动发展到地表，在地表形成一个比采空区大很多倍的沉陷盆地。
采空区因应力平衡体系的打破，导致大范围的岩体破坏并发生位移。采沉区上覆岩体的移动具有明显的分带性，一般自下而上可分为三个带：冒落带、离层带和岩层整体位移带。
冒落带的岩石破碎，破碎块之间的空隙多而大，由下而上可细分为不规则冒落带和规则冒落带，根据抚顺多年采煤经验，煤层上覆岩体冒落后的膨胀率为1.3，以此为依据，抚顺地区采煤冒落理论段是开采高度的3.34倍。离层带位于冒落带之上，段高一般是冒落带的2-3倍。
岩层整体位移带位于离层带之上至地表之间，其影响范围达到地表时便形成地面沉陷区。地表移动整个动态过程划分为：初始阶段，活跃阶段，衰减阶段。
1）初始阶段：以量测精度为依据，把采动地表下沉10 mm作为开始移动的起点，直至地表点下沉速度达每月50 mm为止。
2）活跃阶段：采动地表点下沉速度大于每月50 mm的整个时间段均为活跃阶段，在此阶段内地表变形最大，地表变形对建筑物的影响也
最大。
3）衰减阶段：采动地表下沉速度小于每月50 mm直至下沉速度到每月5 mm为止，称衰减阶段。
实际上榆林桥南地区老虎台矿采用综合机械化放顶煤法采煤，单层最大采放高度达20 m，上覆岩体扰动强烈，地面沉陷严重。老虎台矿以北区域，即榆林桥南地区仍处于变形发展状态之中。
2.3浅层地表塌陷破坏型
在软岩区浅层还有一种变形破坏现象表现为塌陷坑的形式，地面塌陷坑形成的必要条件是要有浅埋的洞室或采空区，有大气降雨渗漏条件，长时间的地下水潜蚀作用，最终形成塌陷坑。
参考文献
[1]王声喜,郭兰昌,程克愚.抚顺市主要地质灾害的成因机制及防治对策[J].地质灾害与环境保护.2008,19(2):1-6.
[2]赵广信,常耀广.浑河断裂带(抚顺段)应变分析[J].测绘通报,1995,5:3-6.
[3]孙秀波,蒋永臻,刘茂华,等.抚顺市地裂缝特征及形成机理分析[J].中国地质灾害及防治学报,2008,19(4):42-45.
作者简介
郭兰昌（1965—），男，高级工程师，1989年毕业于长春地质学院水文地质与工程地质专业，现主要从事工程勘察和环境地质的研究工作。