新疆烏魯木齊六道灣煤礦地面塌陷研究

摘 要：依據(jù)豐富的野外調(diào)查資料，通過綜合分析，概述了六道灣礦區(qū)地面塌陷的分布和現(xiàn)狀，對地面塌陷進(jìn)行了預(yù)測，闡述了地面塌陷對地質(zhì)環(huán)境的破壞及危害，提出了環(huán)境恢復(fù)治理措施。
關(guān)鍵詞：六道灣煤礦；地面塌陷；危害；預(yù)測；治理措施
1. 引言
烏魯木齊市六道灣煤礦塌陷區(qū)位于烏魯木齊市水磨溝區(qū)道灣鄉(xiāng)六道灣村至七道灣之間。塌陷區(qū)西段西起南湖路（外環(huán)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(cè)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(qū)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(qū)，嚴(yán)重破壞了地表地質(zhì)環(huán)境。塌陷區(qū)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(huán)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(qū)內(nèi)煤層大槽內(nèi)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(yán)重破壞，區(qū)域內(nèi)生于境極其惡劣。臨近塌陷區(qū)以西約1500畝區(qū)域內(nèi)的礦區(qū)老居住區(qū)和周邊的墳場及各種臨時搭建的建筑物，嚴(yán)重影響了城市的市容、市貌。
2. 采空區(qū)及地面塌陷現(xiàn)狀和預(yù)測
2.1 采空區(qū)及地面塌陷現(xiàn)狀
六道灣煤礦位于烏魯木齊山前坳陷帶上。礦區(qū)地層為侏羅系含煤單斜地層，地層產(chǎn)狀比較穩(wěn)定，六道灣井田共含煤33層，全部為急傾斜煤層。井田內(nèi)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(jì)50年代起一直在持續(xù)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(biāo)高水平）以上預(yù)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(biāo)高水平煤層。目前，南大槽東段己開采到630 米標(biāo)高長平，開采深度達(dá)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(biāo)高水平，開采深度達(dá)到230 米左右。北大槽第二開采水平（即540-650米標(biāo)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(nèi)，南大槽在630-650 米標(biāo)高以上煤層已經(jīng)采完或基本采完，北大槽和以北的可開采煤層在583 米標(biāo)高以上已經(jīng)采完或基本采完。目前，該礦正在向540米標(biāo)高水平繼續(xù)往深部開采。
六道灣煤礦采空區(qū)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(qū)影響范圍（以垂直煤層走向采空區(qū)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(qū)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(dāng)上覆巖層重力大于其下的支撐力時或遇到激發(fā)因素而使上覆巖層重力瞬時大于其支撐力時，就會發(fā)生地面塌陷。根據(jù)不同時段航空照片解譯結(jié)果，六道灣煤礦塌陷區(qū)在20 世紀(jì)70年代已經(jīng)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(yán)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(dá)70-80m;北大槽塌陷帶寬度40-60m，塌陷變形帶寬度達(dá)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(qū)及地面塌陷預(yù)測
按照六道灣煤礦的開采規(guī)劃預(yù)測，到2015年第二水平開采完畢，采空區(qū)深度南北大槽及北大槽以北的煤層群將達(dá)到270-280m；采空區(qū)影響范圍南大槽將達(dá)到108-115m，北大槽將達(dá)到130m左右，北大槽以北的煤層群將達(dá)到220m；采空區(qū)總面積將達(dá)到265260m^２。
屆時，南北大槽和北大槽以北的煤層群，采空區(qū)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(yù)測開采深度將分別達(dá)到380-390m 和510-520m；采空區(qū)影響范圍將繼續(xù)向北擴展，在北大槽和北大槽以北的煤層群下部，將會出現(xiàn)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(xù)不斷地向深部開采，南湖路以東的六道灣煤礦塌陷區(qū)將一直處于不穩(wěn)定狀態(tài)，巖移和地面塌陷隨時都有可能發(fā)生，危害十分嚴(yán)重。據(jù)六道灣煤礦以往進(jìn)行的專項監(jiān)測資料分析，因采動影響引起的地面變形、裂縫、下沉等現(xiàn)象屬一綜合移動，巖移力量影響很大，甚至可把預(yù)留的20m寬的煤柱壓碎，最終一導(dǎo)致地面大幅度塌陷。塌陷變形、巖移破壞在煤層頂?shù)装宸较虬l(fā)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(xù)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(jìn)行環(huán)境恢復(fù)治理的費用將會大大增加，并將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過煤層開采的效益。
3. 地面塌陷對地質(zhì)環(huán)境的破壞及危害
六道灣煤礦塌陷區(qū)位于烏魯木齊市中心地帶，地面塌陷及沉陷變形對地質(zhì)環(huán)境的破壞十分嚴(yán)重，對烏魯木齊市城市建設(shè)和發(fā)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(zhì)環(huán)境的破壞及危害主要表現(xiàn)在以下幾個方面：
3.1 嚴(yán)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(qū)，嚴(yán)重破壞了原始地形地貌。采空區(qū)地表多被第四系黃土和松散沉積層覆蓋，由于反復(fù)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(xié)調(diào)。礦區(qū)地下開采后形成的采空區(qū)和裂縫帶，不僅破壞了地質(zhì)環(huán)境，同時也破壞了原有的水文地質(zhì)條件和蓄水構(gòu)造，造成十分珍貴的水資源的污染和流失。
3.2 嚴(yán)重形響了烏魯木齊市區(qū)的生態(tài)環(huán)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(tài)環(huán)境，造成大量的水土流失，對城市地表及人居環(huán)境造成了極為嚴(yán)重的損害。與此同時，塌陷區(qū)淺部由于采煤引發(fā)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(huán)境和近在咫尺的居民小區(qū)造成的環(huán)境污染和危害更加嚴(yán)重，導(dǎo)致市區(qū)的大氣環(huán)境和生態(tài)環(huán)境十分惡劣，使烏魯木齊市成為我國大城中污染最嚴(yán)重的城市之一。
3.3 嚴(yán)重影響烏魯木齊市的城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)
幾十年來，六道灣煤礦體制幾經(jīng)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(yán)格按照設(shè)計執(zhí)行。因此，目前形成的地下采空區(qū)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(dǎo)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(yán)重破壞，給城市居民的正常生產(chǎn)、生活帶來極大危害。隨著烏魯木齊市城市建設(shè)的快速發(fā)展，目前六道灣煤礦塌陷區(qū)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(chǔ)設(shè)施建設(shè)的“瓶頸”，不僅加大了建設(shè)的難度和投資，而且隨著時問的推移，這種“瓶頸效應(yīng)”將日趨嚴(yán)重。
3.4 嚴(yán)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(qū)的一首府和政治、經(jīng)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(fā)和城市化進(jìn)程中將建成我國西部的國際性大都市和一商貿(mào)中心。顯然，六道灣煤礦塌陷區(qū)這塊貼在烏魯木齊市中心的大“傷疤”，已嚴(yán)重影響了烏魯木齊作為國際商貿(mào)大都市的光輝形象。
由此看來，對六道灣煤礦塌陷區(qū)進(jìn)行環(huán)境恢復(fù)治理，不僅是迫在眉睫，而且應(yīng)當(dāng)被作為烏魯木市的形象工程，并使之成為自治區(qū)再造山川秀美的示范工程。
4. 環(huán)境恢復(fù)治理措施（1）首先應(yīng)采用物探等適宜手段對該地段進(jìn)行采空區(qū)勘察和地質(zhì)災(zāi)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(qū)分布情況和地面塌陷狀況以及采空塌陷區(qū)回填和充填程度，以便有針對性地采取更加切合實際的環(huán)境恢復(fù)和治理措施。
（2）在采空區(qū)勘察和地質(zhì)災(zāi)害危險性評估的基礎(chǔ)上分別不同區(qū)段，采取不同的環(huán)境恢復(fù)治理措施。對南北大槽采空區(qū)影響范圍及經(jīng)過回填和平整治理的塌陷帶，可在其上種草，恢復(fù)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(wěn)定的區(qū)域，可采取植樹造林措施，構(gòu)筑綠化帶。綠化帶建成后，既可美化環(huán)境，又可起到防風(fēng)沙作用，其根系對地表以下土層還可起到固結(jié)作用，增加其穩(wěn)定性。
（3）在采空區(qū)影響范圍和回填塌陷區(qū)構(gòu)建綠化帶或作為綠化建設(shè)用地進(jìn)行環(huán)境恢復(fù)治理時，采用滴灌或噴灌形式進(jìn)行澆灌，嚴(yán)禁采用大水漫灌和畦灌，避免由灌溉誘發(fā)和加劇地面塌陷災(zāi)害的發(fā)生。
（4）進(jìn)行環(huán)境恢復(fù)治理時，必須根據(jù)勘察和評價結(jié)果準(zhǔn)確進(jìn)行定位，可用全站儀或水準(zhǔn)儀對南北大槽及其采空區(qū)影響范圍進(jìn)行測量定位，以便準(zhǔn)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(nèi)嚴(yán)禁進(jìn)行地表建（構(gòu)）筑物的建設(shè)，對構(gòu)建綠化帶的輸水管網(wǎng)設(shè)施，應(yīng)沿煤槽采倉間預(yù)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(wěn)定地帶鋪設(shè)?？蛇x擇抗變形能力強的輸水管材和結(jié)構(gòu)形式，并采用柔性接口，預(yù)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(qū)內(nèi)可能出現(xiàn)的地裂縫和地面變形、塌陷等，應(yīng)及時設(shè)置監(jiān)測點進(jìn)行監(jiān)測，觀察和監(jiān)測地裂縫和地面變形的發(fā)展變化情況（雨季應(yīng)加密觀測次數(shù)），如發(fā)現(xiàn)地裂縫和地面變形有明顯擴大或加速變形趨勢，應(yīng)及時一采取避讓措施，防止不必要的災(zāi)害發(fā)生。
（7）在該地段進(jìn)行植樹、種草構(gòu)建綠化帶后，在其四周應(yīng)設(shè)置鐵絲網(wǎng)圍欄和警示標(biāo)志，防止游人入內(nèi)，避免突發(fā)地面塌陷時一造成不必要的危害。