王瑾,王声喜

(辽宁省第十地质大队，抚顺　113004)



抚顺煤田东部地表变形特征及成因机制分析

王瑾,王声喜

(辽宁省第十地质大队，抚顺113004)

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，通过地质构造特征和水文地质特征的分析，总结了老市政府-榆林桥南-天湖桥南地区的地表变形特征。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4条地裂缝，其次为老市政府地区发育有一条地裂缝，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3种成因破坏模式，最后从岩体的长期蠕变效应、地质构造差异效应、采充效应、充填体低刚度效应、采煤的采空效应、重复采动效应、矿震效应等方面总结了变形影响因素。总体而言采煤活动是直接的主要诱发因素是外因，地质结构是控制因素是内因，二者相互作用缺一不可。

地表变形；地面沉陷；地裂缝；成因机制；抚顺市

1　前言

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[1]，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。前者多分布在东林路、榆林四路、榆林联社及靶场一带，后者则主要分布于上述地区的北部，沿浑河南岸地段。两者在空间上有较明显的分带性。本文通过现场实地调查、工程钻探、地面物探等勘查成果分析，查明了抚顺站前(老市政府)、榆林桥南、天湖桥南三个地区的地表变形特征，并就地面沉陷、地裂缝的基本发育特征及成因进行了分析，从而为抚顺城区地质灾害预防提供基础地质资料，为抚顺市政府开展地质灾害综合治理工作提供决策依据。

2　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6～8 km，平均海拔65～99 m，地势东高西低，东部为山地丘陵区，西部融入辽河平原[2]。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。其中以古近系较发育，是本区的含煤岩系(图1)，也是本区的软弱岩层。下部为老虎台组、栗子沟组，主要为玄武岩和凝灰岩夹煤层，中部为矿产层，为古城子组厚8.57～110.50 m的本层煤，其上为计军屯组油母页岩层(厚度25.81～362.35 m)，上部为西露天组绿色泥岩和耿家街组褐色页岩。第四系在河谷平原区多为冲积层，其下部为砾石、砂砾石层，上部为粘土层。

1.河流；2.地层界限；3.正断层；4.逆断层；5.太古代片麻岩；6.白垩系安山岩；7.老虎台组玄武岩；8.栗子沟组凝灰岩；9.古城子组煤；10.计军屯组油页岩；11.西露天组绿色页岩；12.本层煤；13.井田界限；14.地裂缝；15.采煤沉陷区图1　抚顺煤田地质简图

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[3]。

自新生代古近纪起，本区构造作用加剧，浑河断裂继续前期北升南降的态势，形成了北断层南超覆的半地堑式盆地。古新世早期，有地幔物质沿断裂喷溢，形成了厚达200 m的玄武岩及凝灰岩，凝灰质角砾岩、页岩、炭质页岩夹煤层。始新世开始，火山活动停止，在盆地内形成了厚达100余米的本层煤及油母页岩，绿色泥岩夹褐色泥岩等湖相沉积物。渐新世晚期地壳开始挤压收缩，浑河断裂带内原先的正断层，被改造为自北西向南东逆冲的逆冲断层，F1将白垩系推覆到古近系之上，F1A将花岗片麻岩逆冲于白垩系之上，同时拖曳古近系形成一开阔的向斜构造。这次挤压运动一直延续到新近纪末。形成了以F1、F1A为代表的浑河断裂主干断裂面[3](图1)及F13、F39、F41～F45等多条近东西向平行的逆冲断层系。使煤系地层崁布于花岗片麻岩与白垩系岩石形成的“凹槽”内(图2)。第四纪以来，本区以间歇性上升和差异升降运动为主，形成了各级阶地。自晚更新世以来，本区处于相对稳定时期，若非人类采煤活动扰动，浑河断裂始终保持稳定状态[4]。

3　地表变形分布特征

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。

3.1老市政府地区地表变形分布特征

该区地表变形为地裂缝。现场调查有明显变形的建筑物呈线状分布在西8路3号楼6单元、原公安局办公楼和家属楼、站前街23委44方块1号楼等4处。主要表现为建筑物出现张开裂缝，这4处变形建筑物所反映出的地裂缝西起原千金小学(西五路)，东至站前街原市公安局大楼，总体呈线状展布，延伸长近1 000 m，走向约北东72°，为老市政府地区唯一分布的地裂缝。

该地裂缝是本区西部的石油一厂-抚顺发电厂地裂缝沿F1A断层强变形破坏带的东延部分，由于断层性状的差异，在F1A断层与F41断层交汇处，地裂缝向东沿性状更差的F41断层发育，发育强度向东明显变弱，过中央大街后，邮电大楼没有变形，仅站前街23委44方块1号楼有轻微变形。该地裂缝受西露天矿采矿活动和季节性变化影响较弱[2]。

3.2榆林桥南地区地表变形分布特征

榆林桥南地区建筑物及地表浅部变形破坏迹象明显，从所调查的60处变形点统计表明，各建筑物变形破坏点在平面上呈线状展布，形成4条近东西向展布的地裂缝[5]。

(1) Ⅰ号地裂缝

即前人所称的礼泉路地裂缝，形成主要受F44断层控制。西起礼泉路35-2号楼，东至浑河南路榆林桥东350 m处，延伸长度大于1 500 m，走向北东80°～90°。横跨地裂缝的建筑物破坏后形成一组中等倾角的斜裂缝，其剪张宽度达1 cm。在浑河南路路面上可见其上盘(北盘)下降，地面形成陡坎。目前该地裂缝有继续向北东发展进入浑河的趋势。

(2) Ⅱ号地裂缝

即前人所称的抚顺电瓷厂-榆林小区地裂缝。位于老虎台沉陷区北侧，形成主要受F39断层控制。西起原抚顺市第二中学西侧，东至榆林加油站南侧，延伸长度约1 880 m，总体走向北东75°。代表性的破坏建筑物有榆林小区4号楼，以平行展布的斜裂缝为主要破坏特征，剪张宽度达1.0～3.0 cm。

(3) Ⅲ号地裂缝

形成主要受F42断层控制。西起原东公园派出所车库，东至榆林生产联社北约200 m处路口，延伸长度大于2 000 m，总体走向NE75°[6]。典型破坏特征以垂直沉陷张开为主，代表性破坏建筑物有东林社区原东公园派出所，水平拉张宽度达5 cm。

(4) Ⅳ号地裂缝

形成主要受F41断层控制。西起略阳街加油站(榆林道口东北侧)，东至榆林生产联社北侧100 m处，线段延伸长度大于1 000 m，总体走向约NE75°[6]。

榆林桥南地区范围内出现变形破坏对象涉及面较为广泛，民用建筑物裂缝最大张开宽度，为1.0～3.0 cm，厂房及车间裂缝最大张开宽度为10 cm，挡墙、路面、围墙、花坛等裂缝最大张开宽度为25 cm，裂缝张开形式主要有3种：①陡倾角展布的拉张裂缝;②中等倾角展布的剪张裂缝;③沉陷裂缝。

3.3天湖桥南地区地表变形分布特征

野外调查显示，天湖桥南地区内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，没有发现由采煤活动引发的变形破坏。如海新河复兴生态园DLF105变形点原为废弃垃圾填埋场，路面混凝土为近期拉开裂隙，与路基变形有关。

除上述具线性展布的地表变形以外，在榆林桥南地区和天湖桥南地区之间的区域内有12处建筑物有变形破坏迹象，在海新河以南的抚顺电力机车厂和万新村榆林路东段，大部分房屋墙体有开裂现象，倾向不一，地面高低起伏，沉陷特征明显。天湖桥南地区以外，即海新河以南分布有44处变形点，主要位于龙凤矿沉陷区内，呈聚集散点状分布特征。

3.4地表变形发育特点

在本次所研究的3个地区中，变形破坏强度以榆林桥南地区为最大，老市政府地区次之。天湖桥南地区目前没有见到与采煤活动有关的建筑物发生破坏。

变形破坏形式以拉张破坏为主，剪张破坏与沉陷破坏次之。形成以竖向拉开裂缝为主，次为中陡倾角的斜裂缝，缓倾角裂缝少见；F1A断层以南变形破坏以大面积的地面沉陷为主；F1A断层以北变形破坏呈线状展布，地裂缝发育的主体优势方向与场区内断裂带走向基本一致，呈北东60°～70°左右方向展布，与之相关的主要断层有F1A、F41、F42、F44、F45等系列断层。

变形破坏建筑物大多为低层至多层砖混结构建筑物，骑跨断层走向的建筑物变形影响宽度一般小于20 m；与断层走向顺行展布的建筑物整个楼体的变形破坏程度要强烈得多，影响宽度也相对较大。

榆林四路以南、榆林街道、原抚顺电瓷厂院内及其附近等地建筑物开裂现象普遍，建筑物变形兼具有较大面积集中散点分布特征，开裂方式无规律，并成一定规模，表明沉陷区的范围在扩大。

4　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[7]，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。

4.1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：一是骑跨断层的建筑物呈线状破坏；二是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。

在硬岩区近平行展布的F1A、F39、F41、F42、F43、F44、F45断层，倾角60°～70°，在深部逐渐收敛，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，见图2；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[8]。

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，见图2；煤层挖除后如果不回填或回填不密实，F1A、F41、F42、F39、F43、F44、F45等两两断层之间的岩块体在重力作用下，将分别按图2所标示的小箭头方向发生运动，倾倒拉张的结果使已有断层发生拆离，内部形成离层空隙，其上盘碎屑物质在重力及地表水的作用下，不断下移，在地面逐渐形成南高北低的“反跌坎”，每一条反跌坎都对应一条断层。

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[9]。

4.2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3个带(图3a)：冒落带、离层带和岩层整体位移带。

1.太古代片麻岩；2.栗子沟组凝灰岩；3.西露天组绿色页岩；4.白垩系安山岩；5.古城子组煤；6.正断层；7.老虎台组玄武岩；8.计军屯组油页岩;9.钻孔位置及编号图2　平行断层间岩块运动示意图

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，带内岩石整体弯曲脱落，其影响范围达到地表时便形成地面沉陷区[10]。老虎台井采界线是根据1999年12月修改后的岩层移动参数(针对机械化放顶采煤法)计算的，岩层走向移动角从原来的δ=70°变为δ=56.3°，岩层下山移动角由β=70°-0.6α变为β=57.1°(α为煤层倾角),见图3b。

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[11]。

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。

1.岩层整体位移带；2.离层带；3.冒落带图3　采空区上覆岩体移动和分带示意图

图4　塌陷坑形成机理示意图

4.3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。塌陷坑形成机理见图4。

5　变形影响因素分析

场区内地面沉陷及城市建筑物变形破坏等次生灾害均发生在老虎台井矿、龙凤井矿、西露天矿、胜利井矿等开采区或其影响范围内。发生上述次生灾害的直接诱因是采煤活动，从每座建筑物变形破坏的位置上看，它又与所处地质条件密切相关，地下岩体结构起决定性控制作用。各场区发生变形破坏的原因，可归纳为以下几点：

(1) 岩体的长期蠕变效应

抚顺煤系地层为一套砂页岩软岩地层，在构造作用下，岩体裂隙发育，完整性差。软岩具流变特性，在煤层采空状况下，上覆和侧向岩体在应力作用下向开挖空间缓慢移动发生蠕变。岩体蠕变分为3个阶段：初始蠕变、等速蠕变、加速蠕变。在初始蠕变阶段岩体变形以小的速度向开挖空间移动，等速蠕变阶段开始损伤岩体形成小的裂纹，加速蠕变阶段岩体裂纹持续加速扩展，经过不断演化和累积，逐步发展成为贯通性裂缝。岩体蠕变发生的缓慢变形导致周围应力场产生调整，某些对变形适应能力差的的建筑物将不可避免发生拉伸、剪切作用，最终导致地表建筑物发生变形破坏作用。

(2) 地质构造的差异效应

场区地质构造条件复杂，近平行发育一组NEE向系列断层，代表性断层有F1、F1A、F41、F42、F43、F44、F45等，一般断层破碎带抗拉能力很差，加之这些断层与采空临空面近于平行，岩体变形向采空区位移，易于沿断层发生拉张破坏，这是场区沿断层分布的建筑物发生较强烈变形破坏的主要原因之一。由于断层破碎带物质组成不均一，胶结程度不同，导致不同断层带或同一断层带在走向上，其物性与力学指标都存在较大的差异。F1A断层在东西走向方向上，从东至西构造角砾岩的角砾大小由粗变细，胶结程度也由好变差。在天湖桥南区，F1A断层由较坚硬的钙质胶结为主，角砾岩大小10～20 mm，而在老市政府区地区，角砾大小一般2～3 mm，胶结物为泥质或火山灰胶结，总体上讲天湖桥南区的F1A断层性状较老市区政府区要好。同一区域的断层，如老市政府区的F1A和F42断层也有性状上的差异，F41断层在较浅部位(ZKU1揭示)孔深13～30 m处为岩屑和断层泥，其矿物蚀变为绿泥石，遇水软化。而F1A分布在较深部位(ZKU3揭示)孔深27.2～52.4 m为花岗片麻质角砾岩，31 m深以下构造角砾含量达70%～80%。当同一区域的建筑物跨越不同的断层时，下伏断层的性状决定了建筑物的受损的程度，这就是老市政府区为什么会沿F42断层产生拉张变形破坏而没有沿F1A发生破坏的主要原因。

(3) 采充效应

老政府区位于西露天矿北邦，下部为胜利矿，胜利矿开采方法采用“条带式”限厚水砂充填法。分别于1977年4月～1978年7月在-615 m水平、1985年8月～1987年7月在-650 m水平进行了开采，1978年共采出煤105×104t，1985年共采出煤14.3×104t。由于采充效应造成的大范围应力调整和重新分布。采矿后虽然进行了充填，但充填总要滞后于开采，矿石一旦被采出，采空区周围岩体将发生弹塑性变形且会在很长时间内完成[12]。即使充填后，呈流体状态的充填体也会有一段固结、硬化过程。在此过程中充填体不起作用，围岩继续变形。原位赋存的矿体是有初始地应力的，而固结后的充填体是从零应力状态逐渐开始受力，并参与地层的应力平衡。在此期间，大部分构造应力往往已释放，构造应力的释放必然引起大范围岩体移动，因此，用充填体“置换”被采出的矿体，不可避免地要引起周围岩体的移动，最终导致地表变形及地裂缝的产生[12]。

(4) 充填体低刚度效应

充填体的变形模量、抗压强度均较低，比矿体本身低1～2个数量级。以相对“软”的充填体置换相对“硬”的矿体，充填体周围的上、下盘岩体在大的水平地应力作用下，不可避免地要产生闭合变形，由此而引起大范围的岩体移动，诱发地面产生变形破坏[12]。

(5) 采煤的空区效应

老虎台矿采用放顶法开采，即使是胜利矿采用充填法开采，也不可避免地会留下一些未存空间。由于矿区水平构造应力高、岩体极为破碎，采空区会逐渐变形、破坏直至坍塌冒落，从而引起空区周围岩体变形和移动。

(6) 重复采动效应

老虎台矿自下而上逐一分层放顶进行开采。胜利矿开采后，附加了西露天矿露天开采。老虎台矿深部开采结束后，将向浅部开采，这种重复采动影响更加剧烈，岩体的变形与移动将比以往更明显，对地表建筑物的变形破坏影响更大。

(7) 矿震效应

老虎台矿震频发，1998年的高强度矿震增多的主要原因是开采了-780 m水平，2002年达到高峰是因为又开采了-830 m水平。矿震的长期反复作用，对抚顺市浑河以南城区安全产生一定不良作用，一是使场区脆性结构建筑物疲劳损伤；二是诱发已经稳定的老采空区局部顶板再松动塌陷；三是加剧采煤沉陷的发展速度,使其范围扩大；四是诱发岩层水平位移，沿断层产生拉张作用，跨断层(地裂缝)建筑物受损。

以上是抚顺市城区地表建筑物及地面产生变形破坏的主要原因，总体而言采煤活动是直接的也是主要的诱发因素，是外因；地质结构是控制因素，是内因，二者相互作用缺一不可。

6　结语

本文通过对抚顺煤田东部地区三个地块内地表变形的研究，初步判定该区的地表变形是在已有断裂的基础上，通过采煤工程的扰动，引发了一系列的断层活化效应，地面形成了地裂缝和采煤沉陷带，具体表现为建筑物开裂，其开裂方式以拉开裂缝为主，其次为中等倾角的斜裂缝，最后是缓倾角裂缝少见。其变形模式表现为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”变形破坏型为主和浅层地表塌陷破坏型。

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EAST OF FUSHUN COAL FIELD GROUND SURFACE DEFORMATION CHARACTERISTICS AND GENETIC MECHANISM ANALYSIS

WANG Jin，WANG Sheng-xi

(The Tenth Geological team of Liaoning province, Liaoning Fushun113004,China)

according to site survey, and exploration results, in coalfield geological environment conditions analysis of based Shang, through geological structure features and hydrological geological features of analysis, summary has old municipal government-Yulin Bridge South-Lake Bridge South area of surface deformation features, by mining activities raised of fault activation effect role, Yulin Bridge South area surface deformation most strongly, with ground subsidence development has four article to crack, second for old municipal government area development has a article to crack, and Lake Bridge South area not see mining activities raised of degeneration damage. This based Shang divided out hard rock district dumping pulled Zhang damage type, and soft rock district surface mobile subsidence damage type, and shallow layer surface collapse damage type three species causes damage mode, last from rock body of long-term creep variable effect, and geological structure differences effect, and mining filling effect, and filling body low stiffness effect, and mining of mining empty effect, and repeat mining moving effect, and mine earthquake effect, aspects summary has deformation effect factors. Overall mining activity is direct external factors is the main factor, is the controlling factor of geologic structure is internal and interaction are indispensable.

surface deformation; ground subsidence; ground fissures; mechanism; Fushun city

1006-4362(2016)03-0055-07

2016-05-22改回日期：2016-06-21

抚顺市政府项目：抚顺市部分地块地质灾害勘查(20080714)

P642.26

A

王瑾(1986-)，女，2009年7月毕业于河北农业大学现代技术学院土木工程专业，工学学士，吉林大学在读资源工程硕士研究生，现就职于辽宁省第十地质大队，工程师，主要从事地质灾害评估和环境地质研究工作。E-mail:497819022@qq.com