采空区地面沉降、塌陷的特征

三号井始建于1968年，1978年投产使用，开采的层位为石炭系太原组的一₁煤层，设计生产能力45×10⁴t，采用竖井水平开拓，回采方式为沿走向长臂双翼回采，采空后的处理采用崩落法。1983年该井田开始对一₁煤上覆的二叠系山西组的二₁煤进行开采。目前，该井田的一₁煤已基本采完，仅剩下少数巷道煤柱(保安煤柱)储量，二₁煤为现在主采层位。据此可以认为，三号井田现属于二次采动类型，采空区分布如图3.3所示。

图3.3 采空区分布图

由于开采历史较长，该井田一直存在不同程度的地面沉降塌陷问题，给当地农民的生产和生活造成严重危害，2005年前后郑州市矿务局组织工程技术力量在磨盘山一带的12090、14090采区(即2004年以前的采空区)进行了较彻底的土地整理平复工作，掩埋了先前地面形变的痕迹。然而，2007年本项目组野外调查发现，该井田沉降塌陷仍继续发育，已平复的土地又出现新的裂缝、塌坑。

现场调查资料表明，到2007年为止，三号井田采空区仍对地面变形有明显影响。由地面变形展示图可以看出(图3.4，图3.5):

1)目前沉降塌陷区涉及的范围为东经113°04'32.3″～113°05'47.9″，北纬34°43'27.7″～34°43'56.6″，东西总长度约2km，南北总宽度0.8km，所处位置与三号井田二₁煤的整个采区基本叠合。

2)按地裂缝、黄土塌坑的规模和数量，沉降塌陷区大体可分为两个中心或两个密集地带。一个密集带位于14110、14090采区;另一个密集带位于12090、12110和12200采区。这两个密集带有一个共同特点，即均为近两年(2005～2007年)回采区及其与早年采空区的交接部位。其外围地段因回采时间较早，变形痕迹现已人工掩埋，且未受到近期回采活动的明显扰动，地表仅偶见分散且规模较小的地裂缝和黄土塌坑。

图3.4 峪沟曹家洼一带塌陷区地裂缝及塌坑平面展示图

图3.5 大峪沟磨盘山一带塌陷区地裂缝及塌坑平面展示图

3)密集带内以地裂缝为主，黄土塌坑为次。现场观察发现黄土塌坑一般较分散，无明显方向性，且都与地裂的明缝或暗缝相连。结合黄土湿陷性我们认为，这些黄土塌坑不是采空区塌陷的直接产物，而是大气降水沿地裂缝贯入而形成的落水洞。它们的存在对于判断地下暗缝及其规模有重要意义。

4)密集带内地裂缝的发育特点不完全一致。

第一密集带位于磨盘山一带(14110、14090采区)，地裂缝大致可分为两组(表3.1，表3.2):一组为近南北走向，与煤系地层的倾向大体一致，为该地段数量最多、规模较大者。每百米长度裂缝条数可达数十条，裂缝两盘错距一般为数厘米至几十厘米，最大者可达0.8m，可见裂缝发育深度为十几厘米至1m，最深者可超过2m，裂缝的地表张开度(缝宽)大多为几厘米至十几厘米，最宽者可达30余厘米。值得注意的是，这一组裂缝排列有序，以2007年回采区为中心，西侧发育的裂缝由西向东依次错落，东侧裂缝则由东向西错落，显示出东西向变形的对称性以及与采空放顶时间先后的对应性。

另一组地裂缝的走向大体为东西向，与坑道掘进、回采的长臂前进方向大体相同。该组裂缝密度相对较小，大多分布于沉陷区的南北边界，错距和可见深度也小于第一组。

除上述特点外，无论是第一组还是第二组裂缝都有一个共同之处，就是在地面上的延伸长度受地形起伏的制约。虽然个别裂缝可穿越黄土台阶，但大多数延伸到黄土阶梯的陡坎处会戛然而止。这说明地裂缝的形成不完全“植根”于基岩断裂，或者说不是基岩裂缝延伸到地表的结果，而是在基岩破碎下沉的宏观作用下，受黄土盖层厚度差及其地形微起伏的临空面的控制，应力释放的结果。上述两组裂缝组合，在平面上形成沉降塌陷明显的槽状地带。

第二密集带位于曹家洼附近(12090、12110、12200采空区)，规模相对于第一密集带要小。裂缝的数量及走向的方向性规律不强，其走向大体可归纳为北西、北东和近东西三组。

一组为近东西向，与煤系地层的走向、坑道掘进、回采的长臂前进方向大体一致，为该地段数量最多、规模较大者。该组裂缝发育长度长、深度深，宽度大，对地表破坏严重。裂缝发育长度一般可达十几米至四十几米，且有4条大于50m，可穿越5个高差大于3m的黄土陡坎，一直延伸，可见深度大于3m。该组裂缝错距一般为数厘米到几十厘米，最大可达50cm，地表张开度大多为几厘米到几十厘米，最大宽度可达110cm。

另外两组走向为北西和北东，裂缝较分散且规模较小，发育长度、深度、错距都小于第一组。

值得注意的是，该密集带内裂缝多发育在回采工作面的边界周围，而非回采工作面之上，这是由于回采工作面边界周围内外边缘区，地表虽然下沉较小，但变形多为水平拉伸和不均匀沉降，有利于裂缝的发育。密集带内塌坑发育较多，无明显的方向性，分析认为是大气降水沿地裂缝贯入而形成的落水洞。