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[摘要]本文结合2012年完成的抚宁县1：5万地质灾害详细调查，以抚宁县存在的地面塌陷、地裂缝地质灾害特点，初步分析地面塌陷、地裂缝成因、预测、评估方法等。
[关键词]地面塌陷 地裂缝 采空区
[中图分类号] F407.1 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2014）-6-280-2
2012年通过进行抚宁县1：5万地质灾害详细调查，查明以石门寨镇为中心、北至驻操营镇南部、南至杜庄镇北部的14.56km2带状区域内存在地面塌陷9处，地裂缝5处，为地质灾害高易发区。经过详细调查，地面塌陷和地裂缝为煤矿采空区巷道顶板冒落引起地表下陷和沉降形成，造成地表建筑物墙体开裂，农田作物死亡、无法耕种，严重影响了附近村民的生产和生活，直接威胁周边村民的生命财产安全。
1地面塌陷和地裂缝的分布、成因
1.1地面塌陷、地裂缝分布
从上图可以看出，该区域内地面塌陷和地裂缝交替伴生分布，多为1995年-2000年发生，其中多已填埋治理，少数仍在发展。
1.2地面塌陷、地裂缝成因
该区域内为南北延伸向斜构造，存在侏罗纪及石炭、二叠纪双纪煤田，分布煤层较多，近年开采强度较大，加之浅层私采，在纵深向形成叠加采空区，采空区顶板及四壁在内外部条件影响下引起变形，引发地表塌陷及裂缝产生。
1.2.1地裂缝和地面塌陷形成的岩土体内部条件
采空区引发地裂缝和地面塌陷的岩土体内部条件为地下空洞的存在，空洞的顶底板和侧壁在周围岩压的作用下极易发生应力集中，而处于稳定性很差的状态，一旦受到外力干扰，即引发塌落。
1.2.2地裂缝和地面塌陷形成的岩土体外部条件
大气降水、河流汛期洪水侧向倒灌和地震均加剧洞顶覆岩破裂位移，引发地裂縫和地面塌陷。长历时、大强度降雨时洞顶覆岩含水层迅速增大，自重加大，形成较大动水压力，引发洞顶坍塌。汛期河流水位急剧上升下降导致近岸地下水位跟随急剧上升下降，引起洞顶覆盖层浮托力大小急剧变化，引发冒落变形。地震震动直接加剧洞顶及洞壁裂隙扩大引发冒落破坏。
通过调查，该区域内地面塌陷坑、地裂缝尺寸规模较小，初步推测现有地面塌陷和地裂缝产生的为局部浅层采空区顶板冒落引起。
2地裂缝和地面塌陷变形破坏机制
2.1采空区顶板岩土体变形的垂直分带
煤层开采后，顶板岩土体的移动变形因岩土体性质和开采条件不同，变形的表现形式、分布状态和程度亦不相同，一般而论，当空洞埋深与空洞高度之比小于25：1时，洞顶上部就会自下而上形成三个变形特点不同的带，即冒落带、裂隙带和弯曲带。
冒落带：直接位于采空区上方的顶板岩层，在自重及上覆岩层重力作用下，移动变形很大，所受应力大大超过本身强度，使岩层断裂破碎塌落，堆积于采空区，已塌落部分称冒落带。
裂隙带：冒落带上部的岩层在重力作用下，移动变形较大，所受应力超过本身强度，岩层产生裂隙或断裂，但尚未塌落，形成裂隙带。
弯曲带：裂隙带上部的岩层在重力作用下，变形较小，所受应力尚未超过其本身强度，未产生裂隙，仅出现连续平缓的变曲变形，称弯曲带。此带岩层的整体性未遭破坏。上述3带的形成主要取决于矿层的赋存条件、开采顶板管理方法以及岩层性质等。采空区由于其大小、几何形状，采掘厚度和矿层埋深的不同。上述3个带不一定同时存在。当采空区埋深较浅时，冒落带可以直达地表，形成地面塌陷。采空区埋深较深时裂隙带可能达到地表，使地表出现裂隙（地裂缝）。采空区埋深很大时，其裂隙带已不能达到地表，此时进地表区多表现为弯曲下沉。
2.2变形特征
冒落带塌落入地下空洞，引起中间层形成裂隙带，裂隙带在外部条件影响下，引起地表层的弯曲带形成地面沉降变形，沉降中心已垂直位移变形为主，即形成塌陷坑（地面塌陷），沉降的边缘以水平位移变形为主，与未变形岩土体发生拉张即形成地裂缝。
根据《矿山开采沉陷学》中的理论，采出厚度与塌陷冒落带及裂隙变形带之间有如下关系：冒落带的高度主要取决于采出厚度和上覆岩石的碎胀系数，通常为采出矿层厚的3～5倍。冒落带和裂隙带合称两带，两带高度与岩性有关，一般情况下软弱岩石形成的两带高度为采厚的9～12倍，中硬岩石为采厚的12～18倍，坚硬岩石为采厚的18～28倍。
2.3破坏机制
地裂缝及地面塌陷主要威胁农田及民宅，对农田的危害主要表现在两方面：一是因地裂缝引起水土流失，土壤沙化导致土壤肥力下降，使作物减产；二是因塌陷引起农田积水，因而丧失耕作条件。
地裂缝及地面塌陷对建筑及人员的危害主要表现在水平拉裂和垂直剪切变形过程中，引起其上的建筑物产生倾斜、不均匀沉降而发生倒塌，进而对内部人员造成人身伤害。
3地面塌陷、地裂缝的预测
引起该区域内发生地面塌陷及地裂缝的主因为地下浅层采空区的存在，因此探明采空区规模是预测地面塌陷、地裂缝的基础工作；通过分析采空区岩土体特征值，通过经验公式计算，可以定量计算地表变形特征值，从而预测地面塌陷、地裂缝发生的可能性。
3.1采空区勘查
大多数情况下地下，巷道位置规模资料无法掌握，一般采用高密度电阻率法、探地雷达等物探方法，判断测线位置下是否存在空洞或异常。在圈定范围内再加以钻探验证，并采集岩土体样本，更准确的查明采空区形态。
3.2变形量计算
3.2.1冒落带的计算公式
h=m/[（k-1）cosα]
式中：h——冒落带的高度，m
α——煤层倾角，度
m——采出煤层厚度，m
k——岩石碎胀系数。
3.2.2裂隙带计算公式
H=[100∑m/（1.2∑m+2.0）]±8.9
式中： H——裂隙带宽度，m
m——采煤层厚度，m
3.2.3地表最大下沉量计算公式
W0=mq
式中：w0——最大下沉量，m
m——采出煤层厚度，m
q——下沉系数，与岩性、开采方式有关，一般取下沉系数为0.39。
3.2.4地表最大倾斜计算公式
i0= w0/r= w0/（L/tgβ）
式中：i0——地表最大倾斜值，mm/m
L——采深，m
β——移动角，根据岩性，本地区取β=75°。
3.2.5地表最大曲率计算公式
k0=±1.25 w0/r2=±1.25 w0/（L/tgβ）2
式中： k0——地表最大曲率（mm/m2）
3.2.6最大水平移动值计算公式
U0=bw0（mm）
式中：U0—地表最大水平移动值，mm
b—水平移动系数，取值0.3（见沉陷工程学）。
3.2.7最大水平变形值计算公式
ε0=±1.52bw0/r=±1.52bw0（L/tgβ）（mm/m）
3.3稳定性分析
采矿经验认为，在采深与采厚比小于40（即H/M<40）的情况下，煤采出一定面积后，会引起岩层移动并波及到地表，其地表变形和沉陷在时间和空间上都有明显的不连续特征，采空塌陷区上方的地表带形成较大的裂缝和塌陷坑。该区域内采空区采深采厚比大多小于40，因此地表形成裂缝和塌陷坑的可能性较大。
参考文献
[1] 河北省抚宁县1：5万地质灾害详细调查报告 苏凯 2013.6.
[关键词]地面塌陷 地裂缝 采空区
[中图分类号] F407.1 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2014）-6-280-2
2012年通过进行抚宁县1：5万地质灾害详细调查，查明以石门寨镇为中心、北至驻操营镇南部、南至杜庄镇北部的14.56km2带状区域内存在地面塌陷9处，地裂缝5处，为地质灾害高易发区。经过详细调查，地面塌陷和地裂缝为煤矿采空区巷道顶板冒落引起地表下陷和沉降形成，造成地表建筑物墙体开裂，农田作物死亡、无法耕种，严重影响了附近村民的生产和生活，直接威胁周边村民的生命财产安全。
1地面塌陷和地裂缝的分布、成因
1.1地面塌陷、地裂缝分布
从上图可以看出，该区域内地面塌陷和地裂缝交替伴生分布，多为1995年-2000年发生，其中多已填埋治理，少数仍在发展。
1.2地面塌陷、地裂缝成因
该区域内为南北延伸向斜构造，存在侏罗纪及石炭、二叠纪双纪煤田，分布煤层较多，近年开采强度较大，加之浅层私采，在纵深向形成叠加采空区，采空区顶板及四壁在内外部条件影响下引起变形，引发地表塌陷及裂缝产生。
1.2.1地裂缝和地面塌陷形成的岩土体内部条件
采空区引发地裂缝和地面塌陷的岩土体内部条件为地下空洞的存在，空洞的顶底板和侧壁在周围岩压的作用下极易发生应力集中，而处于稳定性很差的状态，一旦受到外力干扰，即引发塌落。
1.2.2地裂缝和地面塌陷形成的岩土体外部条件
大气降水、河流汛期洪水侧向倒灌和地震均加剧洞顶覆岩破裂位移，引发地裂縫和地面塌陷。长历时、大强度降雨时洞顶覆岩含水层迅速增大，自重加大，形成较大动水压力，引发洞顶坍塌。汛期河流水位急剧上升下降导致近岸地下水位跟随急剧上升下降，引起洞顶覆盖层浮托力大小急剧变化，引发冒落变形。地震震动直接加剧洞顶及洞壁裂隙扩大引发冒落破坏。
通过调查，该区域内地面塌陷坑、地裂缝尺寸规模较小，初步推测现有地面塌陷和地裂缝产生的为局部浅层采空区顶板冒落引起。
2地裂缝和地面塌陷变形破坏机制
2.1采空区顶板岩土体变形的垂直分带
煤层开采后，顶板岩土体的移动变形因岩土体性质和开采条件不同，变形的表现形式、分布状态和程度亦不相同，一般而论，当空洞埋深与空洞高度之比小于25：1时，洞顶上部就会自下而上形成三个变形特点不同的带，即冒落带、裂隙带和弯曲带。
冒落带：直接位于采空区上方的顶板岩层，在自重及上覆岩层重力作用下，移动变形很大，所受应力大大超过本身强度，使岩层断裂破碎塌落，堆积于采空区，已塌落部分称冒落带。
裂隙带：冒落带上部的岩层在重力作用下，移动变形较大，所受应力超过本身强度，岩层产生裂隙或断裂，但尚未塌落，形成裂隙带。
弯曲带：裂隙带上部的岩层在重力作用下，变形较小，所受应力尚未超过其本身强度，未产生裂隙，仅出现连续平缓的变曲变形，称弯曲带。此带岩层的整体性未遭破坏。上述3带的形成主要取决于矿层的赋存条件、开采顶板管理方法以及岩层性质等。采空区由于其大小、几何形状，采掘厚度和矿层埋深的不同。上述3个带不一定同时存在。当采空区埋深较浅时，冒落带可以直达地表，形成地面塌陷。采空区埋深较深时裂隙带可能达到地表，使地表出现裂隙（地裂缝）。采空区埋深很大时，其裂隙带已不能达到地表，此时进地表区多表现为弯曲下沉。
2.2变形特征
冒落带塌落入地下空洞，引起中间层形成裂隙带，裂隙带在外部条件影响下，引起地表层的弯曲带形成地面沉降变形，沉降中心已垂直位移变形为主，即形成塌陷坑（地面塌陷），沉降的边缘以水平位移变形为主，与未变形岩土体发生拉张即形成地裂缝。
根据《矿山开采沉陷学》中的理论，采出厚度与塌陷冒落带及裂隙变形带之间有如下关系：冒落带的高度主要取决于采出厚度和上覆岩石的碎胀系数，通常为采出矿层厚的3～5倍。冒落带和裂隙带合称两带，两带高度与岩性有关，一般情况下软弱岩石形成的两带高度为采厚的9～12倍，中硬岩石为采厚的12～18倍，坚硬岩石为采厚的18～28倍。
2.3破坏机制
地裂缝及地面塌陷主要威胁农田及民宅，对农田的危害主要表现在两方面：一是因地裂缝引起水土流失，土壤沙化导致土壤肥力下降，使作物减产；二是因塌陷引起农田积水，因而丧失耕作条件。
地裂缝及地面塌陷对建筑及人员的危害主要表现在水平拉裂和垂直剪切变形过程中，引起其上的建筑物产生倾斜、不均匀沉降而发生倒塌，进而对内部人员造成人身伤害。
3地面塌陷、地裂缝的预测
引起该区域内发生地面塌陷及地裂缝的主因为地下浅层采空区的存在，因此探明采空区规模是预测地面塌陷、地裂缝的基础工作；通过分析采空区岩土体特征值，通过经验公式计算，可以定量计算地表变形特征值，从而预测地面塌陷、地裂缝发生的可能性。
3.1采空区勘查
大多数情况下地下，巷道位置规模资料无法掌握，一般采用高密度电阻率法、探地雷达等物探方法，判断测线位置下是否存在空洞或异常。在圈定范围内再加以钻探验证，并采集岩土体样本，更准确的查明采空区形态。
3.2变形量计算
3.2.1冒落带的计算公式
h=m/[（k-1）cosα]
式中：h——冒落带的高度，m
α——煤层倾角，度
m——采出煤层厚度，m
k——岩石碎胀系数。
3.2.2裂隙带计算公式
H=[100∑m/（1.2∑m+2.0）]±8.9
式中： H——裂隙带宽度，m
m——采煤层厚度，m
3.2.3地表最大下沉量计算公式
W0=mq
式中：w0——最大下沉量，m
m——采出煤层厚度，m
q——下沉系数，与岩性、开采方式有关，一般取下沉系数为0.39。
3.2.4地表最大倾斜计算公式
i0= w0/r= w0/（L/tgβ）
式中：i0——地表最大倾斜值，mm/m
L——采深，m
β——移动角，根据岩性，本地区取β=75°。
3.2.5地表最大曲率计算公式
k0=±1.25 w0/r2=±1.25 w0/（L/tgβ）2
式中： k0——地表最大曲率（mm/m2）
3.2.6最大水平移动值计算公式
U0=bw0（mm）
式中：U0—地表最大水平移动值，mm
b—水平移动系数，取值0.3（见沉陷工程学）。
3.2.7最大水平变形值计算公式
ε0=±1.52bw0/r=±1.52bw0（L/tgβ）（mm/m）
3.3稳定性分析
采矿经验认为，在采深与采厚比小于40（即H/M<40）的情况下，煤采出一定面积后，会引起岩层移动并波及到地表，其地表变形和沉陷在时间和空间上都有明显的不连续特征，采空塌陷区上方的地表带形成较大的裂缝和塌陷坑。该区域内采空区采深采厚比大多小于40，因此地表形成裂缝和塌陷坑的可能性较大。
参考文献
[1] 河北省抚宁县1：5万地质灾害详细调查报告 苏凯 2013.6.