乌东煤矿位于天山山脉博格达山北麓, 呈山前丘陵剥蚀地貌。区内地势南高北低, 最高海拔934 m, 最低海拔739.2 m, 最大相对高差130 m, 一般高差60 m。矿区属中温带大陆性干旱-半干旱气侯, 冬季长而严寒, 夏季短而炎热, 春季天气多变, 秋季降温迅速。年平均气温6.5℃, 年平均降水量270 mm(主要集中在5— 7月份), 年蒸发量2 090 mm。区内地表水均属内流水系, 自西向东有芦草沟、铁厂沟等季节性河流, 均发源于博格达山北麓, 由南向北流淌, 最终消失于古尔班通古特沙漠。矿区土壤类型以灰漠土和灌溉灰漠土为主。植物种类主要有刺蔷薇、吐尔条、铁杆蒿和黄花苜蓿等。

乌东煤矿的地层属南准噶尔— 北天山地层分区。根据地表露头及钻孔揭露, 自下而上主要发育中生界侏罗系、白垩系下统, 新生界新近系上新统和第四系上更新统、全新统。矿区地处乌鲁木齐山前坳陷东段, 发育有八道湾向斜、七道湾背斜以及与其相伴的走向逆冲断层^[6]。区内含煤地层为中侏罗统西山窑组(J₂x), 煤层共计54层, 总厚度169.80 m; 其中可采煤层25层, 总厚度135.48 m。单层煤层厚度0.62~30.01 m, 以中厚煤层为主, 次为厚煤层和巨厚煤层, 薄煤层较少。八道湾向斜SE翼煤层倾角83° ~89° , NW翼煤层倾角43° ~51° , 均属急倾斜煤层^[7]。

乌东煤矿多年来由采矿活动引发的地质灾害主要有地裂缝和地面塌陷2种类型, 其中地面塌陷按其地表表现形式可分为塌陷漏斗和塌陷带。地质灾害集中发育区主要分布于原碱沟煤矿、大洪沟煤矿和小红沟煤矿采空区上方, 整体呈EW向分布。此外, 原铁厂沟煤矿内主要为地面塌陷漏斗, 其规模相对较小。由于地面塌陷、地裂缝灾害的影响, 矿区内地下含水层遭到较严重破坏, 引发的矿井涌水量较大; 地面塌陷造成区内地形地貌局部遭受了“ 毁灭性” 的破坏, 草地资源破坏严重。总体上, 乌东煤矿灾害影响规模达到小―中型。

近年来, 乌东煤矿针对区内地质灾害采取了积极的防治措施, 主要实施了地面塌陷区和地裂缝综合治理工程。其中, 对原大洪沟煤矿重点地段的地面塌陷区进行了机械回填和平整, 植树种草恢复植被; 对重点区域地裂缝进行了全面黄土回填治理, 取得了较好的成效。

4.1.1 地裂缝

地裂缝是因地面发生形变而形成的地表张性裂隙, 大多呈平行排列或斜列, 具有明显的方向性、长度和宽度, 裂缝两侧地面多发生垂直升降的错位变化。在遥感图像中, 地裂缝显示为长短不一、深色或浅色的色线或条纹, 平行排列或斜列, 往往密集成带。规模较大的地裂缝边界呈锯齿状, 垂直错位陡坎清晰可见, 地裂缝宽度越大则显示得越明显(图3)。

图3

Fig.3

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	图3 乌东煤矿地裂缝遥感影像特征Fig.3 Remote sensing image features of ground cracks in Wudong coal mine

区内规模较大的地裂缝多切割了地形、地貌, 在植被稀疏地区解译效果较好, 在植被稠密地区则识别困难; 限于遥感图像的空间分辨率, 规模很小的地裂缝难以识别。

4.1.2 地面塌陷漏斗

塌陷漏斗呈圆形、椭圆形漏斗状, 一般塌陷半径小于塌陷深度。乌东煤矿地面塌陷漏斗遥感影像见图4。

图4

Fig.4

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	图4 乌东煤矿地面塌陷漏斗遥感影像特征Fig.4 Remote sensing image features of ground subsidence funnel in Wudong coal mine

由图4可知, 乌东煤矿地面塌陷漏斗的遥感影像清晰, 容易识别。煤矿塌陷漏斗有的成群分布, 有的沿煤层走向呈串珠状排列, 构成塌陷漏斗带。在遥感图像中, 塌陷漏斗显示为浅色调的负地形, 圆形、椭圆形轮廓清晰; 多个塌陷漏斗呈串珠状排列, 线性特征明显。

4.1.3 地面塌陷带

乌东煤矿塌陷带呈长条形, 沿煤层走向断续分布, 塌陷带两侧陡坎对称或不对称, 多呈“ V” 形。在遥感图像中, 塌陷带显示为浅色色调异常带; 塌陷形成的陡坎形态清晰, 其向阳一侧色调明亮, 背阴一侧阴影明显, 塌陷带遥感影像解译效果较好(图5)。

图5

Fig.5

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	图5 乌东煤矿地面塌陷带遥感影像特征Fig.5 Remote sensing image features of ground subsidence belt in Wudong coal mine

经遥感解译和野外验证, 在乌东煤矿共发现地裂缝133条(群), 影响面积76.53 hm²; 地面塌陷354个(带), 影响面积113.16 hm²。地质灾害影响的面积共计189.69 hm², 占矿区总面积的9.35%(图6)。

图6

Fig.6

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	图6 乌东煤矿地质灾害分布图Fig.6 Distribution of geological disasters in Wudong coal mine

4.2.1 地面塌陷

乌东煤矿地面塌陷主要分布于原碱沟、大洪沟和小红沟煤矿, 原铁厂沟煤矿地面塌陷状况相对较少。其中, 地面塌陷漏斗330个, 影响面积24.42 hm²; 地面塌陷带共24段, 影响面积88.74 hm²。

1)地面塌陷带。位于矿区南部, 包括2条贯穿矿区的“ V” 形塌陷带, 展布方向NE62° , 两者相距25~100 m。其中, 南“ V” 形塌陷带共12段, 断续延伸约5.34 km; 北“ V” 形塌陷带共12段, 断续延伸约6.04 km。单段塌陷带呈歪斜的“ V” 形, 长150~1 300 m, 顶部宽30~165 m, 落差30~40 m。

2)地面塌陷漏斗带。位于北“ V” 字形塌陷带北侧, 与塌陷带展布方向近乎平行, 两者相距50~150 m。由271个大小不同的塌陷漏斗组成。单个塌陷漏斗SN向稍长、EW向略短, 直径10~30 m, 深度20~50 m, 塌陷漏斗间最近距离3~5 m。此外, 在原铁厂沟煤矿中部也有地面塌陷漏斗分布。塌陷漏斗带共有59处。

乌东煤矿地面塌陷具体分布情况详见表1。

表1

Tab.1

表1(Tab.1)

表1 乌东煤矿地面塌陷分布一览表 Tab.1 Distribution of ground subsidences in Wudong coal mine 原煤矿 地面塌陷漏斗 “ V” 形地面塌陷 数量/个 影响面积/hm2 数量/段 影响面积/hm2 碱沟 168 13.59 15 42.82 小红沟 70 6.15 4 29.84 大洪沟 33 1.49 5 16.08 铁厂沟 59 3.19 — — 合计 330 24.42 24 88.74

表1 乌东煤矿地面塌陷分布一览表 Tab.1 Distribution of ground subsidences in Wudong coal mine

4.2.2 地裂缝

地裂缝主要分布于原大洪沟、小红沟和碱沟煤矿, 原铁厂沟煤矿地裂缝相对较少。地裂缝大多分布在“ V” 形塌陷带两侧各500 m范围内, 走向NE51° ~59° , 呈密集、阶梯状展布。单体地裂缝长30~200 m, 宽0.1~0.5 m, 最大落差2 m左右, 间距一般为0.5~3.3 m。乌东煤矿地裂缝野外验证结果如表2所示。

表2

Tab.2

表2(Tab.2)

表2 乌东煤矿地裂缝野外验证结果 Tab.2 Field verification result of ground cracks in Wudong coal mine 验证点编号 原煤矿 地理坐标 单条地裂缝特征 X Y 走向/(° ) 长度/m 平均宽度/m DHG-DLF28 大洪沟 562 221 4 865 265 NE55 143.2 1.0 XHG-DLF44 小红沟 560 609 4 864 305 NE53 30.7 3.3 JG-DLF21 碱沟 558 514 4 862 601 NE59 87.0 1.0 JG-DLF38 558 611 4 862 487 NE51 112.0 2.0 JG-DLF28 558 610 4 862 575 NE51 196.6 0.4

表2 乌东煤矿地裂缝野外验证结果 Tab.2 Field verification result of ground cracks in Wudong coal mine

综上所述, 乌东煤矿由采矿活动引发的地裂缝和地面塌陷地质灾害的发育规模等级为小―中型。

乌东煤矿含煤地层为中侏罗统西山窑组(J₂x), 划分为上、下2个含煤岩段、4个煤组。Ⅰ 煤组位于上岩段上部, 可采煤层6层, 与Ⅱ 煤组平均间距为65.56 m; 其中20^#~22^#煤为巨厚煤(平均厚度9.84 m), 其他5层均为中厚煤层。Ⅱ 煤组位于上岩段下部, 可采煤层15层, 与Ⅲ 煤组平均间距78.11 m; 其中厚煤层5层、中厚煤层7层、薄煤层3层。Ⅲ 煤组位于下岩段上部, 可采煤层3层, 与Ⅳ 煤组平均间距82.92 m; 其中43-3^#煤为厚煤层(平均厚度为6.27 m), 43-1^#和43-2^#煤为巨厚煤层(平均厚度分别为11.42 m和20.25 m), 俗称“ 北大槽” 。Ⅳ 煤组位于下岩段下部, 可采煤层1层(即45^#煤), 平均厚度30.01 m, 属巨厚煤层, 俗称“ 南大槽” 。

原碱沟煤矿、小红沟煤矿和大洪沟煤矿地处八道湾向斜南翼, 主采煤层为“ 北大槽” 和“ 南大槽” , 煤层倾角83° ~89° , 属急倾斜厚-巨厚煤层。由于煤层开采后采空区均呈条带状, 所以采空区地面塌陷也呈条带状。又因各煤组、煤层间都有一定的间距, 故煤层开采后形成了数个条带状采空区, 最终导致数个地面塌陷带纵贯矿区(图7)。因此, 乌东煤矿煤层赋存的地质特征是导致地质灾害诱发的主导因素。

图7

Fig.7

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	图7 乌东煤矿采空区与地面塌陷关系图(据马利军等[7]资料修编)Fig.7 Relationship between goaf and ground subsidence in Wudong coal mine

乌东煤矿矿界内的地方小煤窑都采用仓储式开采工艺, 沿煤层走向形成多个方格状采空区, 煤层顶板采取自然垮落管理方式, 故地面塌陷均为漏斗状, 并沿煤层走向呈串珠状排列, 构成塌陷漏斗带。原碱沟、小红沟和大洪沟煤矿均采用“ 综采放顶” 开采工艺, 采空区沿开采方向呈条带状展布, 煤层顶板采取人工放顶管理方式, 故地面塌陷亦呈条带状, 并伴有地裂缝发育。因此, 不同的开采工艺及煤层顶板管理方式, 是导致地面灾害发生及影响范围大小的重要因素。不甚合理的采矿工艺及煤层顶板管理方式可能导致更加严重的地质灾害发生。

乌东煤矿各煤层均有伪顶、直接顶、老顶及老底岩(土)体。伪顶岩性一般为泥岩或炭质泥岩, 厚度0.3~3.5 m; 直接顶岩性大部为粉砂岩, 部分为砂质泥岩, 厚度0.6~4 m; 老顶岩性大部为粉砂岩、细砂岩或中砂岩; 老底岩性为泥质细砂岩、中砂岩或砂质泥岩, 厚度1~6 m。伪顶和直接顶的岩(土)体工程稳定性较差, 在目前开采条件下大部分随回采垮落; 老顶岩(土)体厚度大、较坚硬, 工程稳定性虽较好, 但由于煤层陡立, 也易随煤层的垮落而垮落; 只有老底岩(土)体坚硬, 工程稳定性好, 不易垮落。

经实地调查, 乌东煤矿地面塌陷带大体沿煤层底板和伪顶界面发育。由于煤层底板岩层倾向与山坡坡向相同(属顺向坡), 所以不易垮落; 伪顶以上岩层倾向与山坡坡向也相同(亦属顺向坡), 但因伪顶以上岩层已失去支撑, 所以在重力作用下容易垮落, 形成向山坡内侧倾斜的边坡。因此, 矿区内塌陷带均呈不对称的“ V” 形。鉴于矿区内的部分煤层顶板工程稳定性差, 建议应合理布署部分煤层的开采层位与开采强度, 以降低其对地质灾害的影响程度; 并在可能出现地质灾害的地段, 注意加强预防治理工作。

此外, 区内地裂缝都是地面形变初期或伪顶以上岩层垮落时形成的张性裂隙, 因此其走向与“ V” 形塌陷带展布方向基本平行。

综上分析, 乌东煤矿在煤层赋存特征、井田开采工艺及煤层顶板管理方式和煤层顶、底板岩(土)体工程稳定性等3方面因素的影响下, 形成了矿区从S向N依次分布“ V” 形地面塌陷带、地裂缝和地面塌陷漏斗的特有的空间分布特征。上述特征可为地质灾害成因、危害程度和发展趋势分析以及矿区环境恢复治理方案制定等提供依据。