山東某鐵礦區(qū)地面塌陷成因判別及其意義

高宗軍，王慶兵，，段秀銘，吳麗莉

(1.山東科技大學(xué)，山東 青島 266510;2.山東省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，山東 濟(jì)南 250014)

山東某鐵礦區(qū)地面塌陷成因判別及其意義

高宗軍1，王慶兵1，2，段秀銘2，吳麗莉2

(1.山東科技大學(xué)，山東 青島 266510;2.山東省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，山東 濟(jì)南 250014)

山東省濟(jì)南市東郊某在建鐵礦，于2009年7月產(chǎn)生了嚴(yán)重的地面塌陷。通過(guò)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該礦區(qū)地面塌陷并非通常所說(shuō)的采空區(qū)塌陷，而是巖溶地面塌陷。該結(jié)論為礦山地面塌陷防治提供了依據(jù)，更重要的是否定了第四系厚度大(大于35m)不能產(chǎn)生巖溶地面塌陷的已有認(rèn)識(shí)，并預(yù)示隱伏巖溶發(fā)育地區(qū)，隨著上覆松散土體厚度的加大，一旦產(chǎn)生巖溶地面塌陷，其規(guī)模和危害也將隨之增大。

鐵礦;地面塌陷;成因判別;巖溶水排放;山東省濟(jì)南市

1 概述

2009年7月25日上午7點(diǎn)左右始，位于山東省濟(jì)南市東郊的某鐵礦區(qū)，產(chǎn)生了嚴(yán)重的地面塌陷，塌陷活動(dòng)持續(xù)約2個(gè)小時(shí)。形成的塌陷坑呈橢圓形，南北寬約85m，東西長(zhǎng)約95m，深約6.12m(水面以上)，塌陷區(qū)平面面積5866m2，塌陷坑底面積為4528m2。塌陷除了造成工業(yè)廣場(chǎng)內(nèi)停放的拖拉機(jī)及廢棄鐵架等墜入坑內(nèi)及供電電線桿被折斷外，還造成北側(cè)圍墻倒塌24.8m，部分路基受到破壞，沒有人員傷亡。

在這么短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)度、規(guī)模如此巨大的地面塌陷，在該地區(qū)尚屬首次。對(duì)其防治及對(duì)其發(fā)展的預(yù)測(cè)等工作，都需要查明成因，因此開展了環(huán)境地質(zhì)調(diào)查。

鐵礦位于山東省濟(jì)南市東郊，為一中生代燕山期接觸交代(夕卡巖)型鐵礦床。該礦始建于1999年6月，為在建礦山，至 2009年 7月，開拓巷道總長(zhǎng)約620m，建有地下水水倉(cāng)、主井、風(fēng)井和東西盲井。

近十年來(lái)，礦井正常排水量約為300m3/d，最大排水量為600m3/d。通過(guò)排水管道進(jìn)入工業(yè)廣場(chǎng)外的排水溝進(jìn)行排放，排水水質(zhì)渾濁，夾帶泥沙，致使排水溝淤積嚴(yán)重，需要不定期對(duì)排水溝清淤，以保證正常排水。由于清淤不及時(shí)，工業(yè)廣場(chǎng)經(jīng)常出現(xiàn)回水現(xiàn)象。

2 礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境背景

鐵礦區(qū)地處暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均年降水量640.1mm。區(qū)內(nèi)地勢(shì)較平坦，主要分布有奧陶紀(jì)馬家溝組灰?guī)r及第四系松散沉積物，礦區(qū)及附近區(qū)域內(nèi)分布的巖漿巖是濟(jì)南基性巖體的一部分，巖性為輝石閃長(zhǎng)巖，經(jīng)熱液蝕變?yōu)槲g變閃長(zhǎng)巖。第四系(Q)在區(qū)內(nèi)廣泛分布，厚度約為50m，呈二元結(jié)構(gòu)，上部為粘質(zhì)粉土，下部為粉質(zhì)粘土夾礫石。石灰?guī)r隱伏于第四系之下，分布于礦區(qū)的西北、東南部(圖1)。受巖漿巖侵入影響，在與巖漿巖接觸帶附近，一般蝕變?yōu)榘咨粱野咨罄韼r?；?guī)r巖溶發(fā)育，以孔洞和溶隙為主，連通性較好。

調(diào)查得知，礦區(qū)第四系松散巖類孔隙水水位埋深3～4m，單井涌水量為1.215L/s.m。巖溶水單井涌水量為2160～4320m3/d。地下水主要補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水入滲補(bǔ)給及農(nóng)業(yè)灌溉回滲補(bǔ)給，地下水總體流向由東南向西北徑流。人工開采、大氣蒸發(fā)及向下游徑流是主要排泄方式。

3 地面塌陷成因判別

3.1 采空區(qū)塌陷成因分析

3.1.1 地球物理探測(cè)結(jié)果

為了查清礦區(qū)地層分布及巖溶發(fā)育情況，根據(jù)礦體的走向并結(jié)合地面塌陷現(xiàn)狀，采用瞬變電磁法，按垂直、平行礦體走向線和環(huán)繞塌陷坑布置五條剖面，探測(cè)深度為200m。綜合解譯結(jié)果顯示，該場(chǎng)地各測(cè)線探測(cè)范圍內(nèi)淺部第四系分布相對(duì)均勻，但是石灰?guī)r分布區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育強(qiáng)烈;除正常巷道系統(tǒng)外，未見明顯的采空區(qū)分布異常。

3.1.2 礦山井巷工程

根據(jù)礦山生產(chǎn)資料，截止到2009年7月25日，該鐵礦一直處于基建狀態(tài)，礦山采空區(qū)總體積約為9218m3。然而，礦區(qū)塌陷坑總體積為58665.8m3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于采空區(qū)的體積。因而，排除了該鐵礦區(qū)地面塌陷由采空引起的可能性。

3.1.3 地下水水位觀測(cè)對(duì)比結(jié)果

地面塌陷發(fā)生后，及時(shí)進(jìn)行礦區(qū)地下水水位動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)結(jié)果(表1):塌陷坑內(nèi)的水面標(biāo)高為24.82～25.26m，主豎井內(nèi)的水位標(biāo)高為-39.09～-37.99m，副豎井內(nèi)的水位標(biāo)高為-33.91～-32.27m，礦區(qū)西北側(cè)趙仙莊第四系孔隙水水位標(biāo)高為27.8～27.98m，北部冷水溝巖溶水水位標(biāo)高為28.68～28.69m。說(shuō)明①塌陷產(chǎn)生后，礦山主副井水位上升緩慢，且兩者之間未取得水力聯(lián)系，表明采空區(qū)尚未被充填;②區(qū)域巖溶水為承壓狀態(tài)，并高于第四系孔隙水的水位;③更重要的，豎井內(nèi)的水位與塌陷坑內(nèi)水面高差達(dá)到60m左右，礦坑水與塌陷坑水之間未發(fā)生水力聯(lián)系，進(jìn)一步證明地面塌陷非采礦采空區(qū)引起。

3.1.4 礦體及圍巖工程地質(zhì)性質(zhì)

蘇家莊鐵礦為接觸交代式矽卡巖型磁鐵礦礦床，礦體頂、底板主要為閃長(zhǎng)巖，局部礦體頂板為灰?guī)r(大理巖)。礦石體重4.16t/m3，巖石體重2.8 t/m3，松散系數(shù)為1.5，礦石硬度系數(shù)為5，巖石厚度系數(shù)為8～12。按巖石強(qiáng)度分類，閃長(zhǎng)巖、灰?guī)r及大理巖為硬質(zhì)巖石，整體性好，力學(xué)強(qiáng)度高。據(jù)井下現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，礦體及圍巖工程地質(zhì)性質(zhì)較好，礦山巷道從礦層內(nèi)建設(shè)，截面面積僅為2.5m×3.0m，同時(shí)對(duì)軟弱帶及時(shí)進(jìn)行了支護(hù)處理。從礦體及圍巖工程地質(zhì)性質(zhì)，結(jié)合礦層開采截面面積及處理措施分析，地面塌陷由采空塌陷造成的可能性小。

表1 地下水水位對(duì)比特征表Table 1 Characteristics for comparison of the groundwater levels

總之，根據(jù)物探結(jié)果、礦區(qū)井巷工程、地下水水位對(duì)比及礦體及圍巖工程地質(zhì)性質(zhì)等進(jìn)行綜合分析，證明該礦區(qū)地面塌陷由采空引起的可能性是沒有的。

3.2 巖溶地面塌陷成因分析

誘發(fā)巖溶地面塌陷產(chǎn)生的原因有多種，如氣象條件、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、人類活動(dòng)(抽水排水)及其它多種原因。巖溶地面塌陷產(chǎn)生的多因素成因，造成其塌陷的力學(xué)機(jī)制也是多方面的［1-2］，即多種力學(xué)機(jī)制同時(shí)作用或先后作用，或周期性作用，最后導(dǎo)致塌陷的產(chǎn)生。

3.2.1 地質(zhì)環(huán)境條件

(1)地層結(jié)構(gòu)

礦區(qū)及其附近區(qū)域普遍分布第四系松散層，下覆石灰?guī)r或閃長(zhǎng)巖。石灰?guī)r主要分布在礦區(qū)的西北部及東南部(圖1)，與上覆第四系松散層直接接觸。

根據(jù)以往巖溶地貌塌陷資料［3-4］，均一的粘土抗塌性能相對(duì)較好，而二元或多元結(jié)構(gòu)最易產(chǎn)生塌陷。該鐵礦區(qū)覆蓋層土體結(jié)構(gòu)為二元結(jié)構(gòu)(上部為粉質(zhì)粘土，下部粉質(zhì)粘土夾礫石)。因而從蓋層土體結(jié)構(gòu)分析，礦區(qū)存在產(chǎn)生巖溶地面塌陷的地質(zhì)環(huán)境條件。

(2)巖溶發(fā)育程度

礦區(qū)位于濟(jì)南巖體邊緣地帶，受巖漿巖穿插影響，石灰?guī)r多蝕變?yōu)榇罄韼r。根據(jù)《山東省濟(jì)南市保泉供水水文地質(zhì)勘探報(bào)告》，該礦區(qū)及其附近區(qū)域，大理巖的巖溶極為發(fā)育。巖溶以孔洞和溶隙為主，其中孔洞約占50.32%，溶隙約占41.17%，溶孔約占8.51%。調(diào)查發(fā)現(xiàn)礦區(qū)石灰?guī)r巖溶發(fā)育，連通性好，可成為坍塌土體暫時(shí)儲(chǔ)存場(chǎng)所和物質(zhì)轉(zhuǎn)移通道，具備巖溶地面塌陷產(chǎn)生的條件。

(3)松散蓋層力學(xué)性質(zhì)

上覆松散蓋層是巖溶地面塌陷產(chǎn)生的物質(zhì)基礎(chǔ)，其力學(xué)性質(zhì)、含水量與厚度等都是重要的影響因素。

(a)松散蓋層抗剪強(qiáng)度

土體的抗塌力主要由摩擦阻力組成。根據(jù)區(qū)內(nèi)工程勘察資料，粉質(zhì)粘土抗剪強(qiáng)度(C)為 20～17(kPa)，內(nèi)摩擦角(Φ)為 5.8°～18.1°，說(shuō)明蓋層土體抗剪強(qiáng)度低。

(b)松散蓋層含水量

松散蓋層含水量增加，將直接減小其抗塌力、增加致塌力、加大真空吸蝕作用，對(duì)地面塌陷十分有利。主要表現(xiàn)在:

①含水量增高，土體的粘聚力及內(nèi)摩擦角減小，抗剪強(qiáng)度降低，抗塌力降低;

②含水量增加，土體天然容重增加，致塌力增大。

③含水量增高，使土體孔隙中水氣比增加，土體透氣性降低，封閉性增強(qiáng)，有利于形成真空負(fù)壓，增大致塌力(圖2)。

圖2 含水量與真空負(fù)壓關(guān)系圖［5］Fig.2 Relationship between the water content and the vacuum subatmospheric pressure

該礦山礦坑排水過(guò)程中，經(jīng)常發(fā)生礦坑水回流至工業(yè)廣場(chǎng)現(xiàn)象;加之塌陷產(chǎn)生前雨量充沛，松散層地下水水位明顯升高，礦區(qū)范圍內(nèi)松散蓋層土體含水量升高，故對(duì)產(chǎn)生地面塌陷有利。

3.2.2 水動(dòng)力條件

石灰?guī)r裂隙水或裂隙巖溶水是礦床充水的主要來(lái)源，而礦區(qū)內(nèi)隱伏石灰?guī)r為巖漿巖侵入形成的不連續(xù)分布的捕擄體，故巖溶水與周圍地區(qū)巖溶水源地聯(lián)系較差。自1999年6月起，礦山一直進(jìn)行井下疏干性排水，排水量約300m3/d，最大排水量約為600m3/d，造成礦區(qū)范圍區(qū)內(nèi)巖溶水位下降?？菟趲r溶水水位低于石灰?guī)r頂板，豐水期巖溶水水位上升，高于石灰?guī)r頂板，巖溶水水位在石灰?guī)r頂板附近頻繁波動(dòng)，為巖溶塌陷產(chǎn)生創(chuàng)造了動(dòng)力條件。

調(diào)查得知，礦山排水過(guò)程中，經(jīng)常出現(xiàn)渾濁現(xiàn)象，需要不定期對(duì)排水溝進(jìn)行清淤，才能確保礦山排水通暢。據(jù)礦主介紹，在塌陷發(fā)生前一段時(shí)間(約20余天)，地下水渾濁現(xiàn)象明顯提高。說(shuō)明排水過(guò)程中不僅排放了地下水，同時(shí)也在排放著由上覆松散蓋層通過(guò)各種途徑排放到巖溶空洞內(nèi)的泥土。

通過(guò)巖溶地面塌陷的成因分析，認(rèn)為礦山地面塌陷是由于礦山長(zhǎng)期抽排巖溶水引起的巖溶地面塌陷。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

該鐵礦屬于中生代燕山期接觸交代(夕卡巖)型鐵礦床類型，鐵礦位于奧陶紀(jì)石灰?guī)r與燕山期巖漿巖的接觸帶上。奧陶紀(jì)石灰?guī)r巖溶發(fā)育，巖溶水與上覆第四系孔隙水聯(lián)系密切，礦山長(zhǎng)期疏干性排放巖溶水，使得第四系孔隙水不斷補(bǔ)給巖溶水，并伴有泥沙順勢(shì)流入巖溶空隙，并不斷被排至地表，造成第四系空洞形成、蔓延，直至產(chǎn)生地面塌陷。

4.2 意義

通常，巖溶地面塌陷大部分發(fā)生在土層較薄的地區(qū)，尤以小于 15m 的地方為多［3，6］。但是在該鐵礦區(qū)，第四系厚度相對(duì)較厚，約為50m，仍然產(chǎn)生了巖溶地面塌陷，且規(guī)模之大、危害之大十分驚人:近橢圓形地面塌陷長(zhǎng)短軸分別達(dá)到95m和85m，在山東省內(nèi)尚屬首次，應(yīng)該引起高度重視。

該事實(shí)不僅否定了第四系厚度較大(大于35m)不能產(chǎn)生巖溶地面塌陷的既有結(jié)論，同時(shí)也提醒大家，在隱伏巖溶發(fā)育地區(qū)，隨著上覆松散土體厚度的加大，一旦產(chǎn)生巖溶地面塌陷，其規(guī)模將也會(huì)隨之增大;由于土體厚度較大，由產(chǎn)生土洞到發(fā)展到地面塌陷的時(shí)間就較長(zhǎng)，即產(chǎn)生地面塌陷的潛伏期增長(zhǎng)，因此其危害性就更大，這是非?？膳碌?。

4.3 建議

鑒于厚度較大的第四系松散沉積物也可以產(chǎn)生巖溶地面塌陷的事實(shí)，建議今后在巖溶發(fā)育的隱伏灰?guī)r區(qū)，無(wú)論其上覆第四系松散沉積物的厚度有多大，都應(yīng)該進(jìn)行地面塌陷的預(yù)測(cè)研究;在礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)中，也必須重視隱伏灰?guī)r巖溶地面塌陷問題。

［1］高宗軍，張富中，魯峰.山東泰安巖溶地面塌陷前兆及其預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)［J］.中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2004，15(3):149-150.

［2］程星著.巖溶塌陷機(jī)理及其預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)研究［M］.北京:地質(zhì)出版社，2006，10:3-9.

［3］高宗軍.巖溶地面塌陷形成機(jī)理與成因模式研究—以山東泰安—萊蕪為例［J］.中國(guó)工程科學(xué)，2008，10(4):38-43.

［4］高宗軍.泰安巖溶塌陷形成機(jī)理與防治對(duì)策［J］.中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2001，12(4):73-76.

［5］賀可強(qiáng)，王濱，杜汝霖.中國(guó)北方巖溶塌陷［M］，北京:地質(zhì)出版社，2005，11:47-48.

［6］王濱，賀可強(qiáng)，高宗軍.巖溶塌陷發(fā)育的時(shí)空階段性分析［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2001，28(5):24-27.

Causes discrimination of land collapse in a iron mine in Shandong Province and its significance

GAO Zong-jun1，WANG Qing-bing1，2，DUAN Xiu-ming2，Wu Li-li2
(1.Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266510，China;2.Geo-environment Monitoring Station of Shandong Province，Jinan 250014，China)

Severe land collapse happened in a constructing iron mine on July，2009，which is in eastern suburbs of Jinan City，Shandong Province.It is proved by environmental geological survey that the land collapse is not commonly referred as collapse of mined-out area，but karst collapse.The conclusion can provide basis for prevention and control of mine land collapse，and more importantly，it is negative for the existing theory that thick Quaternary(greater than 35m)can not produce Karst collapse，futhermore，it indicates that，in hidden karst area，with the increase of overlying loose soil thickness，once karst land collapse happens，its extent and damage will be even greater.

iron mine;land collapse;causes discrimination;discharge of karst water;Jinan City，Shandong Province

1003-8035(2010)02-0055-04

P642

A

2009-11-09;

2010-03-05

國(guó)家自然科學(xué)基金(40772145)

高宗軍(1964—)，男，教授，主要從事水工環(huán)教學(xué)與研究工作。

E-mail:gaozongjun@126.com