湖北省松宜礦區(qū)地面塌陷成因類型及形成條件分析

蘇 昌，彭正華，張勤麗

（湖北省地質(zhì)環(huán)境總站，湖北 武漢 430034）

0 引言

松宜礦區(qū)為湖北省煤炭主產(chǎn)區(qū)，礦區(qū)總面積130km2，煤炭資源已探明儲量8000×104噸以上，累計已開采6000多萬噸。區(qū)內(nèi)煤炭開采歷史悠久，早在200多年前就有鄉(xiāng)民在此采煤，大規(guī)模機械化煤炭開采始于建國后［1］。礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件復(fù)雜，多數(shù)礦山經(jīng)歷了重復(fù)采動，開采程度高，采空區(qū)廣泛分布，形成了眾多地面塌陷。區(qū)內(nèi)地下水位大幅下降，井泉干枯，堰塘、水庫滲漏嚴(yán)重，導(dǎo)致居民生產(chǎn)生活用水困難。采空區(qū)內(nèi)居民房屋變形日趨嚴(yán)重。針對上述問題，開展了礦區(qū)地面塌陷發(fā)育分布特征及形成條件調(diào)查研究。

1 地質(zhì)環(huán)境條件

松宜礦區(qū)地處鄂西山地東部向江漢平原的過渡地帶［2］，為低山丘陵區(qū)，地勢總體西高東低，南北高中部河谷地帶低；地形起伏較大，溝谷深切段多見高100～400m的陡崖。洛溪河為當(dāng)?shù)刈畹颓治g基準(zhǔn)面。

礦區(qū)位于揚子準(zhǔn)地臺區(qū)西南部長陽復(fù)向斜中的次級仁和坪向斜東端，軸線呈近東西向伸展，向斜軸部為三疊系，兩翼為二疊系至奧陶系組成，向斜主體在五峰縣境內(nèi)仁和坪一帶，南東端在劉家場以西一帶圈閉，為緊密槽狀向斜。北翼巖層產(chǎn)狀180°～220°∠10°～20°，南翼巖層產(chǎn)狀 330°～350°∠20°～40°。礦區(qū)內(nèi)NE、NNE向縱張斷裂發(fā)育。

除缺失白堊系外，區(qū)內(nèi)第四系至志留系均有分布，其中石炭系、二疊系、三疊系碳酸鹽巖地層廣布，約占總面積的80％以上，志留系碎屑巖位于礦區(qū)南北兩側(cè)。

主采煤層為二疊系梁山組（P1l）Ⅱ煤層。該煤層呈似層狀、扁豆體狀產(chǎn)出，局部有尖滅現(xiàn)象或出現(xiàn)不可采地段，厚度變化較大，有變薄和分叉現(xiàn)象，厚度0～7.02m，平均厚1.67m。煤層屬不穩(wěn)定至極不穩(wěn)定之過渡類型。

區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖地層主要有三疊系下統(tǒng)大冶組、二疊系下統(tǒng)棲霞組、茅口組、上統(tǒng)長興組、以及石炭系中統(tǒng)黃龍組灰?guī)r。碳酸鹽巖地層沉積厚度大、巖溶發(fā)育，并形成有四級巖溶臺面，其分布高程分別為750～800m，600～650m，350～400m，150～250m。750～800m為峰頂巖溶臺面殘余；150～250m為現(xiàn)代河流侵蝕基準(zhǔn)面。巖溶形態(tài)主要有溶溝（溶槽）、石脊、巖溶漏斗、巖溶洼地、落水洞、豎井、溶洞等。河谷沿岸多見有巖溶泉（圖1）、溶洞等巖溶形態(tài)發(fā)育，如黑風(fēng)洞、猴子洞、高家洞、三眼泉、龍洞泉等。礦區(qū)巖溶水文地質(zhì)條件復(fù)雜。

煤層多位于最低侵蝕基準(zhǔn)面以下，礦山具有頂、底板同時充水特征，為巖溶充水礦床。礦區(qū)東部的干溝河因鴿子潭煤礦、干溝河、猴子洞煤礦、壇子口煤礦等周邊礦山長期疏排水而干涸，沿河礦井多次出現(xiàn)淹井事故，并最終關(guān)閉，區(qū)內(nèi)主要礦井平均排水量多在1000m3/h以上。

2 地面塌陷形成條件分析

多年大規(guī)模開采，未能采取及時有效的防治措施，致使區(qū)內(nèi)地面塌陷日趨嚴(yán)重，分布有300處地面塌陷（圖2），主要分布在松木坪鎮(zhèn)、劉家場鎮(zhèn)，王家畈鄉(xiāng)次之，均為小型。其中采空塌陷240處，巖溶塌陷60處。

圖1 松宜礦區(qū)巖溶地質(zhì)背景略圖Fig.1 Simplified karst geological map of Songyi mine area

礦區(qū)內(nèi)與采空直接相關(guān)的地面塌陷所伴生的22處地裂縫均發(fā)育在煤層頂板埋深厚度小于300m的二疊系茅口組灰?guī)r地層內(nèi)，并且地裂縫垂向可直達采空區(qū)；而在二疊系上統(tǒng)和三疊系地層區(qū)，煤層埋深普遍大于300m，且中間存在厚約10m的大冶組底部頁巖和吳家坪組硅質(zhì)巖局部相對隔水層的作用，未發(fā)育有直達采空區(qū)的地裂縫。因此，依據(jù)煤層頂板埋深和塌陷類型不同，而將地面塌陷分為淺埋型采空塌陷和深埋型巖溶塌陷（圖2）。這兩類塌陷的發(fā)育可溶巖層位、巖溶發(fā)育特征、塌陷發(fā)展過程、地表形態(tài)及其形成的動力作用等均有明顯不同。

2.1 淺埋型采空塌陷

2.1.1 采空塌陷的發(fā)育分布規(guī)律

淺埋型采空塌陷：特指由于采煤形成采空區(qū)，造成上部厚度較小的煤層直接頂板（煤層頂板埋深小于300m）內(nèi)的巖土層在自重作用下失穩(wěn)而引起的地面塌陷現(xiàn)象。

區(qū)內(nèi)共發(fā)育有采空塌陷240處。其中：宜都市松木坪鎮(zhèn)133處，塌陷坑面積6642.98m2；王家畈鄉(xiāng)23處，塌陷坑面積2124.80m2；松滋市劉家場鎮(zhèn)84處，塌陷坑面積5240.41m2。

采空塌陷坑口多呈圓形、橢圓形和不規(guī)則形，直徑多在1～10m，最大直徑達80m，小者僅0.5m。塌陷規(guī)模最大面積1800m2，長60m，寬30m；最小僅有0.1m2。剖面以筒狀、漏斗狀居多，可見深一般2～10m，少數(shù)深不見底或為后期土石掩埋。地面塌陷坑單體規(guī)模不大，屬小型地面塌陷。

從發(fā)育地層看，采空塌陷主要集中發(fā)育于二疊系下統(tǒng)棲霞組、茅口組地層區(qū)。該地層區(qū)煤層頂板厚度多小于300m，作為梁山組煤層的直接頂板，由于長期無序開采形成大面積采空區(qū)，導(dǎo)致巖體應(yīng)力重新分布和應(yīng)力集中，從而自下而上形成采空冒落帶、導(dǎo)水裂隙帶、地表位移帶，并進一步發(fā)展形成采空塌陷。

從發(fā)育時間看，采空塌陷具有一定的滯后性，受控于采空區(qū)的形成、分布及性狀特征。通常情況下多在煤層采空后1～3年內(nèi)發(fā)生，如原猴子洞礦區(qū)的嬌子嶺一帶的保安煤柱在采空后（2000～2003年間），隨即于2004～2006年間即發(fā)育有數(shù)十個小型采空塌陷，形成嬌子嶺地面塌陷區(qū)。礦區(qū)自20世紀(jì)50年代大規(guī)模開采以來，就陸續(xù)發(fā)育有小規(guī)模零星采空塌陷。自20世紀(jì)70年代初期，區(qū)內(nèi)煤業(yè)開采進入高峰期，大面積采空區(qū)逐步形成，礦區(qū)內(nèi)地面塌陷進入第一個發(fā)育高峰期，在此期間區(qū)內(nèi)即形成有跑馬嶺采空塌陷帶、夏家灣采空塌陷帶等［3］，各地面塌陷初現(xiàn)時間為1972～1979年間。進入2000年后，區(qū)內(nèi)復(fù)采煤礦、泥炭礦、高嶺土礦開始興起，開采過程中不合理的濫采亂挖，大肆開采前期的保安煤柱，地面塌陷進入第二個發(fā)育高峰期，于2004～008年間先后形成了嬌子嶺地面塌陷區(qū)（原猴子洞煤礦區(qū)）、譚家洞地面塌陷區(qū)（原譚家洞煤礦）等數(shù)個塌陷區(qū)，其余各礦山采空區(qū)內(nèi)發(fā)育有零星的采空塌陷。

圖2 松宜礦區(qū)地面塌陷分布圖Fig.2 The distribution map of ground collapse in Songyi mine area

2.1.2 采空塌陷形成條件及控制因素

煤層開采所引發(fā)的塌陷發(fā)展過程、規(guī)模、地表形態(tài)特征與地形條件、地質(zhì)構(gòu)造及頂板巖體結(jié)構(gòu)類型、煤層賦存條件、巖溶發(fā)育特征等礦山地質(zhì)環(huán)境條件及采礦工藝密切相關(guān)，具體分述如下：

（1）地形條件

區(qū)內(nèi)采空塌陷多發(fā)育在地形相對較平緩地帶，坡度多在15°～35°。而在陡坡、陡崖地帶，則常形成危巖體、崩塌和山體開裂變形。

（2）地質(zhì)構(gòu)造及巖體結(jié)構(gòu)特征

構(gòu)造發(fā)育地帶，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體完整性較差，特別是斷裂構(gòu)造部位，巖體完整性差，多呈塊裂或碎裂結(jié)構(gòu)，相同條件下，構(gòu)造發(fā)育部位巖體自穩(wěn)能力較弱，易形成地面塌陷。此外斷裂構(gòu)造發(fā)育部位，特別是導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц浇叵滤畯搅魉俣群皖l度加快，地下水運移加劇了巖體失穩(wěn)變形，如區(qū)內(nèi)SK85、SK86、SK208等3處采空塌陷沿壇子口斷裂呈串珠狀分布，塌陷規(guī)模較其余地帶稍大，坑口直徑4～10m。

（3）煤層賦存條件

區(qū)內(nèi)煤層傾角呈緩傾至中傾。具備工業(yè)開采價值的梁山組Ⅱ?qū)用汉癖〔痪?，最厚處達7.02m，平均厚1.56m。同一礦區(qū)煤層厚度大、埋藏深度淺的采空區(qū)，在地表形成的塌陷規(guī)模和危害程度較大，變形擴展到地表所需時間也相對較短，如夏家灣、跑馬嶺、風(fēng)坡垴等區(qū)域內(nèi)煤層埋藏較淺的地方，采空塌陷發(fā)育的范圍廣，深度大，多以采空塌陷區(qū)的形式集中分布。煤層厚度較均勻且較小，在開采深度較大的采空區(qū)，采空頂板冒落變形發(fā)展到地表所需時間則較長，產(chǎn)生的地面塌陷的可能性較小，危害程度也相對較輕。

（4）巖溶發(fā)育與采空地面塌陷的關(guān)系

作為礦層直接頂板的二疊系下統(tǒng)棲霞組、茅口組，在多期次間歇性隆起過程中發(fā)育多級夷平面，各夷平面間的垂向巖溶形態(tài)較為發(fā)育，據(jù)鉆孔揭露，棲霞組、茅口組遇溶洞率達80％。巖溶發(fā)育的空間分布及地下水的賦存運移為采空塌陷的發(fā)育提供了有利的地質(zhì)條件。這些垂向巖溶裂隙、管道位于采空冒落帶時，可成為碎裂巖體的儲存空間，間接增大了冒落帶的厚度或高度；巖溶裂隙位于導(dǎo)水裂隙帶時，可使得細(xì)小巖溶裂隙快速貫通擴展，加速誘發(fā)采空塌陷的發(fā)生；另外，巖溶裂隙、管道為地下水的快速運移提供了便捷的通道，加速了地面塌陷的發(fā)生。

（5）煤柱的破壞

一方面，由于保安煤柱設(shè)計的承載力低于實際的承載力，或在長期承載過程中因風(fēng)化、地震或其它因素使其承載力降低到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)以下時，礦柱遭到破壞而改變采空區(qū)圍巖穩(wěn)定平衡狀態(tài)，導(dǎo)致采空區(qū)頂板冒落；另一方面，受利益驅(qū)動，后期復(fù)采礦山開采過程中，見煤就挖，大肆開采保安煤柱，頂板采用自然垮塌法進行管理，加速了地面塌陷的發(fā)生。嬌子嶺地面塌陷區(qū)，在下部保安煤柱開采后1年內(nèi)即開始出現(xiàn)地面塌陷坑，后續(xù)出現(xiàn)地裂縫，寬 0.2～2m，長 200～500m，垂直向下直達采區(qū)巷道，致使采空區(qū)內(nèi)6戶居民住房嚴(yán)重變形。

綜上所述，坡度多在15°～35°的緩坡地帶，構(gòu)造、巖溶發(fā)育部位，煤層厚度大、埋藏深度淺的采空區(qū)，是形成采空塌陷的內(nèi)在條件；粗放式的頂板管理和后期無序復(fù)采是造成區(qū)內(nèi)采空塌陷多發(fā)頻發(fā)的主要誘發(fā)因素。

2.2 深埋型巖溶塌陷

2.2.1 巖溶塌陷的發(fā)育分布規(guī)律

深埋型巖溶塌陷系指在煤層埋深相對較大（煤層頂板埋深大于300m）、巖溶洞隙發(fā)育的碳酸鹽巖地層區(qū)，主要受礦坑長期疏排水作用，在地面形成巖溶坑（洞）的一種巖溶水動力作用過程與現(xiàn)象，伴隨有井、泉疏干和巖溶氣爆等現(xiàn)象發(fā)生。

除個別巖溶洞穴頂板坍塌所形成的巖溶塌陷外，區(qū)內(nèi)巖溶塌陷主要發(fā)育在煤層埋深相對較大的三疊系大冶組、二疊系長興組碳酸鹽巖地層區(qū)，其下部為采空區(qū)或疏排水影響區(qū)，因該區(qū)內(nèi)煤層埋深均大于300m，在單一的采空冒落作用下，不至在地表產(chǎn)生大規(guī)模的采空塌陷；礦山長期疏排水形成降落漏斗，地下水位大幅下降，在長期疏排地下水作用下，于巖溶強烈發(fā)育區(qū)所形成的地面塌陷，主要為真空吸蝕成因。通常伴隨有巖溶泉（表層巖溶泉）干枯斷流、地面下沉、建筑物變形等現(xiàn)象。巖溶塌陷主要分布在松木坪鎮(zhèn)楊樹坪、上石板和劉家場鎮(zhèn)柳林沖、石家灣一帶，具有集中分布的特點。

巖溶塌陷比采空塌陷形成的時間要晚，一般在采空區(qū)形成后4～10a內(nèi)發(fā)育，甚至數(shù)十年內(nèi)發(fā)生，如楊樹坪一帶煤層在20世紀(jì)80年中期即被鴿子潭煤礦采空，但區(qū)內(nèi)地面塌陷集中發(fā)育于2000年前后，此時，礦山維持在-100m水平開采，地下水位降幅大于200m，礦井最大涌水量達2100m3/h，在長期大量疏排水作用下在煤層深埋區(qū)形成巖溶塌陷（圖3）。

2.2.2 巖溶塌陷的形成條件及控制因素

（1）巖溶發(fā)育特征

區(qū)內(nèi)發(fā)育有多層巖溶臺面，各臺面間的垂向巖溶洞隙發(fā)育，成為主要的儲水空間和地下水徑流運移的主要通道。巖溶洞隙的空間展布、發(fā)育特征是與地面塌陷存在著密切的垂向?qū)?yīng)關(guān)系。洞隙規(guī)模愈大，塌陷也愈大；洞隙開口愈大，塌陷速度愈快。區(qū)內(nèi)煤層大多位于當(dāng)?shù)刈畹颓治g基準(zhǔn)面以下，深部巖溶形態(tài)發(fā)育加速地下水徑流運移，加快巖溶塌陷的發(fā)生。

（2）煤層采空對巖溶地面塌陷的作用

通常情況下，因下部煤層采空后，在采空冒落作用下，采空冒落帶、導(dǎo)水裂隙帶很難貫入地表，加上中部存在二疊系吳家坪組硅質(zhì)巖、碳質(zhì)頁巖為相對隔水層，產(chǎn)生大規(guī)模地面塌陷的強度和可能性較低，但在適宜的構(gòu)造條件下，導(dǎo)水裂隙帶可抵達吳家坪組地層，并與上部巖溶強烈發(fā)育的二疊系長興組、三疊系大冶組地層的地下水構(gòu)成統(tǒng)一的水力聯(lián)系，加速地下水的徑流運移。

（3）巖溶水動力作用

巖溶水的運動是產(chǎn)生巖溶塌陷的主要動力因素，主要體現(xiàn)在礦坑疏排水形成降落漏斗、強降水入滲補給等共同作用，可導(dǎo)致區(qū)內(nèi)地下水位大幅升降變化和巖溶水動力條件發(fā)生明顯變化。未采礦前，區(qū)內(nèi)地下水從垂向上可分為三疊系（T）、二疊系上統(tǒng)（P2）、二疊系下統(tǒng)（P1）三個碳酸鹽巖含水系統(tǒng)，在二疊系底部下部梁山組（P1l）煤層開采過程中，在構(gòu)造、采空冒落及長期疏排水作用下，于巖體完整性差的薄弱地帶，上述三個含水系統(tǒng)逐步貫通，構(gòu)成統(tǒng)一的水力聯(lián)系，導(dǎo)致上部三疊系、二疊系上統(tǒng)碳酸鹽巖巖溶水向礦井徑流，上部含水層中的巖溶泉（表層巖溶泉）流量逐步衰減，甚至干枯斷流。長此以往，地下水徑流加強，徑流通道在長期溶蝕、機械潛蝕作用下，逐步擴張，徑流通暢，流速加快，巖溶水也逐步向集中管道狀或分散網(wǎng)絡(luò)狀徑流發(fā)展。地下水位大幅降低，地下水的滲透潛蝕作用、巖溶地下水位變化引起巖溶洞隙空間內(nèi)正負(fù)壓力作用、地下水的侵蝕和搬運作用等多個方面逐步加強，并在上述幾個方面綜合作用下，最終于煤層深埋區(qū)形成以真空吸蝕為主要成因的巖溶塌陷，在楊樹坪、柳林沖等三疊系地層分布區(qū)時常伴隨有巖溶氣爆等現(xiàn)象產(chǎn)生。

圖3 松宜礦區(qū)地下水埋深及降落漏斗平面示意圖Fig.3 Distribution of dewatering funnels and depth of groundwater table in Songyi mine area

表1 松宜礦區(qū)地面塌陷危險性和穩(wěn)定性分類統(tǒng)計表Table 1 Risk and stability classification of ground collapses in Songyi mine area

3 地面塌陷穩(wěn)定性及危險性評價

依據(jù)《縣（市）地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與區(qū)劃基本要求》中關(guān)于地面塌陷穩(wěn)定性分級標(biāo)準(zhǔn)，區(qū)內(nèi)地面塌陷多數(shù)穩(wěn)定性差（表1），其中穩(wěn)定性差或較差的地面塌陷合計284處，占總數(shù)的94.66％。地面塌陷直接威脅4670人的生命財產(chǎn)安全，直接威脅財產(chǎn)達13866×104元。

綜合地面塌陷成因、發(fā)育規(guī)律、時空分布特征，礦山開采情況和地質(zhì)環(huán)境條件等相關(guān)因素，劃出柳林沖、淹水淌、燈盞窩、石家灣、譚家洞、楊樹坪、跑馬嶺、風(fēng)坡垴、上石板、夏家灣、榨樹灣、嬌子嶺等12個地面塌陷集中分布區(qū)（圖2）。區(qū)內(nèi)集中了礦區(qū)絕大多數(shù)地面塌陷，并伴生有地裂縫、泉點流量衰減及斷流、房屋開裂變形等，礦山歷史遺留問題多，礦地矛盾突出，嚴(yán)重區(qū)內(nèi)經(jīng)濟發(fā)展和社會穩(wěn)定；同時，這些地面塌陷區(qū)也是后期松宜礦山地質(zhì)環(huán)境綜合治理的主要區(qū)域。

4 結(jié)論與建議

（1）由于特殊的地質(zhì)背景條件和高強度的采煤活動，松宜礦區(qū)的地面塌陷按成因可分為淺埋型采空塌陷和深埋型巖溶塌陷，并且分別受巖溶發(fā)育和采煤活動的影響。

（2）采空塌陷主要位于緩坡地帶，構(gòu)造、巖溶發(fā)育部位；煤層厚度大、埋藏深度淺的采空區(qū)是形成采空塌陷的內(nèi)在條件；粗放式的頂板管理和后期無序復(fù)采是造成區(qū)內(nèi)采空塌陷多發(fā)頻發(fā)的主要誘發(fā)因素。

（3）巖溶塌陷主要位于三疊系、二疊系上統(tǒng)巖溶發(fā)育的碳酸鹽巖地層區(qū)，受采礦疏排水作用，區(qū)內(nèi)地下水位大幅降低，地下水的滲透潛蝕作用、巖溶地下水位變化引起巖溶洞隙空間內(nèi)正負(fù)壓力作用、地下水的侵蝕和搬運作用等多個方面逐步加強；與采空冒落長期共同作用下，最終于煤層深埋區(qū)形成以真空吸蝕為主要成因的巖溶塌陷。

（4）加強地面塌陷區(qū)建筑物、地面變形監(jiān)測，逐步建立群專結(jié)合的地面沉陷區(qū)位移變形監(jiān)測網(wǎng)。

（5）在采礦過程中控制地下水位下降速度，防止突然涌水，以減少塌陷的發(fā)生。

（6）對于受地面塌陷作用而導(dǎo)致房屋嚴(yán)重變形的居民進行搬遷，對輕微至中等變形房屋進行整修加固處理。

（7）對重大地面塌陷進行工程治理。截排地面塌陷區(qū)周圍的地表水。采用漿砌塊石對干溝河河道進行防護，防止河水進入地下，以減少地面塌陷的發(fā)生。對于相對較淺的塌陷坑采用清除填堵法，重要地段進行灌漿處理。本著在自然條件及土地類型允許的前提下，陷坑回填時首先恢復(fù)為農(nóng)業(yè)用地。

［1］松宜礦務(wù)局.松宜煤炭志［R］.1995.SONG Yi coalmining administration.SongYi coal annals［R］.1995.

［2］蘇昌，陳海洋.湖北省松宜礦區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境安全調(diào)查評價報告［R］.湖北省水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊，2009.SU Chang，CHEN Haiyan.Mining geology environment safety investigation appraise ment in Songyi mine area，Hubei Province［R］.Hydrological and Engineering Geological Institute of Hubei Province，2009.

［3］湖北省地礦局鄂西地質(zhì)大隊，湖北省地礦局第二地質(zhì)大隊.鄂西山區(qū)礦產(chǎn)開發(fā)環(huán)境地質(zhì)評價預(yù)測報告［R］.1991.Exi geological unit of Bureau of Geological＆Development of Hubei Province，the second geological unit of Bureau of Geological＆Development of Hubei Province Report of Enviorn mental Geology Appraise and Estimation of Minerals Development in the West of Hubei［R］.1991.