淮南煤礦區(qū)巖溶塌陷現(xiàn)狀及形成條件分析

高錫擎 王來斌 許光泉 沈金山

（安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽省淮南市，232001）

淮南煤礦區(qū)巖溶塌陷現(xiàn)狀及形成條件分析

高錫擎 王來斌 許光泉 沈金山

（安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽省淮南市，232001）

以淮南礦區(qū)為例，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)條件，介紹了礦區(qū)巖溶塌陷現(xiàn)狀，并對(duì)巖溶塌陷形成條件進(jìn)行分析，結(jié)果表明，覆蓋層特征、巖溶發(fā)育程度、地下水等對(duì)巖溶塌陷的產(chǎn)生有著重要的影響。

淮南礦區(qū) 巖溶塌陷

巖溶塌陷是指可溶巖洞隙上方的巖、土體在自然或人為因素作用下發(fā)生變形破壞，并在地面形成塌陷坑的一種巖溶動(dòng)力作用與現(xiàn)象。我國(guó)可溶巖分布面積363萬km2，全國(guó)有22個(gè)省區(qū)發(fā)生過巖溶塌陷災(zāi)害，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響。

淮南礦區(qū)主要環(huán)境地質(zhì)問題有：地面變形、地面沉降、采礦塌陷、巖溶塌陷、礦井災(zāi)害、井筒破裂、地下水資源枯竭、粉煤灰、煤矸石堆占地及其對(duì)環(huán)境的影響等。本文主要研究淮南礦區(qū)巖溶塌陷現(xiàn)狀及成因。淮南礦區(qū)大部分地面塌陷是巖溶塌陷，約占塌陷總數(shù)的96.7%。巖溶塌陷的成因不外乎潛蝕、真空吸蝕、液化等幾種。實(shí)踐證明，在眾多的成因機(jī)制中，幾乎無一沒有地下水運(yùn)動(dòng)的參與。地下水的活動(dòng)是巖溶塌陷產(chǎn)生的最重要誘因?；茨系V區(qū)的巖溶塌陷也是由于地下水位的大幅度下降導(dǎo)致巖溶腔中形成巖溶真空而產(chǎn)生的。

1 地質(zhì)環(huán)境背景

淮南礦區(qū)煤層頂?shù)装鍘r性主要為石灰?guī)r、砂巖和泥質(zhì)巖等，其上為松散層覆蓋。松散層厚度由南東至北西變厚，淮河以南較?。ɑ茨蠔|部平均45.92m），淮河以北比較厚（如潘集區(qū)為120～480m），松散層總體厚度變化較大，由山前的十幾米到山間、平原的幾十至幾百米不等。第四系松散層主要由砂、粉土、粉質(zhì)粘土和粘土組成，其間夾有砂礫石層透鏡體。地下水可分為淺部孔隙潛水和中深部孔隙承壓水兩種，各含水組之間由幾十米厚的粘土層分割，一般不具有水力聯(lián)系。潛水位埋深1～2m左右，含水層主要為沖積、洪積的砂夾粘土層，地下水活動(dòng)動(dòng)態(tài)隨季節(jié)性變化顯著，單井流量為100～500m3／d，滲透系數(shù)為1～3m／d，淮河附近大于3m／d；下部承壓含水層層位穩(wěn)定，但因地下水開采和坑井疏干，區(qū)內(nèi)水位差異變化較大。

2 淮南礦區(qū)巖溶塌陷區(qū)現(xiàn)狀

淮南礦區(qū)是我國(guó)主要煤炭能源基地之一，介于南北方的巖溶水類型礦區(qū)。長(zhǎng)期疏水降壓開采導(dǎo)致地下水位大幅度下降，引起巖溶地面塌陷（本文所論述的巖溶地面塌陷乃是巖溶地面突然或緩慢產(chǎn)生的塌洞坑、開裂、沉陷等地面變形破壞等現(xiàn)象的統(tǒng)稱，簡(jiǎn)稱塌陷），采礦至今，淮南煤田已有8個(gè)地區(qū)（礦），如九龍崗、大通、李郢孜、謝家集、土壩孜、李嘴孜、張集和孔集等均發(fā)生過不同程度的塌陷（見圖1），破壞了農(nóng)田，影響了工農(nóng)關(guān)系正常發(fā)展，威脅公路、鐵路正常運(yùn)行和城鄉(xiāng)人民生命財(cái)產(chǎn)的安全。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，淮南礦區(qū)目前的巖溶水供水和礦井水排水已達(dá)10萬m3／d，數(shù)十年來已形成約59km2的降落漏斗區(qū)，其形態(tài)與沉降區(qū)一致，漏斗中心最深水位標(biāo)高，如李一礦奧陶系灰?guī)r水位－148.71m，謝一礦石炭系灰?guī)r水位－129.22m，新莊孜礦寒武系灰?guī)r水位已降低到－90.0m以下，造成八公山地區(qū)地下水資源枯竭，原有的20多處泉水干枯。

經(jīng)野外塌陷調(diào)查表明，東部舜耕山田東的大通礦（已報(bào)廢）和九龍崗礦（已報(bào)廢），中部八公山的李二礦、謝一礦、謝三礦，以及西部二道河的孔集礦、張集礦都已產(chǎn)生過因水位下降引起的塌陷現(xiàn)象。對(duì)該4個(gè)地區(qū)各礦塌陷事實(shí)的調(diào)查研究表明：

（1）淮南整個(gè)礦區(qū)具備巖溶塌陷的特定地質(zhì)條件?；茨系V區(qū)巖溶塌區(qū)溶巖蓋層巖性及物理力學(xué)性質(zhì)見表1。從表1可以看出，巖溶、裂隙發(fā)育多為口型且朝向地面分布；巖溶表面具有區(qū)域性分布的殘積粘土或亞粘土層；物理性質(zhì)和力學(xué)強(qiáng)度均良好，成為巖溶的良好隔水層，對(duì)巖溶起著相對(duì)密封作用；巖溶、裂隙內(nèi)賦存著地下水，其動(dòng)力條件在采礦的影響下常發(fā)生較大的改變，構(gòu)成了塌陷形成的外因。

（2）地下水位的大幅度下降導(dǎo)致巖溶腔中形成巖溶真空，從而產(chǎn)生巖溶塌陷。這是引起巖溶塌陷主要成因之一。觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)淮南礦區(qū)巖溶地區(qū)廣泛地出現(xiàn)了地下水位下降，在巖溶腔內(nèi)出現(xiàn)了巖溶真空現(xiàn)象，巖溶腔內(nèi)的壓強(qiáng)隨著地下水位下降速度的增大而增大，見圖2，表明巖溶真空現(xiàn)象與礦區(qū)疏水降壓關(guān)系極為密切。

（3）淮南礦區(qū)巖溶塌陷類型是我國(guó)巖溶礦區(qū)塌陷最典型最齊全的礦區(qū)。例如，有倒轉(zhuǎn)地層、急傾斜地層和正常平緩地層巖溶塌陷；有厚層的奧陶系、中厚層的寒武系和煤系地層中薄層灰?guī)r的塌陷；有井下放水試驗(yàn)、礦井突水、地面供水抽水和長(zhǎng)期采礦疏水降壓等引起的巖溶塌陷；塌陷形狀有垂直向上狀、漏斗狀、罐狀和碟狀等，在平面上有呈圓形、橢圓形、條狀和呈串球狀等。

圖1 淮南市巖溶塌陷分布區(qū)

表1 淮南礦區(qū)巖溶塌區(qū)巖溶蓋層巖性及其物理力學(xué)性質(zhì)一覽表（部分鉆孔）

圖2 巖溶腔內(nèi)地下水下降速度與腔內(nèi)真空壓強(qiáng)變化曲線

此外，還出現(xiàn)疏水降壓引起地震導(dǎo)致的塌洞、開裂等現(xiàn)象和地表水體塌陷時(shí)產(chǎn)生的旋渦現(xiàn)象等等。

3 巖溶塌陷形成條件分析

巖溶塌陷形成要具備巖溶洞隙、一定厚度巖溶蓋層和地下水活動(dòng)3個(gè)基本條件。巖溶洞隙的存在是塌陷產(chǎn)生的基礎(chǔ)，為塌陷物質(zhì)提供容納場(chǎng)所和運(yùn)移的空間；松散巖類沉積物——土體是其塌陷體的主要組成部分；地下水活動(dòng)是其產(chǎn)生的主要?jiǎng)恿?，地下水水位波?dòng)對(duì)土層、洞隙空間產(chǎn)生多種力學(xué)效應(yīng)和作用，也是常規(guī)的塌陷形成的三要素。

3.1 巖溶洞隙是塌陷產(chǎn)生的基礎(chǔ)

巖溶洞隙大多數(shù)是在漫長(zhǎng)的歷史時(shí)期中形成的，只有在人類活動(dòng)頻繁地區(qū)，強(qiáng)烈的地下水疏排作用使其巖溶洞隙的充填物質(zhì)被水流帶走，為其塌陷提供必要的空間條件。巖溶洞隙的分布和發(fā)育除受可溶巖地層條件影響外，一般主要分布于構(gòu)造斷裂帶和巖溶破碎帶。本區(qū)第四紀(jì)覆蓋層下為隱伏奧陶紀(jì)馬家溝組地層，這是區(qū)內(nèi)巖溶最為發(fā)育的地層。根據(jù)區(qū)域地層資料：淮南地區(qū)奧陶紀(jì)馬家溝組灰?guī)r淺埋區(qū)巖溶最為發(fā)育。根據(jù)鳳臺(tái)縣城啤酒廠鉆孔資料驗(yàn)證，58～104m之間有溶洞，其中孔隙88m和93m處存在掉鉆現(xiàn)象，70～100m巖心破碎為構(gòu)造破碎帶。此外，根據(jù)八里塘煤礦礦區(qū)地形地質(zhì)圖資料表明，八里塘煤礦的鳳臺(tái)陸塘斷層為區(qū)內(nèi)深大斷裂，傾角30～60°，斷層長(zhǎng)達(dá)1000m，TX1巖溶塌陷坑僅距該斷層直線距離650m，正好位于構(gòu)造發(fā)育影響帶內(nèi)。

由此可見，該地區(qū)淺部巖溶發(fā)育，地層受鳳臺(tái)—陸塘斷層影響，巖心破碎，這些巖溶洞穴的發(fā)育不單為塌陷物質(zhì)提供必要的儲(chǔ)存空間和運(yùn)移場(chǎng)所，還控制著未來巖溶塌陷的分布，同時(shí)巖溶洞穴開啟程度也是產(chǎn)生塌陷的重要因素，由于本區(qū)段上部鉆孔揭露可見灰?guī)r地層近10m巖心破碎，說明巖溶發(fā)育天窗是接受塌陷物質(zhì)的通道。根據(jù)以往大量實(shí)際資料證實(shí)，大的巖溶洞穴其地表往往形成大的塌陷，小的溶洞形成小的塌陷，裂隙狀溶洞形成條狀塌陷。

3.2 松散巖體蓋層是塌體的主要組成部分

巖溶塌陷體的物質(zhì)可以是各類可溶巖或第四紀(jì)松散巖類沉積物，本區(qū)第四紀(jì)松散巖類沉積物為塌坑主要組成物質(zhì)。松散物體一般由亞粘土、砂、碎石粘土等組成，本區(qū)為單層和雙層兩種結(jié)構(gòu)，5.4～8.6m、26.2～33.28m為粘性土層；8.6～26.2 m（單層型）、5.4～14.1m、33.0～37.58m（雙層型）為粉細(xì)砂層。在巖溶地區(qū)由于溶余堆積作用，常以均一粘土和含有碎石的粘土性土為主，在垂直剖面上，正常條件下粘土含水量由上而下逐漸增高，土層由堅(jiān)硬狀態(tài)逐漸過渡為軟塑狀態(tài)，這種軟土在地下水活動(dòng)作用易于流失，從而形成基巖風(fēng)化面上早期的土洞；在基巖層面上常殘留風(fēng)化層，也易在地下水的作用下被帶走而形成巖土接觸面的空洞為塌陷形成創(chuàng)造條件。這種空洞或土洞從形成至地面塌陷有時(shí)可能時(shí)間很短，但總的來講土層地面塌陷都有溶洞—土洞—塌陷的過程，只不過誘發(fā)因素略有差異而已。

該地區(qū)土層厚度一般為30～80m，土層結(jié)構(gòu)對(duì)塌陷形成也有明顯影響。淺埋巖溶松散巖類覆蓋地區(qū)，由于上部土層孔隙含水層與下部溶洞裂隙巖溶含水層其含水特征、水力性質(zhì)、滲透性能等都存在差異，當(dāng)水位降低時(shí)上部孔隙含水層沿下部巖溶裂隙分布的地方，常形成地下水疏干漏斗或含水砂層，隨著水位下降流入巖溶洞穴，致使改變下層土層力學(xué)性質(zhì)。無論是天然含水量、孔隙比或飽和度，淺層上部指標(biāo)大多數(shù)都高于下部，也說明了由于巖溶疏干致使下部土層失水使得土的力學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)呈正常變化規(guī)律。通過工程物探勘查解譯表明，該地區(qū)土層厚度南部薄、北部厚，厚度在30～80m之間。雖然該地區(qū)土層雖然較厚，但發(fā)育了單層或雙層巨厚含水砂層，在古巖溶地質(zhì)條件作用下還是存在塌陷條件。

3.3 地下水活動(dòng)是塌陷產(chǎn)生的主要?jiǎng)恿?/h3>

地下水位下降改變了原有的地下水動(dòng)力條件，從而破壞了上覆土層的力學(xué)平衡，上覆土體骨架隨承受的有效壓力增大地下水流速和坡降增大，與第四紀(jì)水力聯(lián)系密切地段，上覆土層及巖溶通道中的充填物受到水流的沖刷，疏通和吸蝕、潛蝕及淘空，形成巖溶空間，在地下水升降作用下又可將土層中的流砂層迅速帶走，短時(shí)間迅速產(chǎn)生地面塌陷。

該地區(qū)地下水因人類工程活動(dòng)強(qiáng)烈，地下水位變動(dòng)頻繁活動(dòng)，東西兩地均有地下水開采和礦區(qū)開采疏干迭加影響。東西兩地長(zhǎng)期采煤疏放水和開采地下水對(duì)該地區(qū)地下水位影響極大，在地下水水位下降幅度不大、其巖溶水位在基巖頂部和第四紀(jì)底部時(shí)，僅在基巖侵蝕面附近左右隨季節(jié)性變化而長(zhǎng)期波動(dòng)，地下水潛蝕能力大于搬運(yùn)能力，塌陷物堆積洞頂或洞底，堵塞或削弱了洞體與溶隙或溶洞之間的聯(lián)系，形成相對(duì)孤立的土洞，并能暫時(shí)維持巖土水體之間力學(xué)平衡。當(dāng)?shù)叵滤陆捣冗^大，地下水流速水力坡度也隨之增大，地下水無論其潛蝕和淘空能力均大大加強(qiáng)其搬運(yùn)能力，其土層在水作用下，液化加速對(duì)巖溶通道沖刷作用，土洞與溶洞迅速向上發(fā)展，形成地面塌陷。

4 結(jié)論

（1）淮南礦區(qū)巖溶塌陷類型是我國(guó)巖溶礦區(qū)塌陷最典型最齊全的礦區(qū)，從塌陷類型，塌陷地層，塌陷成因上來說都具有代表性。

（2）地下水及其活動(dòng)是巖溶塌陷產(chǎn)生的重要條件。它既可以產(chǎn)生溶蝕、侵蝕作用，也可以對(duì)覆蓋層土體產(chǎn)生充數(shù)、潛蝕和搬運(yùn)作用，改變上覆土體的物理力學(xué)性質(zhì)，使其抗剪強(qiáng)度降低，從而加速了土洞及巖溶塌陷的形成，此外由于地下水活動(dòng)產(chǎn)生的真空吸蝕作用同樣加速塌陷的形成。

（3）該區(qū)的采礦等工程活動(dòng)頻繁，一定程度上對(duì)地下水活動(dòng)產(chǎn)生影響，使溶洞原有靜力平衡條件改變、增大致塌力、減小抗塌力，加速巖溶塌陷的發(fā)生。

（4）巖溶塌陷是淮南礦區(qū)目前存在的環(huán)境地質(zhì)問題之一，本文研究了礦區(qū)巖溶塌陷現(xiàn)狀為以后治理塌陷提供一定參考。

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Research on present situation and forming conditions of Karst collapse in Huainan mining area

Gao Xiqing，Wang Laibin，Xu Guangquan，Shen Jinshan
（College of Earth and Environment，Anhui University of Science and Technology，Huainan，Anhui 232001，China）

Taking Huainan mining area for an example，the present situation of Karst collapse was introduced and its forming conditions were analyzed on the basis of regional geological conditions.It is indicated that the formation of Karst collapse was greatly influenced by characteristics of overburden layer，development degree of karst and activities of groundwater.

Huainan mining area，Karst collapse

P642

A

高錫擎（1986－），男，山東濟(jì)寧人，安徽理工大學(xué)地質(zhì)工程專業(yè)在讀研究生。

（責(zé)任編輯 張艷華）