許昌武莊鐵礦區(qū)地面塌陷形成機理研究

高志儉，梁坤祥，謝山立，袁廣祥

（1河南省地礦建設工程（集團）有限公司，鄭州 450007；2華北水利水電大學，鄭州 450011）

1 引言

地面塌陷是一種突發(fā)性地質(zhì)災害，分為巖溶塌陷、采空塌陷及黃土濕陷三種類型［1]。近年來隨著國家基礎建設的高速發(fā)展，礦產(chǎn)資源需求迅猛增加，礦山開采規(guī)模越來越大，礦山開采引發(fā)的地面塌陷越來越多，造成的地質(zhì)災害和經(jīng)濟損失日趨嚴重［2]。如大冶鐵礦東露天采場獅子山已形成長300 m，寬50～120 m，深20～35 m 的塌陷坑［3]；福建省安溪縣劍斗地區(qū)發(fā)生的多處地面塌陷均與地下開采活動有關，其中2002年6月的地面塌陷造成10人死亡［4]。1950～2005年，全國由采礦引起的地面塌陷5 416處，影響面積2 511.01 k m2，經(jīng)濟損失40億余元，死亡535人［5]。河南省152個主要礦山企業(yè)中，地面塌陷有252處，累計塌陷面積43 177.44 h m2，威脅或危害近20萬人，直接經(jīng)濟損失超過11億元［6]，如焦作市區(qū)因采空引起地面塌陷19處［7]；平頂山采空區(qū)地面塌陷185.4 k m2，影響土地1 739.9 h m2［8]。

2013年3月31日下午13時，河南省許昌縣蘇橋鎮(zhèn)武莊村一村民家院內(nèi)發(fā)生地面塌陷，造成居民4間房屋塌陷，一人遇難。初始形成的塌陷坑直徑約3 m，由于周邊土體不斷掉入坑內(nèi)，使坑中水出現(xiàn)波動現(xiàn)象，之后塌陷坑逐漸擴大。逐漸形成的塌陷坑近似橢圓形（圖1），長軸長26 m、短軸長23 m、深度17.6 m。4月3日監(jiān)測塌陷坑內(nèi)水位距地面4.5 m，4月10日監(jiān)測塌陷坑內(nèi)水位距地面5.6 m，水位呈下降趨勢。

2 地質(zhì)環(huán)境條件

2.1 地形地貌

塌陷區(qū)位于許昌縣和長葛市交界處的武莊鐵礦范圍內(nèi)，屬黃淮沖積平原，地勢平坦，地貌單一。地面標高＋86 m～＋91 m，最大高差為5 m，河流最深切割4 m。

圖1 許昌武莊地面塌陷形成的塌陷坑（鏡像W）Fig.1 Ground subsidence pit

2.2 地層巖性

武莊鐵礦區(qū)地層有新生界、太古宇登封群及古生界寒武系一套地層。

新生界包括新近系和第四系，在區(qū)內(nèi)廣泛分布。第四系（Q）為巨厚松散沉積層，厚度50～400 m左右，上部為亞粘土、亞砂土及少量的卵礫石組成的冰水、沖洪積及坡積物，下部為砂礫石、中粗砂、細砂、粉細砂、粉砂、亞砂土、亞粘土及粘土組成的冰磧及冰水沉積物。新近系（N）由粉細砂巖、中粗砂巖，含礫中粗砂巖泥質(zhì)組成，厚度38.60～59.36 m。

基底巖層為寒武系灰?guī)r及太古宇變質(zhì)巖（圖2）。寒武紀地層包括中統(tǒng)（∈2）的毛莊組、徐莊組灰?guī)r和下統(tǒng)（∈1）的辛集組、饅頭組灰?guī)r，分布在塌陷區(qū)外圍。太古宇登封群地層包括花楊組（Ar2h）和武莊組（Ar2w）?；罱M（Ar2h）以斜長角閃片巖或斜長角閃巖為主，厚度大于313 m。武莊組上段（Ar2w2）為區(qū)內(nèi)主要含礦巖段，以黑云角閃（或角閃黑云）斜長變粒巖和黑云斜長變粒巖為主，厚13.74～206.02 m；武莊組下段（Ar2w1）上部以斜長角閃片巖或斜長角閃巖為主，下部以角閃斜長變粒巖、黑云斜長變粒巖為主，全段厚176～311.80 m。

圖2 礦區(qū)地質(zhì)剖面圖Fig.2 Sectional view of the mining area

2.3 地質(zhì)構造

大地構造上，武莊鐵礦位于華北地臺二級構造單元豫西斷塊與華北拗陷的鄰接部位，三級構造單元的嵩箕臺隆東部傾伏端，地質(zhì)構造復雜。與武莊鐵礦礦床有關的構造主要是近南北向草廟張背斜和北東向斷裂構造。

2.4 水文地質(zhì)條件

區(qū)內(nèi)地下水可分為新生界松散孔隙水 （In）、寒武系灰?guī)r巖溶裂隙水 （Ⅱh）和太古宇變質(zhì)巖裂隙水（Ⅲ）（圖2），各層之間的水力聯(lián)系差。礦床內(nèi)地下水主要補給方式為大氣降水，其次是季節(jié)性河流的入滲補給和泉水補給。礦區(qū)范圍內(nèi)地下水以巨厚松散孔隙潛水為主，水量較大。其次為寒武系巖溶裂隙水和變質(zhì)巖系的裂隙水，水量相對較小，礦床內(nèi)斷層發(fā)育，礦床水文地質(zhì)條件屬中等類型。

3 地面塌陷區(qū)異?，F(xiàn)象

3.1 巷道坍塌

地面塌陷處于武莊鐵礦范圍內(nèi)，根據(jù)礦方提供的圖紙及相關資料對巷道進行了實地踏勘及精確測量，在武莊村地表塌陷坑垂向?qū)恢茫兀?50 m中段巷道東西方向上自副井井口至巷道端頭、南北方向均超過200 m的范圍內(nèi)的巷道進行了逐點檢查。井下－250 m中段巖石破碎，塌方、冒頂、片幫比較嚴重，部分地段超高較大。井下－250 m巷道中段與地面塌陷坑邊緣相對應位置及附近發(fā)現(xiàn)坍塌及巷道堵塞（圖3）。坍塌處巷道內(nèi)多處產(chǎn)生積水現(xiàn)象，且有較深的淤積物，調(diào)查時仍有小股水流在流動。

3.2 水溫異常

－250 m巷道內(nèi)測量太古界地層出水點水溫為53℃，涌水量約0.5 m3／h，此地層溫度異常，此溫度代表此地層地下水溫度，－250 m巷道與地面塌陷坑相對應坍塌處水溫為28℃，與巷道出水點水溫測量溫度相差25℃，此現(xiàn)象說明極有可能此地層水與其他地層水發(fā)生混合，造成此處水溫降低。

3.3 水質(zhì)異常

－200 m水平巷道與－250 m水平巷道水質(zhì)全分析結果顯示（表1）：兩處的水化學類型都為Cl·SO4－Na型水，化學成分相當，兩處水樣為同一地層水。說明－200 m水平與－250 m水平地下水已經(jīng)串通。－250 m水平、－250 m水平坍塌處、地面塌陷坑水質(zhì)分析對比結果見表1。通過水質(zhì)分析對比表知：－250 m水平巷道坍塌處水樣的Mg2＋、HCO－3、Ca2＋、F－、暫時硬度和總堿度數(shù)據(jù)介于－250 m水平巷道其他處水樣和地面塌陷坑水樣數(shù)據(jù)之間，這說明－250 m水平巷道坍塌處水與上部含水層的水出現(xiàn)了相融合。

3.4 物探異常

由物探成果100線（10 m點距）成果圖（圖4）可以看出：剖面上在塌陷坑下部－300 m左右視電阻率等值線變形，這種電性異常推測為該處的塌落帶反映；在塌陷坑下部－100～－230 m附近視電阻率等值線變形，推測為中部的塌落帶的反映。由此推斷地面塌陷坑與深部塌落帶是相關聯(lián)的。采用瑞典的高密度反演軟件“Res2dinv”對100剖面線進行了反演，由反演結果可以看出：在剖面上500～640 m之間深部存在明顯的深藍色低阻帶，推測該低阻帶與深部鐵礦施工塌落有關。

表1 水質(zhì)分析對比表（單位：mg／l）Table 1 Water－quality analysis and comparison（unit：mg／L）

圖4 武莊村100剖面高密度電法視電阻率斷面等值線圖Fig.4 Contour map for resistivity section at the 100th section

4 地面塌陷成因機理分析

巷道坍塌引起的地面塌陷并不是即刻發(fā)生的，它是一個緩慢的過程，巷道坍塌后，上覆巖層產(chǎn)生垮落帶、斷裂帶、彎曲帶。據(jù)礦方反映，發(fā)生地面塌陷的下部－250 m巷道曾于2012年12月25日、2013年1月10日、2013年1月15日出現(xiàn)過三次坍塌，調(diào)查時巷道坍塌處仍有小股水流涌入巷道，且水體發(fā)混，出水量明顯高于其他出水點水量，水溫明顯低于其他突水點。巷道坍塌導致下部塌落變形逐步向上擴展，當擴展到新近系地層時，出水量高于太古界地層出水量，坍塌處裝滿土石灰的編織袋堆積壘堰可能是由于與新近系水相通后巷道水量逐步加大，礦方開始采取的應急措施。隨著時間推移和礦山施工放炮震動，坍塌變形進一步變化，當坍塌擴展到第四系含水層時，第四系含水層的水流攜帶著大量細顆粒沿著裂隙向下運移，久而久之，致使上部第四系形成較大的空洞，土體難以承受上部建筑物的荷載，最終導致2013年3月31日地面塌陷的發(fā)生（圖5）。但由于上部粘性土逐步塌落封堵部分孔隙與裂隙，形成新的隔水層，使得上部第四系和新近系含水層中的水流入巷道的量逐漸變小，沒有造成淹井事故。

圖5 地面塌陷機理示意圖Fig.5 Schematic diagram of ground subsidence mechanism

通過以上巷道坍塌、水文異常、水質(zhì)異常、物探異常等現(xiàn)象的分析：由于武莊礦床地質(zhì)構造復雜，巖體破碎，礦山進行井下巷道施工時曾發(fā)生過三次坍塌，坍塌導致巷道上部巖層破壞，與上部第四系松散巖類孔隙含水層串通后，上部的孔隙水由巷道坍塌形成的裂隙流入巷道，并將第四系松散層中的細顆粒帶入下部巷道流走，在上部第四系松散層中形成了較大的空洞，導致了地面塌陷。

5 結論

武莊礦床地質(zhì)構造復雜，下部有多個斷裂與背斜，巖體破碎。礦山施工放炮震動有進一步加劇坍塌并引起上部地層變形的可能。因此，判定武莊村地面塌陷地質(zhì)災害的發(fā)生與武莊礦床地質(zhì)構造復雜，巖體破碎，礦山進行井下工程施工活動有關。

［1]鞠建華.中國地面塌陷災害與防治［J].中國地質(zhì)，1996，（9）：24－25.

［2]邢麗霞，闊列東.我國的地面塌陷及其危害［J].中國地質(zhì)災害與防治學報，1997，8（增）：23－28.

［3]周春梅，李沛，虞鈺，等.金屬礦山地下開采引起地面塌陷的規(guī)律［J].武漢工程大學學報，2010，32（1）：61－64.

［4]吳超凡，高宗軍.安溪縣劍斗地區(qū)地面塌陷探討［J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2009，29（6）：88－90.

［5]何芳，徐友寧，喬岡，等.中國礦山地質(zhì)災害分布特征［J].地質(zhì)通報，2012，31（2～3）：476－485.

［6]田東升.河南省主要礦山地面塌陷及防治對策［J].河南省地質(zhì)調(diào)查與研究通報2007年卷：431－434.

［7]張偉.焦作市區(qū)地面塌陷發(fā)育特征、成因及對策建議［J].礦產(chǎn)保護與利用，2007，（4）：45－48

［8]王現(xiàn)國，劉平河，吳東民.平頂山礦區(qū)地面塌陷災害發(fā)展趨勢及防治對策研究［J].湖南科技大學學報（自然科學版），2004，19（3）：14－17.