四川省達(dá)川區(qū)大埡地面塌陷成因及防治措施

周高非

（四川煤田地質(zhì)一三七總公司，四川 達(dá)州 635006）

近年來(lái)，四川省達(dá)州市達(dá)川區(qū)景市鎮(zhèn)大埡村寨一帶形成一系列的地面塌陷坑。雖然塌陷規(guī)模不大，但是由于村寨人口密度較大，受到威脅的村民達(dá)128戶(hù)，563人，目前已造成毀壞房屋167間，造成直接經(jīng)濟(jì)損失1050萬(wàn)元，間接經(jīng)濟(jì)損失150萬(wàn)元。因此，研究該地區(qū)地面塌陷的成因，對(duì)其防治工作有著十分重要的意義。

1 塌陷區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件

1.1 地形地貌

大埡地面塌陷位于景市鎮(zhèn)柳樹(shù)灣村、寨子村，石板鎮(zhèn)金剛村共二十個(gè)社，地理坐標(biāo)：東經(jīng) 107°29′43″～107°31′53″，北緯31°00′15″～31°02′59″，面積約15km2。地面塌陷區(qū)位于構(gòu)造剝蝕低山地貌區(qū)，相對(duì)高差約300m，地形起伏大。

1.2 地層巖性

區(qū)內(nèi)出露地層繁多，主要為侏羅系中下統(tǒng)自流井組（J1-2z）、下統(tǒng)珍珠沖組（J1zh）地層，另有第四系坡殘積層（Q4dl+el）及侏羅系中統(tǒng)下沙溪廟（J2xs）、新田溝組（J2x）及三疊系上統(tǒng)須家河組（T3xj）、中統(tǒng)雷口坡組（T2l）、下統(tǒng)嘉陵江組（T1j）地層。坡殘積層由粉質(zhì)粘土、粘土組成，可塑狀～軟塑狀，稍濕～濕，松散～稍密，多為耕植土。侏羅系中下統(tǒng)自流井組（J1-2z）、下統(tǒng)珍珠沖組（J1zh）地層巖性為頁(yè)巖夾粉砂質(zhì)頁(yè)巖、灰?guī)r，頁(yè)巖、粉砂質(zhì)頁(yè)巖巖石強(qiáng)度較低，易風(fēng)化，遇水易軟化，屬較軟質(zhì)巖，侏羅系中下統(tǒng)自流井組大安寨段灰?guī)r巖溶較發(fā)育。區(qū)內(nèi)巖體受構(gòu)造的影響較為破碎。

圖1 大埡地面塌陷剖面圖

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

塌陷區(qū)位于中山背斜的軸部及兩翼（圖1），區(qū)內(nèi)構(gòu)造發(fā)育，除中山背斜外另發(fā)育有天耕梁背斜、金剛寺向斜及大埡口背斜，區(qū)內(nèi)另發(fā)育有大大小小的斷層50余條。

1.4 水文地質(zhì)

1.4.1 氣象特征

塌陷區(qū)屬亞熱帶濕潤(rùn)型季風(fēng)性氣候區(qū)，氣候溫和，雨量充沛，無(wú)霜期長(zhǎng)，日照充足，四季分明，大陸型季風(fēng)性氣候顯著。據(jù)達(dá)川區(qū)氣象站觀測(cè)資料，達(dá)川區(qū)年平均氣溫17.3°，多年極端低溫-4.7，極端高溫42.3℃；年有霜日1～23d，平均8d，最大積雪深度 40mm，相對(duì)濕度 80%。年降雨量在840.9～1476.6mm，平均1044mm；月平均降水量220～260mm，最高可達(dá) 577～773mm；最多連續(xù)降雨日為21d，最長(zhǎng)無(wú)降雨日為34d，降雨多集中在5月～9月，約占全年降雨量的75%。區(qū)內(nèi)多年降水等值線見(jiàn)圖2。

據(jù)相關(guān)資料，近年來(lái)的百年一遇的幾次強(qiáng)降雨主要有：2004年9月3日～5日（“9.5”洪災(zāi)），72小時(shí)降雨量達(dá)467mm，2006年6月30日（“7.8”洪災(zāi)）12小時(shí)最大降雨量達(dá)180mm，2007年7月2日～8日（“7.5”洪災(zāi)）最大日降雨量則達(dá)169mm；2010年7月16日17時(shí)至18日18時(shí)（“7.17”洪災(zāi)），達(dá)川區(qū)全區(qū)普降暴雨，局部地區(qū)過(guò)程降雨量達(dá)400mm以上。據(jù)統(tǒng)計(jì)，達(dá)縣50年一遇最大日降雨量為158mm、20年一遇最大日降雨量為110mm、10年一遇最大日降雨量為75mm。

1.4.2 水文特征

圖2 達(dá)川區(qū)多年平均降雨量等值線圖

達(dá)川區(qū)境內(nèi)水文網(wǎng)較密集，河流屬長(zhǎng)江流域嘉陵江支流的渠江上游的巴河水系和州河水系，鐵山為兩個(gè)水系的分水嶺（除鐵山的西南段申家鄉(xiāng)外）。鐵山北西屬巴河水系，鐵山東南屬州河水系。巴河、州河主要沿構(gòu)造線方向發(fā)育，次級(jí)河流如明月江、銅缽河則以橫穿構(gòu)造線方向發(fā)育為主，再次一級(jí)河流及山溪，以構(gòu)造線方向和斜交構(gòu)造線方向發(fā)育為主，分布密集，多呈樹(shù)枝狀。河流切割一般較深，洪期都具有猛漲速落的動(dòng)態(tài)特征，對(duì)地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄等有重要影響。

區(qū)內(nèi)地表徑流量與徑流深的年內(nèi)分配差主要隨降水量變化。最大徑流出現(xiàn)在6～9月，占全年70%左右。1～4月降水量少，基本無(wú)形成地表徑流的條件，山區(qū)常年性溪流及河流主要靠地下水補(bǔ)給維持其徑流。區(qū)內(nèi)多年平均年徑流深492.5mm，其中北部低山區(qū)510mm，中南部平行嶺谷區(qū)495mm，西部丘陵區(qū)465.5mm。

由于區(qū)內(nèi)降雨豐富，地下水補(bǔ)給、循環(huán)條件較好，加之區(qū)內(nèi)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)及居民聚居點(diǎn)的生產(chǎn)生活用水主要來(lái)源于地表泉水、河流等，人工開(kāi)采地下水的情況較少，其開(kāi)采強(qiáng)度一般輕微，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的影響不大；但在區(qū)內(nèi)各背斜近軸部地帶，分布有煤層，在數(shù)十年的煤礦開(kāi)采中疏排了大量地下水，從而導(dǎo)致了采空型、巖溶型地面塌陷的產(chǎn)生。

1.4.3 主要含水層

1）第四系孔隙潛水含水層。主要分布在塌陷區(qū)所處的斜坡地帶，厚度 1～20m，上部主要為坡殘積層，為砂土、碎塊石土，透水性較好，下部為粉砂質(zhì)粘土，粘土，透水性較差；該層泉流量一般 0.01～0.1L/s，該層只含上層滯水，地下水位隨著季節(jié)變化而變化。

2）侏羅系、三疊系裂隙含水層。賦存于侏羅系下統(tǒng)珍珠沖組底部及三疊系上統(tǒng)須家河組第二、四、六段的砂巖中，由大氣降水、孔隙水補(bǔ)給，富水性中等。隨著煤礦的開(kāi)采，該區(qū)地下水水位下降幅度很大，基本已經(jīng)下降到煤層附近及以下，含水層中的泉點(diǎn)已部分干涸。

3）三疊系裂隙、巖溶溶洞含水層。主要賦存于侏羅系中下統(tǒng)自流井組第三段、三疊系中統(tǒng)雷口坡組、下統(tǒng)嘉陵江組的灰?guī)r中，富水性強(qiáng)，地下水常以裂隙水、巖溶水、及暗河的形式排泄，流量一般在20～700L/s，該層中的地下水一般具有一定的承壓性質(zhì)，在塌陷區(qū)地下水位一般在 1000m左右。該層巖溶現(xiàn)象較為發(fā)育，巖溶發(fā)育形式由垂向逐步轉(zhuǎn)變?yōu)樗桨l(fā)育為主。溶洞發(fā)育規(guī)模一般，面積在10～40m3。

1.4.4 相對(duì)隔水層

賦存于侏羅系中下統(tǒng)自流井組第一、二段，下統(tǒng)珍珠沖組上部，三疊系上統(tǒng)須家河組第一、三、五、七段中，為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、煤層等，為相對(duì)隔水層。由于該區(qū)斷層較為發(fā)育，加之有些組段的地層厚度較小，局部可能被下伏灰?guī)r地層的溶洞揭穿，使得上覆含水層和下伏含水層連通。

1.4.5 地下水補(bǔ)給、徑流和排泄條件

該區(qū)地下水的補(bǔ)給主要源于大氣降水，除水蒸發(fā)，植物蒸騰，人畜利用外，均入滲補(bǔ)給裂隙、巖溶水，入滲方式主要是通過(guò)淺部含水層裂隙、斷層、溶隙等直接補(bǔ)給，或經(jīng)淺谷匯集后通過(guò)落水洞、陷落柱等集中點(diǎn)補(bǔ)給進(jìn)入含水層，部分經(jīng)層間徑流以泉的形式排泄，或經(jīng)過(guò)垂向徑流補(bǔ)給深部巖溶溶洞含水層，在較遠(yuǎn)、較深的地方以巖溶大泉或暗河的形式排出。

2 塌陷區(qū)的基本情況及分布特征

2.1 地面塌陷基本情況

區(qū)內(nèi)共查明地面塌陷點(diǎn)51處，主要分布于柳樹(shù)灣村一～十社及寨子村一、五、六社及石板鎮(zhèn)金剛村一、二、四社，塌陷多位于居民房屋附近的第四系人工堆積層及坡殘積層上，塌陷點(diǎn)多呈漏斗狀，面積一般560～2175m2，陷落深度一般14～120cm。

區(qū)內(nèi)調(diào)查地面開(kāi)裂100條，廣泛分布于柳樹(shù)灣村及寨子村，裂縫多產(chǎn)生于房前曬壩地面，裂縫長(zhǎng)2.3～25m，寬0.2～20cm，多數(shù)裂縫已回填，裂縫走向大多與斜坡走向一致或角度斜交。

2.2 地面塌陷分布特征

1）地面塌陷點(diǎn)多分布于煤礦及老窯采空區(qū)上方。

2）該區(qū)地面塌陷點(diǎn)多分布于巖溶發(fā)育強(qiáng)烈的純可溶巖及其與非可溶性巖接界的地帶。即自流井組、珍珠沖組與須家河組煤系地層交界處。

3）塌陷點(diǎn)多分布于褶皺構(gòu)造和斷裂構(gòu)造帶附近。即各背、向斜的軸部、翹起端、傾伏端及斷層裂隙集中帶。

4）塌陷點(diǎn)多分布于巖溶陷落柱的周?chē)?/p>

3 地面塌陷的成因分析

3.1 地面塌陷產(chǎn)生的基本條件

通過(guò)對(duì)大埡地面塌陷的調(diào)查分析，認(rèn)為其為一復(fù)合型地面塌陷，其形成與地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、人類(lèi)工程活動(dòng)及大氣降水密切相關(guān)。

1）區(qū)內(nèi)出露地層主要為侏羅系中下統(tǒng)自流井組、下統(tǒng)珍珠沖組，巖性主要為頁(yè)巖、砂質(zhì)泥巖夾粉砂巖、砂巖及灰?guī)r。頁(yè)巖、砂質(zhì)泥巖巖石力學(xué)強(qiáng)度較低，分層薄。其次為三疊系上統(tǒng)須家河組，呈線狀分布于區(qū)內(nèi)各背斜的軸部及近軸部，巖性主要為巖屑石英砂巖、夾泥巖、頁(yè)巖、炭質(zhì)頁(yè)巖、煤層等。由于須家河組地層含煤層，受采礦采空及疏排地下水影響，常形成大的地表變形，且變形速度快，形成采空塌陷。

2）區(qū)內(nèi)斷層、褶皺的發(fā)育是地面塌陷形成的另一重要原因。區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造以褶皺為主，其次為斷層。構(gòu)造在宏觀上決定了地層的產(chǎn)狀、巖體的破碎程度等。在構(gòu)造應(yīng)力集中區(qū)，如背、向斜軸部（特別是背斜軸部）、斷層附近巖體較為破碎，各種節(jié)理裂隙發(fā)育。區(qū)內(nèi)發(fā)育有褶皺4條，大大小小斷層50余條，斷層、褶皺的發(fā)育使巖體極為破碎，會(huì)促使地面變形加快，同時(shí)擴(kuò)大地表變形區(qū)。

巖溶陷落柱發(fā)育。侏羅系中下統(tǒng)自流井組大安寨段灰?guī)r埋藏較淺，巖溶發(fā)育。據(jù)《達(dá)竹煤電有限責(zé)任公司金剛煤礦礦山地質(zhì)環(huán)境影響初步評(píng)價(jià)報(bào)告》，發(fā)育于該地面塌陷區(qū)的巖溶陷落洞 17個(gè)，陷落柱平面形態(tài)呈橢圓形、長(zhǎng)條形、腰子形，長(zhǎng)軸長(zhǎng)12～174m，短軸長(zhǎng)2～70m。塌陷區(qū)內(nèi)51處塌陷點(diǎn)有35處分布于自流井組地層中，16處分布于珍珠組、新田溝組等地層中（圖3）。

三疊系雷口坡組和嘉陵江組的可溶巖受區(qū)域地下水補(bǔ)給和上覆須家河組構(gòu)造裂隙的滲流補(bǔ)給，繼承古巖溶通道，在深部（侵蝕基準(zhǔn)面以下)有條件的地段可形成規(guī)模巨大的溶洞。如達(dá)川市金剛井田，石油部門(mén)的雷一號(hào)鉆井，在陷落柱群鉆探，在雷口坡組膏鹽層遇多起溶洞（標(biāo)高-200m）,鉆孔沖洗液漏失量達(dá)8674m3。

3）采礦活動(dòng)加劇了地面塌陷的形成和發(fā)展。區(qū)內(nèi)礦產(chǎn)資源較為豐富，尤以煤炭資源為多。連續(xù)數(shù)十年的礦產(chǎn)開(kāi)采及大量疏排地下水，特別是以前小窯亂掘亂采未進(jìn)行頂板管理，最終導(dǎo)致地面變形、巖溶塌陷、地下水位下降，井泉水干枯，溪溝斷流。采空區(qū)上部巖體的變形及放炮震動(dòng)加速了上覆巖體完整性的破壞，使巖體更加破碎。本區(qū)現(xiàn)已發(fā)生的地面塌陷多為采空型地面塌陷。

圖3 該區(qū)陷落柱剖面示意圖

4）大氣降水是地面塌陷形成的主要外部因素。頁(yè)巖、砂質(zhì)泥巖巖質(zhì)較軟，大氣降水垂直入滲土體，使土體軟化、飽和、崩解，加速了地面塌陷的形成。在灰?guī)r地區(qū)，巖溶較發(fā)育，水運(yùn)移到土層與基巖接觸面，順裂隙、斷層破碎帶及溶洞、溶隙下滲，同時(shí)將溶洞、溶隙、裂隙、斷層破碎帶中的充填物帶走而形成空洞，加速地面塌陷的形成。

3.2 地面塌陷的形成機(jī)制

研究本區(qū)地面塌陷的成因問(wèn)題比較復(fù)雜，僅就初步研討認(rèn)為：該區(qū)地面塌陷主要為采礦和巖溶的雙重作用。

1）采空型地面塌陷。

該區(qū)煤礦和老窯眾多，采煤歷史悠久，采空區(qū)面積大。各煤層頂板巖性以砂巖及砂質(zhì)泥巖為主，厚度 8～12m，且有厚層狀砂巖頂板存在，巖石碎漲系數(shù)小（1.02～1.10m），采后頂板難以垮落，形成大面積頂板隱患。隨著時(shí)間推移，在巨大上覆巖層重力和巖層應(yīng)力的作用下，產(chǎn)生大面積頂板冒落，且常以切冒形式出現(xiàn)，瞬時(shí)波及地表。

2）巖溶型地面塌陷。

由于該區(qū)煤礦開(kāi)采疏干排水，地下水位快速下降，必然減小地下水對(duì)上覆土體托力，大氣降水入滲過(guò)程中，淺部巖溶水的滲透壓力和流速都將增大。當(dāng)水力梯度增大到可以使巖溶充填物遷移時(shí)，就產(chǎn)生潛蝕作用，使溶洞充填物逐漸被帶走、掏空，形成隱伏土洞。

在自然條件下，由于三疊系須家河組的煤層及其圍巖的存在，淺部（侏羅系自流井組）巖溶充填物基本上不會(huì)進(jìn)入到深部（雷口坡組、嘉陵江組）巖溶中去。但由于采礦形成大面積采空區(qū)，使得淺部和深部巖溶的隔離層遭到破壞，淺部巖溶與深部巖溶在部分位置通過(guò)巖溶陷落柱直接連通，淺部巖溶的充填物由于重力作用直接進(jìn)入深部巖溶中，而深部巖溶發(fā)育帶地下水活動(dòng)強(qiáng)烈，暗河發(fā)育，不斷將其充填物進(jìn)行搬運(yùn)，使得淺部巖溶的充填物不斷進(jìn)入深部巖溶，從而形成淺層隱伏土洞，隨著土洞規(guī)模的不斷擴(kuò)大，上覆松散體的自重壓力超過(guò)其本身的極限強(qiáng)度，地表就發(fā)生塌陷。

4 地面塌陷的防治措施

大埡地面塌陷為一復(fù)合型地面塌陷，認(rèn)識(shí)其發(fā)生條件。掌握其發(fā)展規(guī)律，對(duì)塌陷范圍進(jìn)行有效預(yù)測(cè)，并采取一定的措施進(jìn)行治理，顯得尤為重要，根據(jù)上述對(duì)地面塌陷的成因分析，提出以下防治措施。

1）加強(qiáng)煤層開(kāi)采管理，建立科學(xué)合理的煤炭開(kāi)采規(guī)劃，建立長(zhǎng)遠(yuǎn)的開(kāi)采規(guī)劃和采后安排處理工作，保證煤炭開(kāi)采和保護(hù)環(huán)境工作協(xié)調(diào)有序的進(jìn)行。

2）對(duì)塌陷區(qū)附近村寨下部及周?chē)牡叵虏傻V采空區(qū)進(jìn)行回填。一是減少沉降的高度，二是阻斷塌陷區(qū)深部隱伏巖溶陷落柱通過(guò)采礦坑道和淺部隱伏溶洞的溝通。目前有兩種充填法：邊采邊充填、集中充填。對(duì)于區(qū)內(nèi)地表沉陷較嚴(yán)重的建筑物、設(shè)施、人員等進(jìn)行搬遷，減少對(duì)人類(lèi)生命財(cái)產(chǎn)安全的威脅。

3）對(duì)溶洞、陷落柱、空洞、松散狀態(tài)的砂巖進(jìn)行排水注漿。既可充填其溶洞、空洞等，又可膠結(jié)松散狀態(tài)下的砂巖，還可形成部分水泥漿帷幕，以減少、減緩大氣降水對(duì)地下水的補(bǔ)給。

4）植樹(shù)造林，減少水土流失，增加土層孔隙的儲(chǔ)水能力。

5 結(jié)論

1）通過(guò)對(duì)大埡地面塌陷的成因分析，初步認(rèn)為：大埡地面塌陷主要為采礦和巖溶的雙重作用。厚層易溶的膏鹽層是形成巖溶塌陷的物質(zhì)基礎(chǔ)；褶皺、斷層、構(gòu)造裂隙與古溶洞是深部地下水循環(huán)的通道；大面積的采空區(qū)是誘因，加劇了地面塌陷的形成和發(fā)展；大氣降水是地面塌陷形成的主要外部因素。

2）防治方法包括：加強(qiáng)煤層開(kāi)采管理；回填采空區(qū)；地面空洞澆注水泥漿；植樹(shù)造林等。

[1] 四川煤田地質(zhì)一三七總公司.2011年度四川省地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)縣（市、區(qū)）達(dá)縣地質(zhì)災(zāi)害隱患調(diào)查評(píng)價(jià)報(bào)告[R].四川 達(dá)州：四川煤田地質(zhì)一三七總公司，2011.

[2] 四川省煤田地質(zhì)局一三七隊(duì).達(dá)竹煤電有限責(zé)任公司金剛煤礦礦山地質(zhì)環(huán)境影響初步評(píng)價(jià)報(bào)告[R].四川 達(dá)州：四川省煤田地質(zhì)局一三七隊(duì)，2013.

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