荊門市子陵石膏礦區(qū)地面塌陷成因分析及發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)

劉 波, 陳江軍, 王國(guó)強(qiáng), 陳堯堯, 王鵬來

(湖北省地質(zhì)局 水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì),湖北 荊州 434020)

荊門市子陵石膏礦區(qū)位于荊門市城市規(guī)劃區(qū)范圍,區(qū)內(nèi)石膏礦產(chǎn)資源豐富,開發(fā)歷史悠久,礦產(chǎn)資源的開發(fā)一方面保證了國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)礦物質(zhì)材料的需求,另一方面也不同程度地造成大氣、水源和土壤的污染,破壞自然景觀和植被,誘發(fā)一系列礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境問題[1]。其中影響最為嚴(yán)重、危害最大的地質(zhì)環(huán)境問題當(dāng)屬石膏礦采空區(qū)地面塌陷,由于地面塌陷在時(shí)間上具突發(fā)性,空間上具破壞性,產(chǎn)生的垂直位移變形會(huì)對(duì)原始地形地貌破壞嚴(yán)重,對(duì)地表工民性建筑、交通、農(nóng)業(yè)、水電及通訊等基礎(chǔ)性設(shè)施極具危害性[2]。據(jù)資料統(tǒng)計(jì),自2008年以來,子陵石膏礦累計(jì)發(fā)生地面塌陷28次,總面積達(dá)0.15 km2,采空區(qū)地面塌陷頻繁發(fā)生,嚴(yán)重影響了荊門市的城市規(guī)劃建設(shè)和威脅礦區(qū)周邊居民的生命財(cái)產(chǎn)安全。當(dāng)前荊門市正值經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、全面建成小康社會(huì)的重要時(shí)期,石膏礦采空區(qū)引起的地質(zhì)環(huán)境問題已經(jīng)成為制約荊門市經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和地質(zhì)環(huán)境保護(hù)防治對(duì)策的重要瓶頸,開展荊門市石膏礦采空區(qū)地面塌陷的防治工作已經(jīng)刻不容緩。然而,迄今為止,荊門市石膏礦采空區(qū)地面塌陷的成因分析研究工作還未展開,影響地面塌陷形成因素尚不明確,無法有效預(yù)測(cè)采空區(qū)的發(fā)展趨勢(shì),石膏礦區(qū)地面塌陷問題難以得到有效控制。因此,急需開展子陵石膏礦采空區(qū)地面塌陷成因分析,查明地面塌陷形成的影響因素,預(yù)測(cè)采空區(qū)的發(fā)展趨勢(shì),對(duì)保障礦區(qū)百姓生命財(cái)產(chǎn)安全、礦區(qū)土地的利用以及重大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)劃具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義[3]。

1 子陵石膏礦地質(zhì)條件及開采概況

1.1 礦區(qū)地質(zhì)條件

子陵石膏礦區(qū)位于鄂西山地與江漢平原過渡帶,屬低緩丘陵地貌區(qū),總體地勢(shì)為西北高、南東低。礦區(qū)新華夏系第二構(gòu)造沉降帶、江漢凹陷西緣荊門向斜東翼的南段,區(qū)域構(gòu)造主要為南漳—荊門斷裂,斷裂性質(zhì)較為復(fù)雜,屬多期復(fù)合性斷裂。受其影響,下盤子陵鋪礦段地層在近東西向壓扭構(gòu)造應(yīng)力作用下,拖褶形變?yōu)橐粋€(gè)平緩的向斜構(gòu)造。子陵礦區(qū)主要被第四系覆蓋,與下伏地層不整合接觸,石膏礦層賦存于白堊系上統(tǒng)跑馬崗組(K2p),礦層埋藏較淺、品位較高,與圍巖呈互層狀產(chǎn)出。礦層直接頂板圍巖為泥巖、膏質(zhì)泥巖、粉砂巖等,抗壓強(qiáng)度低,屬軟質(zhì)巖石,遇水易軟化、泥化、崩解,堅(jiān)固性、穩(wěn)定性差,井下形成采空區(qū)后易造成冒頂?shù)炔涣脊こ痰刭|(zhì)現(xiàn)象,不能直接作為礦房頂柱(圖1)。石膏礦層(體)結(jié)構(gòu)致密,屬半堅(jiān)硬巖石,完整性、連續(xù)性好,工程地質(zhì)性質(zhì)優(yōu)于頂板圍巖巖性。根據(jù)礦山多年的采礦經(jīng)驗(yàn),回采礦房時(shí)保留1～2 m 的頂柱,以保護(hù)礦房頂柱不冒頂,并保持泥巖、膏質(zhì)泥巖、粉砂巖等隔水層的完整性,以防上部孔隙—裂隙水流入礦坑。

礦區(qū)水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單,開采過程中構(gòu)成礦床充水的含水層均位于礦層之上,主要含水層有第四系孔隙潛水含水層、古近系夾馬槽組(Ejm)砂巖孔裂隙含水層。第四系孔隙潛水及基巖風(fēng)化帶孔隙—裂隙水主要受大氣降水補(bǔ)給。區(qū)內(nèi)礦山采取地下方式開采,由于全年井筒開拓過程中穿越上部淺層含水巖層,造成淺層地下水滲入井下,局部采礦區(qū)內(nèi)由于打穿上部預(yù)留石膏礦層及含水巖層,頂板漏水,礦床充水主要含水層均位于礦層之上,礦層與主要含水層之間也有較厚的隔水層存在,因此礦床為間接充水方式,礦層之上的含水層可通過裂縫、構(gòu)造破碎帶及打穿頂板隔水層之間的通道補(bǔ)給礦床。

圖1 荊門市子陵石膏礦工程地質(zhì)剖面圖Fig.1 Engineering geological profile of Ziling gypsum mine in Jingmen city1.第四系松散殘坡積含碎石粉質(zhì)粘土巖組；2.古近系夾馬槽組軟弱中厚層粉砂質(zhì)泥巖夾泥質(zhì)粉砂巖巖組；3.白堊系上統(tǒng)跑馬崗組軟弱中厚層粉砂質(zhì)泥巖夾泥巖巖組；4.含碎石粉質(zhì)粘土；5.粉砂質(zhì)泥巖；6.泥質(zhì)粉砂巖；7.泥巖；8.石膏；9.鉆孔及編號(hào)；10.采空區(qū)。

1.2 礦區(qū)開采概況

荊門市子陵鋪鎮(zhèn)石膏礦山始建于20世紀(jì)90年代初,由福橋、新橋、曾廟、寶安及金陵5家石膏礦山組成,礦區(qū)面積約2.76 km2。20余年來,子陵鋪鎮(zhèn)石膏礦礦山企業(yè)在經(jīng)營(yíng)體制上經(jīng)歷了集體與私營(yíng)企業(yè)的轉(zhuǎn)型。礦山主要開采礦層為Ⅷ、Ⅸ、Ⅹ石膏層,礦床埋深在40～120 m。該石膏礦礦層采用斜井開拓方式,以

巷道采礦法與房柱采礦法混合采礦,采空區(qū)回采主要為沿傾向后退式回采,礦房回采一般采用沿走向前進(jìn)式推進(jìn),頂板采用預(yù)留石膏層護(hù)頂,礦房間預(yù)留礦柱。在歷經(jīng)20余年的地下采礦后,礦區(qū)內(nèi)形成了大量未經(jīng)處理的采空區(qū)域。依據(jù)荊門市國(guó)土資源局東寶分局提供的礦山井上、井下對(duì)照?qǐng)D及收集資料綜合分析,目前礦山形成的采空區(qū)總面積約1.16 km2,約占礦區(qū)總面積的42%。

1.3 采空區(qū)分布及規(guī)模

子陵石膏礦采空區(qū)面積約1.16 km2,采空區(qū)大致呈南北向分布于礦區(qū)的中部及東北部一帶,采空區(qū)南北長(zhǎng)約2 400 m,東西寬約1 500 m,其中以金陵、新橋石膏礦采空區(qū)面積相對(duì)較大,而以福橋、寶安兩礦山采空比例較大,各礦山采空區(qū)規(guī)?；厩闆r見表1。

采空區(qū)的分布主要與礦層發(fā)育厚度、地表工程的分布情況及礦山開采方案設(shè)計(jì)有關(guān),礦層發(fā)育厚度受區(qū)域構(gòu)造作用影響較大,當(dāng)?shù)V層較薄時(shí),在預(yù)留護(hù)頂膏層3 m的前提下,采礦性價(jià)比不高,因此前期礦山開采主要針對(duì)礦層厚度較大的地段,從而形成目前的采空區(qū)分布格局。

表1 子陵石膏礦采空區(qū)規(guī)模一覽表Table 1 List of goaf scale of Ziling gypsum mine

1.4 采空區(qū)形態(tài)及結(jié)構(gòu)

子陵鎮(zhèn)石膏礦經(jīng)二十余年的地下采礦活動(dòng),礦區(qū)內(nèi)形成了大面積采空區(qū)域,根據(jù)收集的礦山井下開采資料與勘查核實(shí),采空區(qū)整體空間形態(tài)受區(qū)內(nèi)向斜構(gòu)造及礦床沉積形態(tài)控制,采空區(qū)大致為一“鍋底”形狀發(fā)育,整體以中部低洼,四周揚(yáng)起為特征。采空區(qū)底板埋深40～120 m,采空區(qū)高6～9.5 m,以礦區(qū)中部礦層較厚(10～15 m)、采空區(qū)埋深較大(100～120 m)、采空高度大(8～10 m),四周礦層較薄、埋深較淺、采高小為特征[4]。

采空區(qū)結(jié)構(gòu)主要由礦柱、礦房及圍巖組成,采空區(qū)因形成的時(shí)段不同,不同時(shí)期存在開采及管理模式上的差異,因而在采空區(qū)空間結(jié)構(gòu)上有所不同。子陵石膏礦區(qū)五家礦山關(guān)停前采空區(qū)空間結(jié)構(gòu)見表2。曾廟及金陵石膏礦礦柱預(yù)留尺寸較大,新橋及寶安礦礦柱預(yù)留尺寸較小；礦房尺寸以福橋及曾廟礦較大,新橋及寶安礦較?。徊煽諈^(qū)高度以曾廟及福橋最高,新橋最低；護(hù)頂層厚度以福橋及曾廟礦最大,新橋礦最小。采空區(qū)頂、底板巖石均為粉砂質(zhì)泥巖,因頂板泥巖工程地質(zhì)條件較差,一般在開采過程中均留有不等厚度的石膏層作護(hù)頂,其中以福橋、曾廟礦預(yù)留護(hù)頂膏層的厚度相對(duì)較大(2～3 m),新橋礦護(hù)頂高度最小(1～2 m)。

2 子陵石膏礦區(qū)地面塌陷特征

荊門市子陵礦區(qū)發(fā)生采空型地面塌陷28處,在5個(gè)礦區(qū)均有分布,其中分布在曾廟(10處)、新橋(6處)、福橋(5處)、寶安(4處)以及金陵(3處)。地面塌陷總面積約15.3×104m2,占礦山采空區(qū)面積12.7%。子陵石膏礦區(qū)地面塌陷形式主要以單坑(洞)、零星、季節(jié)性發(fā)育為主,其平面發(fā)育形態(tài)多呈橢圓形、圓形發(fā)育,塌陷坑深度一般在5～30 m,單坑發(fā)育面積一般在50～30 000 m2。

2.1 地面塌陷類型

子陵石膏礦區(qū)地面塌陷按塌陷形態(tài)可分為“深坑式”塌陷和“鍋底形”塌陷兩種地面塌陷類型(圖2)。

“深坑式”塌陷面積較小(一般<2 000 m2),如T9、T16、T26地面塌陷,其塌陷深度較大,塌陷形狀呈反漏斗狀,地表呈圓形、橢圓形,塌陷面積小于采空區(qū)面積,陷坑周壁巖層出露清晰,巖石近垂向微張裂隙較發(fā)育,粉砂巖、砂巖中的塌陷斷面較平直、光滑,塌陷區(qū)中下部形態(tài)受巖石構(gòu)造裂隙控制性較強(qiáng),多以方形或不規(guī)則多邊形發(fā)育,小面積地面塌陷往往變形較劇烈,雖然影響范圍不大,但對(duì)地表形成的破壞性及危險(xiǎn)性較大。

“鍋底形”塌陷區(qū)面積較大(2 000～30 000 m2),其中心塌陷深度一般在5～10 m左右,塌陷坑形態(tài)較為舒緩,呈“鍋底形”內(nèi)傾漸變式發(fā)育,局部邊、角一帶偶有“坑中坑”發(fā)育,其內(nèi)坑發(fā)育規(guī)模一般<100 m2,深度一般在2～8 m左右。大面積地面塌陷往往形成的影響范圍較大,雖變形模式相對(duì)柔和,但其對(duì)地表建筑物破壞性較大[6]。

圖2 荊門市石膏礦區(qū)地面塌陷類型(修改自王官寶等[5])Fig.2 Type of ground collapse in gypsum mining area in Jingmen

照片1 “深坑式”地面塌陷Photo 1 Surface collapse of “Deep pit”

照片2 “鍋底形”地面塌陷Photo 2 Surface collapse of “Pan bottom”

2.2 塌陷變形特征

根據(jù)塌陷坑地表變形特點(diǎn)及形態(tài)發(fā)育特征,塌陷區(qū)大致分為中間均勻下沉區(qū)及危險(xiǎn)變形移動(dòng)區(qū)。

均勻下沉區(qū)位于塌陷區(qū)中心部位,發(fā)育范圍一般較小,約占總塌陷區(qū)面積5%～12%,但在小面積塌陷中其中部沉降區(qū)所占比例較大,該區(qū)平面發(fā)育形態(tài)與整體塌陷區(qū)形態(tài)較一致,具明顯均勻性沉降特點(diǎn),常形成塌陷區(qū)中心部位的平坦地塊,中間沉降區(qū)裂縫一般不發(fā)育,多以寬度小(0.2～3 cm)、延伸短(0.5～5 m)為特征,地面塌陷后中間下沉區(qū)往往易形成積水或泥化現(xiàn)象。

小面積地面塌陷主要以中心部位的垂直塌陷為主,其外圍移動(dòng)變形區(qū)范圍一般較小,該區(qū)發(fā)育寬度一般<15 m,以地表松散巖土的拉裂變形為主,巖土垂直位移量較小(一般<5 cm)。地面拉裂縫多呈弧形、不均一發(fā)育,縫體延伸一般約1～8 m,縫寬一般<15 cm,可視深度一般<2 m,總體趨勢(shì)由內(nèi)至外裂縫規(guī)模逐漸減小,變形減弱。

大面積地面塌陷時(shí),其移動(dòng)變形區(qū)范圍一般較大,地表出現(xiàn)有拉裂、傾斜、跌落等多項(xiàng)變形特征,其變形規(guī)模也遠(yuǎn)大于小面積地面塌陷,拉裂縫以弧形、環(huán)形拉裂縫為主,外圍裂縫在發(fā)育長(zhǎng)度、寬度及垂直位移量上明顯大于內(nèi)區(qū),根據(jù)區(qū)內(nèi)發(fā)生的T12、T13、T15 3起規(guī)模較大的地面塌陷看,其變形移動(dòng)區(qū)范圍約50～100 m,外圍拉裂縫一般連續(xù)性好,延伸長(zhǎng)一般在50～300 m左右,縫寬一般在0.2～1.8 m,最大可視深度>5 m,基本形成了較為完整的環(huán)形裂縫,裂縫由外及內(nèi)漸稀,規(guī)模漸小；移動(dòng)區(qū)傾斜、跌落變形明顯,其變形程度呈外(移動(dòng)區(qū)外側(cè))大內(nèi)(移動(dòng)區(qū)內(nèi)側(cè))小特點(diǎn),移動(dòng)區(qū)外邊緣段的跌落坎高度一般在0.5～1.5 m,跌落坎發(fā)育角度一般>60°,塌陷傾斜角度一般在8°～20°,在接近中間區(qū)時(shí)其傾斜、跌落變形不明顯。

照片3 小面積塌陷中間區(qū)形態(tài)Photo 3 Form of small area collapse of middle area

3 地面塌陷形成原因分析

3.1 地面塌陷影響因素分析

3.1.1 巖土體工程地質(zhì)條件

荊門市子陵石膏礦開采礦層主要為白堊系上統(tǒng)跑馬崗組革集亞組石膏山段含膏巖系,上部覆巖主要為古近系夾馬槽組及白堊系上統(tǒng)跑馬崗組粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖及泥巖組成。古近系粉砂巖天然抗壓強(qiáng)度為11.2～13 MPa,白堊系泥巖抗壓強(qiáng)度為6.9～8.5 MPa,粉砂巖抗壓強(qiáng)度為10.1～12.2 MPa,含膏泥巖抗壓強(qiáng)度為11.8～14.6 MPa,力學(xué)強(qiáng)度低,均屬軟質(zhì)巖類[7]。室內(nèi)測(cè)試巖石軟化系數(shù)為0.292～0.475,巖石吸水極易軟化,在室內(nèi)泥巖飽和試驗(yàn)中,巖樣浸泡12 h后全部崩解,充分說明區(qū)域內(nèi)含泥成分較高的巖石遇水軟化特性十分明顯,礦層直接頂板為粉砂巖泥質(zhì),遇水軟化后其巖石力學(xué)強(qiáng)度迅速降低,極易導(dǎo)致坑道頂板層面或裂隙切割部位形成崩落[8]。

照片4 大面積地面塌陷邊緣拉裂縫Photo 4 Edge crack of large area surface collapse

3.1.2 礦區(qū)構(gòu)造

構(gòu)造作用與地面塌陷關(guān)系:子陵礦區(qū)28處采空區(qū)地面塌陷,大致位于區(qū)域向斜構(gòu)造核部的地面塌陷為13處,向斜核部的地面塌陷數(shù)量占總地面塌陷數(shù)的46.4%(如圖3)；曾廟石膏礦采空區(qū)右側(cè)發(fā)育一條正斷層,并造成了對(duì)曾廟礦區(qū)地層錯(cuò)斷,曾廟石膏礦10處地面塌陷均發(fā)育在該正斷層附近；福橋石膏礦發(fā)育兩條小斷裂,兩條小斷裂上各發(fā)生1次地面塌陷,其中T28于2016年4月9日發(fā)生,對(duì)四干渠的輸水灌溉帶來了極大影響；從地面塌陷的規(guī)模上看,僅發(fā)育于構(gòu)造核部的T5、T12、T13以及發(fā)育在曾廟石膏礦正斷層附近的T15四處地面塌陷面積約93 830 m2,占子陵石膏礦區(qū)總塌陷面積的61.2%[9]。

受荊門斷裂影響,礦區(qū)基本由一拖褶形成的平緩向斜構(gòu)造組成,局部發(fā)育的次級(jí)斷裂級(jí)構(gòu)造不僅對(duì)地層的完整性形成破壞,同時(shí)也易切穿隔水層,形成良好的導(dǎo)水通道,該時(shí)代地層中斷裂構(gòu)造往往因形成年代較晚,構(gòu)造帶巖石較破碎、膠結(jié)程度一般較差,常被視為不良工程地質(zhì)建筑地段,不利于地層的整體穩(wěn)定,為采空區(qū)變形提供了條件。

圖3 礦區(qū)構(gòu)造作用與地面塌陷位置對(duì)應(yīng)圖Fig.3 The corresponding map of the tectonic action of the mining area and the ground subsidence1.礦界；2.實(shí)測(cè)四干渠；3.正斷層；4.礦名；5.采空區(qū)；6.塌陷坑；7.向斜構(gòu)造。

3.1.3 采空區(qū)空間結(jié)構(gòu)及埋深條件

采空區(qū)埋深與地面塌陷的關(guān)系:子陵石膏礦區(qū)小于臨界覆巖深度(70 m)范圍的采空區(qū)約占總采空區(qū)面積的50%。據(jù)統(tǒng)計(jì)28處地面塌陷中,發(fā)生在采空區(qū)埋深<70 m的采空區(qū)塌陷18處,埋深>70 m的采空區(qū)塌陷10處,約占已發(fā)地面塌陷災(zāi)害的64.3%。采空區(qū)空間尺寸大小與合理結(jié)構(gòu)組成是決定采空區(qū)穩(wěn)定性基本條件,當(dāng)?shù)V房尺寸過大或礦柱尺寸過小時(shí),礦柱及頂板巖石承重壓力過大,容易形成對(duì)礦柱或頂板巖層的破壞。當(dāng)采空區(qū)高度越大時(shí),冒落帶、導(dǎo)水裂隙帶就越大,上覆巖層在縱向的變形范圍就越大,采空區(qū)越不穩(wěn)定。當(dāng)采空區(qū)頂板發(fā)生冒落、崩落等變形時(shí),在上部覆巖中易形成“三帶”變形區(qū),如采空區(qū)覆巖厚度小于臨界覆巖變形厚度時(shí),采空區(qū)變形將波及到地表形成地面塌陷。

3.1.4 采空區(qū)充水條件

采空區(qū)充水與地面塌陷的關(guān)系:礦區(qū)于2009年12月全部關(guān)停,除北部金陵礦因其他原因井下排水工作一直持續(xù)到2012年12月,其余幾個(gè)礦區(qū)均停止井下排水工作。2012年12月前,金陵石膏礦未出現(xiàn)過地面塌陷的情況,停止井下排水工作后,于2014年金陵石膏礦出現(xiàn)了T21、T23兩次地面塌陷的情況；其余礦區(qū)隨著采空區(qū)充水時(shí)間加長(zhǎng),礦區(qū)充水面越來越大,地面塌陷數(shù)量呈現(xiàn)逐年增多的趨勢(shì),子陵礦區(qū)28次地面塌陷中24次地面塌陷均是發(fā)生在采空區(qū)充水之后。

3.1.5 粗放型采礦活動(dòng)

粗放型采礦與地面塌陷的關(guān)系:因?yàn)榈V山關(guān)停多年,井下硐室環(huán)境復(fù)雜,采空區(qū)狀況僅限于對(duì)前人資料的收集及調(diào)查訪問所得,經(jīng)從事過井下開采工作多年的礦工描述:曾廟、新橋以及福橋礦山發(fā)生的21起地面塌陷部位,其井下均存在有不規(guī)范開采現(xiàn)象,主要表現(xiàn)為礦柱預(yù)留過小、護(hù)頂膏層厚度過小、重復(fù)采動(dòng)等。同時(shí),新橋、福橋以及寶安石膏礦存在有明顯的越界超采現(xiàn)象,T5、T12、T13、T15、T28 5處規(guī)模較大的地面塌陷均發(fā)生在越界超采部位,初步分析礦山粗放型開采模式對(duì)后期地面塌陷的影響較大。

3.2 地面塌陷成因綜合分析

荊門市子陵石膏礦經(jīng)多年開采形成的采空區(qū)面積大,空間結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,影響采空區(qū)穩(wěn)定的因素較多,根據(jù)2008年以來發(fā)生在礦區(qū)內(nèi)的28處地面塌陷的發(fā)育分布規(guī)律、變形特點(diǎn),結(jié)合區(qū)域水文、工程地質(zhì)環(huán)境條件及礦山工程特點(diǎn)進(jìn)行綜合分析,子陵石膏礦發(fā)生采空區(qū)地面塌陷的主要原因?yàn)?采礦作業(yè)不規(guī)范、區(qū)域巖土工程地質(zhì)條件差、礦區(qū)地下水浸泡、軟化作用及礦區(qū)構(gòu)造作用等。

(1) 采礦作業(yè)是一個(gè)較為復(fù)雜的工程,科學(xué)合理的工程設(shè)計(jì)及采礦工藝規(guī)范化是礦山安全的重要保障,子陵石膏礦建礦較早,長(zhǎng)期以來屬集體、私企性質(zhì),缺乏規(guī)范性開采程序及礦山安全保護(hù)意識(shí),局部礦柱受到了超強(qiáng)回采與剝離,對(duì)礦房空間尺寸沒有嚴(yán)格控制,護(hù)頂膏層的厚度沒有按要求預(yù)留等,導(dǎo)致采空區(qū)空間結(jié)構(gòu)不合理,地應(yīng)力過度集中,對(duì)礦柱、頂板形成破壞,從而引發(fā)采空區(qū)變形。

(2) 礦區(qū)地層主要沉積為第三系—白堊系粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖及泥巖,巖石沉積年代較新,泥質(zhì)、粉砂質(zhì)膠結(jié)程度不高,巖石力學(xué)強(qiáng)度較低,屬軟—半堅(jiān)硬巖類,采空區(qū)形成后,覆巖壓力主要集中在預(yù)留礦柱及采空頂板巖層上,礦柱及采空圍巖在風(fēng)化、疲勞性破壞作用下,巖石強(qiáng)度方面表現(xiàn)為明顯劣化性,巖石強(qiáng)度逐漸低于采空形成期時(shí)的靜力強(qiáng)度,當(dāng)采空區(qū)出現(xiàn)應(yīng)力失衡時(shí),采空區(qū)發(fā)生變形破壞。

(3) 地下水在接受大氣降雨補(bǔ)給后,通過巖石裂隙、構(gòu)造帶及巷道等多個(gè)渠道進(jìn)入下伏采空區(qū),礦區(qū)巖石力學(xué)強(qiáng)度低,泥質(zhì)成分含量較高,地下水在運(yùn)移過程中,不僅能軟化巖石結(jié)構(gòu)面,降低巖體結(jié)構(gòu)內(nèi)力,同時(shí)在入滲到采空區(qū)后形成積水,對(duì)礦柱、圍巖進(jìn)行長(zhǎng)期浸泡、軟化,使巖石力學(xué)強(qiáng)度急劇下降,礦柱失效后采空區(qū)變形。

(4) 礦區(qū)基本位于區(qū)域向斜構(gòu)造的核部,受構(gòu)造營(yíng)力作用,核部地段的巖石其完整性相對(duì)較差,力學(xué)強(qiáng)度較低,不利于地段巖石的穩(wěn)定。礦區(qū)內(nèi)局部發(fā)育的小型斷裂構(gòu)造不僅對(duì)礦層連續(xù)性造成錯(cuò)斷,巖石的完整性受到破壞,形成工程地質(zhì)條件“薄弱”地段,同時(shí)也為礦區(qū)地下水運(yùn)移創(chuàng)造了良好條件。統(tǒng)計(jì)發(fā)生在向斜軸部及斷裂構(gòu)造區(qū)域內(nèi)的塌陷點(diǎn)約25處,占全礦區(qū)已發(fā)地面塌陷總數(shù)的89.3%。

4 地面塌陷發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)及防治對(duì)策建議

4.1 地面塌陷發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)

采空區(qū)變形主要由復(fù)雜井下工程及地質(zhì)環(huán)境的不斷惡化造成,其影響因素較多,各因素間相互作用復(fù)雜,以下主要根據(jù)采空區(qū)分布情況及塌陷分布、變形情況等,進(jìn)行綜合性分析后對(duì)子陵石膏礦采空區(qū)進(jìn)行地面塌陷變形趨勢(shì)預(yù)測(cè)。

子陵石膏礦區(qū)采空區(qū)面積1.16 km2,約占礦區(qū)總面積42%。據(jù)統(tǒng)計(jì):2008年7月-2016年4月子陵石膏礦區(qū)發(fā)生采空區(qū)地面塌陷28處,累計(jì)塌陷面積約15.3×104m2,僅占礦山采空區(qū)面積12.7%。目前,地面塌陷面積遠(yuǎn)小于礦區(qū)采空區(qū)面積,在今后很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi),子陵礦段仍有出現(xiàn)大規(guī)模塌陷的可能。

子陵礦區(qū)東北區(qū)域分布有金陵石膏礦和寶安石膏礦,其中金陵石膏礦采空區(qū)分布面積大,地面塌陷發(fā)生次數(shù)少、面積小。金陵石膏礦采空區(qū)面積占總采空區(qū)面積的34.3%,僅發(fā)生3次地面塌陷,塌陷面積也不足總塌陷面積7%,分析其主要原因是礦區(qū)關(guān)停后,金陵石膏礦持續(xù)抽水至2012年底,目前采空區(qū)尚未形成大量積水。但該區(qū)域采空區(qū)面積大,分布連續(xù),隨著采空區(qū)積水增多,石膏礦柱遭到地下積水浸泡、軟化作用后,發(fā)生大面積地面塌陷的可能性較大。寶安石膏礦雖塌陷次數(shù)較少,但地面塌陷面積相對(duì)較大,以T13塌陷坑為典型代表,當(dāng)采空區(qū)經(jīng)歷了地面塌陷變形后,采空區(qū)空間得到了充填或擠壓,采空區(qū)空間變小,后期的變形將日趨緩和,塌陷區(qū)再次發(fā)生強(qiáng)烈的、大規(guī)模的地面塌陷可能性不大。但前期鉆孔資料可知,目前寶安石膏礦積水達(dá)到一定高度,并且積水量有進(jìn)一步增加的趨勢(shì),采空區(qū)石膏礦柱長(zhǎng)期在水的作用下將逐漸失去支撐作用,從而會(huì)更快的引發(fā)采空區(qū)覆巖失穩(wěn)變形。因此,可以預(yù)測(cè)寶安石膏礦出現(xiàn)大規(guī)模地面塌陷的可能性小于金陵石膏礦,但其目前的穩(wěn)定性遠(yuǎn)差于金陵石膏礦,短期內(nèi)出現(xiàn)塌陷的可能性相對(duì)較大。

子陵礦區(qū)中部區(qū)域分布有新橋石膏礦和福橋石膏礦,采空區(qū)呈連續(xù)分布面積較大,并在該區(qū)域存在大面積的重復(fù)采動(dòng)區(qū)域(開采2層石膏礦區(qū)域)。該區(qū)域采空區(qū)越界開采情況嚴(yán)重,T5、T12兩次大規(guī)模的地面塌陷均發(fā)生在礦區(qū)交界部位。子陵礦區(qū)中部地段石膏礦品位高、厚度大,后期開采預(yù)留礦柱(面積比和寬高比)較小；礦山關(guān)停后,由于該采空區(qū)地勢(shì)較低,易形成匯水區(qū),采空區(qū)礦柱較其他區(qū)域更早被破壞；礦區(qū)的上覆巖層在子陵鋪向斜的構(gòu)造作用影響下,巖層的完整性遭到破壞,更易發(fā)生采空區(qū)地表變形。該區(qū)域在T5、T12、T17塌陷區(qū)繼續(xù)出現(xiàn)塌陷可能性不大,主要以后期地表緩慢變形為主。但在其他區(qū)域,特別是兩個(gè)礦區(qū)越采區(qū)域和重復(fù)采動(dòng)區(qū)域,出現(xiàn)大規(guī)模的塌陷的可能性較大。目前在兩礦區(qū)交界部位也發(fā)現(xiàn)了兩條正在發(fā)育地裂縫LF1、LF2,指示該區(qū)域目前已經(jīng)處于不穩(wěn)定狀態(tài),隨時(shí)有出現(xiàn)塌陷的可能。

子陵礦區(qū)西部區(qū)域分布為曾廟石膏礦,曾廟石膏礦采空區(qū)面積相對(duì)較小,但其采空區(qū)埋深淺,采高大。該區(qū)域早期采礦粗放,井下采空區(qū)結(jié)構(gòu)較差,采空區(qū)整體處于不穩(wěn)定狀態(tài)。據(jù)統(tǒng)計(jì),曾廟石膏礦發(fā)生地面塌陷次數(shù)較多,但總體上以小規(guī)模塌陷坑為主,僅在礦區(qū)北部出現(xiàn)的T15塌陷坑面積相對(duì)較大。根據(jù)前期鉆孔資料,目前曾廟石膏礦采空區(qū)充水水位達(dá)到一定高度,由于與其他礦區(qū)缺乏水力聯(lián)系,其水位普遍高于其他礦區(qū)。該區(qū)域采空區(qū)發(fā)生地面塌陷變形的可能性較大,但由于該區(qū)域采空區(qū)形成規(guī)模有限,預(yù)測(cè)該采空區(qū)域變形將以小面積地面塌陷為主。

礦山關(guān)停后井下抽水活動(dòng)停止,采空區(qū)水位呈逐年上升趨勢(shì),礦區(qū)軟質(zhì)巖層遇水軟化特征明顯,采空區(qū)積水對(duì)礦柱、底板及圍巖的浸泡、軟化作用日漸增強(qiáng),現(xiàn)狀表明地下水對(duì)礦柱的浸泡、軟化作用明顯,采空區(qū)充水將已經(jīng)成為誘發(fā)采空區(qū)地面塌陷或變形的第一影響要素,采空區(qū)充水趨勢(shì)很大程度上將影響下伏采空區(qū)變形的走勢(shì)[10]。目前子陵石膏礦區(qū)采空區(qū)已發(fā)地面塌陷面積約12.7%,石膏礦采空區(qū)變形發(fā)展空間較大,礦山關(guān)停后采空區(qū)無人管理、硐室圍巖體結(jié)構(gòu)破壞加劇、礦坑充水趨勢(shì)明顯等不利因素日漸突出,子陵石膏礦區(qū)采空區(qū)變形將呈明顯加劇趨勢(shì)。

4.2 防治對(duì)策建議

由于歷史原因,2009年荊門市子陵石膏礦區(qū)5家礦山企業(yè)關(guān)停后,礦區(qū)采空區(qū)主體責(zé)任缺失。采空區(qū)地面塌陷防治宜遵循以下途徑:

(1) 健全完善地面塌陷防治管理體系。建立政府主導(dǎo)、部門協(xié)同、分級(jí)負(fù)責(zé)、齊抓共管的地面塌陷防治工作管理體系,嚴(yán)格采空區(qū)工程建設(shè)項(xiàng)目地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估及地面塌陷風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估制度,有效防范地面塌陷災(zāi)害。

(2) 加大宣傳力度,提高全民防災(zāi)意識(shí)。使人民群眾更多地了解塌陷所帶來的嚴(yán)重后果,進(jìn)而增強(qiáng)地質(zhì)環(huán)境保護(hù)意識(shí),使之成為一支減災(zāi)防災(zāi)的生力軍。

(3) 重視采空區(qū)基礎(chǔ)地質(zhì)研究,加強(qiáng)采空區(qū)地面塌陷的調(diào)查。查明區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造、工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件,概化地面塌陷機(jī)制模型,為荊門市地面塌陷防治提供基礎(chǔ)依據(jù)。

(4) 強(qiáng)化采空區(qū)地面塌陷監(jiān)測(cè)。建立采空區(qū)地面塌陷監(jiān)測(cè)、預(yù)警和應(yīng)急處置體系,系統(tǒng)地掌握塌陷區(qū)及不穩(wěn)定區(qū)的動(dòng)態(tài)規(guī)律。一是依托廣大群眾組建地面塌陷群測(cè)群防網(wǎng)絡(luò),進(jìn)行地面塌陷監(jiān)測(cè)預(yù)警;二是在地面塌陷調(diào)查評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上,實(shí)施子陵石膏礦區(qū)地面塌陷監(jiān)測(cè)預(yù)警示范工程,在取得明顯效果后,逐漸推廣并全面落實(shí)全市地面塌陷隱患的專業(yè)監(jiān)測(cè)工作。

(5) 統(tǒng)籌規(guī)劃,合理安排。避免“頭痛醫(yī)頭,腳痛醫(yī)腳” 的短期行為,注意輕重緩急,尤其是治理方案中必須充分考慮與生態(tài)地質(zhì)環(huán)境保護(hù)結(jié)合起來,對(duì)已進(jìn)行試驗(yàn)的措施須認(rèn)真總結(jié),效果好的應(yīng)及時(shí)推廣。

(6) 因地制宜,科學(xué)治理。石膏礦開采造成的塌陷具有毀滅性和不可逆性,因此對(duì)采空區(qū)地面塌陷的治理應(yīng)運(yùn)用塌陷學(xué)、生態(tài)學(xué)、環(huán)境學(xué)等多學(xué)科理論為指導(dǎo),因地制宜,進(jìn)行綜合治理。采空區(qū)地面塌陷地開發(fā)利用和生態(tài)重建應(yīng)本著因地制宜、 綜合利用、 注重實(shí)效的原則,宜農(nóng)則農(nóng)、 宜林則林、宜牧則牧、宜漁則漁、宜草則草、宜園則園、宜建則建的方式進(jìn)行。在無法避讓或避讓代價(jià)高于工程治理代價(jià)的情況下,采用工程措施進(jìn)行治理,防止地面塌陷的進(jìn)一步發(fā)展。

(7) 構(gòu)建地面塌陷防治技術(shù)支撐體系。應(yīng)加強(qiáng)荊門市子陵石膏礦采空區(qū)地面塌陷防治技術(shù)研究,探索地面塌陷監(jiān)測(cè)與防治技術(shù),深化地面塌陷調(diào)查與監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用,開展地面塌陷的成因機(jī)理和預(yù)測(cè)預(yù)報(bào),加強(qiáng)地面塌陷災(zāi)害的防治關(guān)鍵技術(shù)研究,提高地面塌陷預(yù)測(cè)與防治能力。

5 結(jié)論

(1) 荊門市石膏礦采空區(qū)地面塌陷的形成原因復(fù)雜,影響因素眾多,本次研究選取了幾個(gè)單要素與地面塌陷的對(duì)應(yīng)關(guān)系上進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。據(jù)綜合分析結(jié)果,采空區(qū)地面塌陷形成的影響因素主要有區(qū)域構(gòu)造作用、巖土工程地質(zhì)條件、井下粗放型開采、采空區(qū)空間結(jié)構(gòu)及埋深和采空區(qū)充水條件等幾個(gè)方面。

(2) 子陵石膏礦區(qū)采空區(qū)已發(fā)地面塌陷面積占采空區(qū)面積約12.7%,采空區(qū)變形發(fā)展空間較大。礦山關(guān)停后采空區(qū)無人管理、硐室圍巖體結(jié)構(gòu)破壞加劇、礦坑充水趨勢(shì)明顯等不利因素日漸突出,子陵石膏礦采空區(qū)變形將呈明顯加劇趨勢(shì)。

(3) 子陵石膏礦采空區(qū)分布范圍廣、治理難度大,如要徹底解決石膏礦采空區(qū)引起的地質(zhì)環(huán)境問題并非一朝一夕之事,為保障礦區(qū)及其周邊百姓的生命財(cái)產(chǎn)安全,亟需構(gòu)建地面塌陷監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò),完善采空區(qū)地面塌陷監(jiān)測(cè)、預(yù)警和應(yīng)急處置體系,系統(tǒng)地掌握塌陷區(qū)及不穩(wěn)定區(qū)的動(dòng)態(tài)規(guī)律；同時(shí),也需充分調(diào)動(dòng)社會(huì)各方面的積極性,建立多元化、多渠道的投資機(jī)制,鼓勵(lì)社會(huì)援助,努力爭(zhēng)取國(guó)家相關(guān)扶助資金開展礦區(qū)采空區(qū)地面塌陷的綜合防治工作。

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