徐州市地質(zhì)災害特征與防治研究

湯志剛, 閆士民, 蔡承剛, 王宏沛

(江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局第五地質(zhì)大隊，徐州 221004)

0 引言

地質(zhì)災害是由自然或人為因素引發(fā)的、危害或威脅人類生命和財產(chǎn)安全及生存環(huán)境質(zhì)量的不良地質(zhì)作用和現(xiàn)象，包括崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地裂縫及地面沉降等[1]。

徐州市位于江蘇省西北部蘇魯豫皖四省接壤地區(qū)，是江蘇省三大核心都市圈和淮海經(jīng)濟區(qū)的中心城市，經(jīng)濟較發(fā)達，人口較密集，地質(zhì)環(huán)境條件復雜，人類工程活動強烈，礦產(chǎn)資源和地下水資源開采歷史悠久。資源開發(fā)造成了土地資源、山體資源、地下水環(huán)境等生態(tài)環(huán)境的破壞，并誘發(fā)了崩塌、地面塌陷、地面沉降等多種類型的地質(zhì)災害，給本地區(qū)經(jīng)濟建設(shè)帶來了巨大損失，部分地質(zhì)災害甚至對人民生命、財產(chǎn)安全構(gòu)成了直接威脅。

迄今為止，對徐州市地質(zhì)災害已經(jīng)進行過一系列的調(diào)查、研究與評價。韓寶平等[2]及黃敬軍等[3]對徐州市巖溶地面塌陷形成機理及防治進行了分析研究； 葛維琦[4]對煤礦采空地面塌陷的影響因素、特征和災害治理等方面進行了評價； 閆士民等[5]、劉愛斌等[6]及周丹等[7]對邳北石膏礦區(qū)采空地面塌陷特征、穩(wěn)定性及監(jiān)測預警等進行了分析研究； 單以超等[8]及周丹等[9]對睢寧縣城區(qū)地面沉降現(xiàn)狀及穩(wěn)定性進行了調(diào)查評價。本文在前人對徐州市地質(zhì)災害形成機理、災害特征及穩(wěn)定性等研究的基礎(chǔ)上，分析了徐州市崩塌、地面塌陷、地面沉降地質(zhì)災害的現(xiàn)狀特征及其發(fā)展趨勢，并提出了相應(yīng)的災害防治措施。

1 地質(zhì)災害類型與形成機理

1.1 崩塌

崩塌是指高陡坡或陡崖上的巖土體離開母體下落的現(xiàn)象。崩塌按破壞模式可分為滑移式崩塌、傾倒式崩塌和墜落式崩塌[10]。徐州市崩塌主要發(fā)生在人工開挖形成的高陡邊坡上，由于坡體構(gòu)造裂隙發(fā)育，巖體較破碎，在降雨、大風、震動及人工干擾等誘發(fā)因素作用下，坡面危巖體發(fā)生位移，向坡下墜落，從而形成崩塌。

1.2 地面塌陷

地面塌陷為地表巖體或土體在自然作用或人為活動的影響下向下陷落，在地面形成凹陷、坑洞或裂縫的過程和現(xiàn)象，可分為巖溶地面塌陷和采空地面塌陷[1]。

巖溶地面塌陷是指巖溶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，并在地面形成陷坑的一種巖溶地質(zhì)作用和現(xiàn)象，簡稱巖溶塌陷[1]。徐州市巖溶地面塌陷發(fā)生的原因主要是由于塌陷區(qū)巖溶水超采導致水位在基巖面附近作頻繁升降運動，從而引發(fā)潛蝕、真空負壓作用，導致土洞形成并逐漸擴大、上移，最終發(fā)生地面塌陷。

采空地面塌陷是指由于采礦形成地下空間，導致上部巖土層在自重作用下失穩(wěn)而引起的地面塌陷現(xiàn)象[11]。徐州市采空地面塌陷主要與煤礦、鐵礦和石膏礦等地下開采活動有關(guān)。

1.3 地面沉降

地面沉降是指由自然因素或人為活動引發(fā)松散地層壓縮而導致地面高程降低的地質(zhì)現(xiàn)象[1]。徐州市地面高程不斷下降主要是由于含水層地下水的過量開采致使地下水水位下降、土層中孔隙水壓力降低以及土層有效應(yīng)力增大而導致的。

2 地質(zhì)災害特征

2.1 地質(zhì)災害成因

2.1.1 崩塌

徐州市位于魯西南丘陵區(qū)，山體巖性主要為較完整灰?guī)r，崩塌地質(zhì)災害主要發(fā)生在人工開采后形成的高陡邊坡上。由于邊坡巖體裂隙發(fā)育形成危巖體，在降雨、大風、震動等自然因素和人工干擾等誘發(fā)因素作用下，這些危巖體發(fā)生翻轉(zhuǎn)、滑移或墜落，形成崩塌。依據(jù)崩塌形成機理和運動形式進行分類，徐州市崩塌多屬于墜落式崩塌，滑移式崩塌和傾倒式崩塌數(shù)量則較少。

2.1.2 地面塌陷

(1)巖溶地面塌陷。通過分析徐州市巖溶地面塌陷點地層與地質(zhì)構(gòu)造條件、巖溶發(fā)育特征及巖溶水開采等因素可知，導致巖溶地面塌陷的原因主要有以下3點：

第一，徐州市巖溶地面塌陷多受廢黃河斷裂帶及古河道控制。廢黃河斷裂帶基巖裂隙和巖溶較發(fā)育，古河道沉積的砂性土層直接覆蓋在寒武系—奧陶系可溶性碳酸鹽巖上，當基巖中溶洞發(fā)育至基巖頂面后，基巖之上的松散-稍密狀砂性土覆蓋層便會隨地下水流失而產(chǎn)生塌陷。

第二，徐州市巖溶地面塌陷多分布在超量開采地下巖溶水形成的降落漏斗內(nèi)。徐州市巖溶水開采始于1941年，此后水位呈逐年下降趨勢，并出現(xiàn)超采現(xiàn)象[12]，同時因季節(jié)降水量的不同，巖溶水位表現(xiàn)為多年趨勢性下降和季節(jié)性頻繁波動，導致孔隙水與巖溶水聯(lián)系更加密切，加速了孔隙水向巖溶水的補給，所形成的較大水力梯度致使土洞發(fā)育并向上發(fā)展，最終導致地面塌陷。

第三，地面振動及強降雨加劇了徐州市巖溶地面塌陷的發(fā)生。已發(fā)生的巖溶塌陷中有4處位于鐵路路基附近，火車的頻繁振動導致洞頂失穩(wěn)，同時地面振動及強降雨加劇了砂性土的流失，從而引發(fā)巖溶地面塌陷。

(2)采空地面塌陷。徐州市煤礦的采礦方式主要是走向長壁式，采空區(qū)的頂板管理大多為全部垮落法。煤層采出后，在巖體內(nèi)部形成一定空間，其周圍原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)受到破壞，采空區(qū)頂板覆巖失去支撐而垮落，通過煤層頂、底板變形破壞來達到新的應(yīng)力平衡。石膏礦、鐵礦雖采用房柱式開采，留有礦柱用以支撐頂板巖層，但隨著礦層頂、底板及礦柱在地下水和空氣的作用下風化、變形，強度降低，在上覆巖層的自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力的作用下，礦柱可能會發(fā)生較大變形，遭受破壞，從而導致上覆巖層垮落。頂板巖層的變形破壞一般自下而上出現(xiàn)“冒落(垮落)、裂縫和整體移動(彎曲)”3個破壞帶，當這3個帶達到地表時，便會使地表產(chǎn)生移動和變形，即形成采空地面塌陷。

2.1.3 地面沉降

豐、沛、睢地區(qū)分布有大面積巨厚的未固結(jié)松散地層，顆粒較細，可壓縮性強，為地面沉降提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。由于長期過量開采地下水，區(qū)域性深層地下水位不斷下降，土體的天然應(yīng)力失去平衡，致使砂層中的孔隙水壓力降低，土層的有效應(yīng)力增大，含水層被壓縮發(fā)生變形，進而引發(fā)地面沉降。豐、沛、睢地區(qū)地面沉降區(qū)主要分布于地下水開采強烈、水位下降幅度較大的區(qū)域(累計降幅大于30 m)，且與區(qū)內(nèi)地下水位降落漏斗相吻合。

2.2 地質(zhì)災害空間分布

徐州市地質(zhì)災害主要包括崩塌、地面塌陷和地面沉降，各類災害的空間分布情況見圖1。

圖1 徐州市地質(zhì)災害空間分布

Fig.1DistributionofgeologicalhazardsinXuzhouCity

2.2.1 崩塌

徐州市崩塌地質(zhì)災害主要分布于睢寧縣、邳州市、賈汪區(qū)、銅山區(qū)和徐州市區(qū)剝蝕殘丘山體周邊人工開采宕口內(nèi)。睢寧縣、邳州市、賈汪區(qū)、銅山區(qū)崩塌點大多遠離居民區(qū)，雖存在發(fā)生崩塌的物質(zhì)條件和誘發(fā)因素，但由于人跡罕至，危險性較??； 而市區(qū)部分崩塌點多位于居民區(qū)、廠區(qū)或道路周邊，威脅人口較多，危險性較大。

2.2.2 地面塌陷

2.2.2.1 巖溶地面塌陷

徐州巖溶地面塌陷主要分布于城市中心區(qū)黃河故道周邊。徐州市最早的巖溶地面塌陷事件發(fā)生于1986年5月27日徐州市溶劑廠。此后，在新生里、民安巷、五交化商場、開明市場、朝陽路和下洪村等地先后發(fā)生巖溶地面塌陷14起，共20個塌陷坑(表1、圖2)。

表1 徐州市巖溶地面塌陷地質(zhì)災害一覽表

(續(xù)表)

圖2 徐州市主要巖溶地面塌陷點分布Fig.2 Distribution of main Karst collapse points in Xuzhou City

2.2.2.2 采空地面塌陷

徐州市有130余年的采煤歷史，多年開采造成采煤沉陷區(qū)廣泛分布，涉及賈汪區(qū)、銅山區(qū)、泉山區(qū)、鼓樓區(qū)、沛縣和豐縣(圖1)，總面積282.26 km2左右。目前,徐州市煤礦采空地面塌陷地質(zhì)災害隱患點有50余處。

徐州市地下開采鐵礦礦山位于銅山區(qū)利國鎮(zhèn)和沛縣棲山鎮(zhèn)、張寨鎮(zhèn)，多年地下開采引發(fā)了數(shù)次地面塌陷地質(zhì)災害，對原始地形地貌造成了一定的改造與破壞。

徐州市石膏礦采空地面塌陷主要分布于邳州市北部。截至2018年底，邳州北部石膏礦區(qū)內(nèi)共發(fā)生21處采空地面塌陷，基本特征見表2。按塌陷形成機理及形態(tài)特征，可將其分為面狀地面變形、波狀地面塌陷和點狀地面塌陷3類。

2.2.3 地面沉降

地面沉降主要發(fā)生在豐、沛、睢城區(qū)及周邊地下水強烈開采區(qū)，形成睢寧城區(qū)、沛縣城區(qū)—大屯及豐縣城區(qū)3大沉降漏斗。其中，豐、沛地區(qū)地面沉降發(fā)生時間較早，1988年已形成與開采區(qū)一致的沉降漏斗，最大累計沉降量達329 mm，至2006年，最大累計沉降量達821 mm，平均沉降速率為27 mm/a，根據(jù)地面沉降監(jiān)測資料及地下水降落漏斗分布范圍，推測目前該區(qū)累計沉降量>200 mm的區(qū)域面積達200 km2，累計沉降量>100 mm的區(qū)域面積達600 km2[13](圖3)。睢寧城區(qū)地面沉降主要發(fā)生于城區(qū)西北部菁華學校一帶及城區(qū)東部紅旗橋—高作水廠一帶，2009—2013年最大累計沉降量分別約為290 mm和250 mm[8](圖4)。

表2 邳北石膏礦區(qū)采空地面塌陷基本情況一覽表

(續(xù)表)

圖3 1988—2018年豐、沛地區(qū)地面沉降等值線圖Fig.3 Isogram of ground subsidence in Feng-Pei area from 1988 to 2018

圖4 2009年—2013年睢寧城區(qū)地面沉降等值線圖Fig.4 Isogram of ground subsidence in Suining urban area from 2009 to 2013

2.3 地質(zhì)災害發(fā)展趨勢

2.3.1 崩塌

自2005年以來，徐州市共治理了57個廢棄露采礦山，消除了多處崩塌地質(zhì)災害隱患。目前徐州市已完成全市范圍露采礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查和崩塌地質(zhì)災害隱患點排查工作，后期將按規(guī)劃開展崩塌地質(zhì)災害治理工作。崩塌地質(zhì)災害將逐步減少，危害性也將進一步減小。

2.3.2 地面塌陷

(1)巖溶地面塌陷。目前，巖溶區(qū)工程建設(shè)皆針對巖溶發(fā)育特征采取了相應(yīng)的防治措施，從源頭上防止了巖溶地面塌陷的發(fā)生。此外，徐州市已限采地下水，并充分開發(fā)利用駱馬湖、南四湖等地表水源，對巖溶水位的穩(wěn)定起到一定的促進作用，可進一步降低巖溶地面塌陷發(fā)生的風險。

(2)采空地面塌陷。目前，城市規(guī)劃區(qū)煤礦已閉坑多年，區(qū)內(nèi)既有采空區(qū)已達到基本穩(wěn)定或穩(wěn)定，后期地表變形進入殘余變形期，發(fā)生地面塌陷地質(zhì)災害的可能性較小。但豐、沛地區(qū)煤礦企業(yè)大部分還處于生產(chǎn)狀態(tài)，區(qū)內(nèi)存在大量新生采空區(qū)，部分尚未發(fā)生地面塌陷的采空區(qū)地面變形會隨著時間的推移而不斷增加，極有可能發(fā)生地面塌陷。

目前，銅山區(qū)利國鎮(zhèn)和沛縣棲山鎮(zhèn)、張寨鎮(zhèn)地下開采鐵礦礦山主要采用充填式開采，對地表及其建筑物造成的影響較小，因此，鐵礦區(qū)地面塌陷主要由前期開采所引起。根據(jù)礦層開采特征和圍巖結(jié)構(gòu)特征，結(jié)合已發(fā)生的地面塌陷的特點，預計區(qū)內(nèi)發(fā)生地面塌陷的可能性較小，主要形式為小型突發(fā)地表塌陷坑。

邳北石膏礦區(qū)現(xiàn)在處于停采狀態(tài)，若未來進行規(guī)范開采，其開采深厚比將大于80，對地表及其建筑物造成的影響較小。由此說來，邳北石膏礦區(qū)地面塌陷主要由前期不規(guī)范開采所引起。目前，地面塌陷地質(zhì)災害仍時有發(fā)生，既有巷道頂、底板及礦柱將長期遭受水浸侵蝕，并不斷剝落、片幫、塌落，最終失去強度，形成地面塌陷坑及地面裂縫，甚至還將引發(fā)大面積的地面塌陷。

2.3.3 地面沉降

與蘇錫常及沿海等地面沉降嚴重區(qū)相比，豐、沛、睢地區(qū)地面沉降發(fā)生時間較晚，嚴重程度也較低，但近年來發(fā)展較快。不過，隨著對豐、沛、睢地區(qū)地下水開采的控制，地面沉降趨勢將有所減緩。

3 地質(zhì)災害防治

3.1 崩塌

目前，針對崩塌地質(zhì)災害的防治措施主要是開展露采礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查和崩塌地質(zhì)災害隱患點的排查工作，并在此基礎(chǔ)上，對存在崩塌地質(zhì)災害隱患的宕口進行工程治理，消除地質(zhì)災害隱患。此外，還要加強地質(zhì)災害防治管理與宣傳工作，提高公眾的減災、防災意識，減少人員、財產(chǎn)損失。

3.2 地面塌陷

3.2.1 巖溶地面塌陷

目前，針對巖溶地面塌陷的防治措施主要有以下幾個方面：一是進行巖溶塌陷易發(fā)區(qū)劃分，在巖溶塌陷易發(fā)區(qū)內(nèi)開展大比例尺專項地質(zhì)勘查工作，在巖溶塌陷發(fā)育地段開展巖溶塌陷監(jiān)測并建立巖溶塌陷地質(zhì)災害信息管理系統(tǒng)及相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫； 二是在工程建設(shè)前對場地進行巖溶塌陷地質(zhì)災害危險性評估及巖溶專項勘察工作，針對場地巖溶發(fā)育特征，采取注漿或其他地基基礎(chǔ)與結(jié)構(gòu)工程措施。

3.2.2 采空地面塌陷

目前，針對采空地面塌陷的防治措施主要有以下幾個方面：一是加強采空地面塌陷區(qū)工程勘察和建設(shè)用地適宜性評價工作，分區(qū)評價采空地面塌陷易發(fā)性和危險性，針對采空區(qū)特征采取注漿或其他地基基礎(chǔ)與結(jié)構(gòu)工程措施，從源頭上預防并減少災害； 二是加強管理，規(guī)范鐵礦、石膏礦的開采，可采取充填式開采方法，保證地表變形量在可控、無害范圍內(nèi)。

3.3 地面沉降

目前，針對地面沉降的防治措施主要有以下幾個方面：一是充分利用現(xiàn)有的地表水廠，開發(fā)新的地表水源地，加強地下水開采管理，實行地下水限采或禁采，減少對地下水的長期開采，把地下水開采量控制在合理范圍內(nèi)； 二是建立地下水監(jiān)測系統(tǒng)與地面沉降監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系，及時掌握地下水、地面沉降動態(tài)情況，適時調(diào)整地下水開采計劃，實現(xiàn)對地下水資源的動態(tài)管理。

4 結(jié)論

通過對徐州市近年來地質(zhì)災害調(diào)查與防治工作的梳理歸納，得出以下結(jié)論:

(1)徐州市地質(zhì)災害的類型主要有崩塌、地面塌陷、地面沉降等，主要由人類開采礦產(chǎn)資源和地下水資源等工程活動引起。

(2)崩塌地質(zhì)災害主要分布于剝蝕殘丘山體周邊人工開采宕口內(nèi)； 巖溶地面塌陷主要分布于城市中心區(qū)黃河故道周邊； 煤礦采空地面塌陷主要分布于賈汪區(qū)、銅山區(qū)、泉山區(qū)、鼓樓區(qū)、沛縣和豐縣； 鐵礦采空地面塌陷主要分布于銅山區(qū)利國鎮(zhèn)和沛縣棲山鎮(zhèn)、張寨鎮(zhèn)； 石膏礦采空地面塌陷主要分布于邳州市北部； 地面沉降主要分布于豐、沛、睢城區(qū)及周邊地下水強烈開采區(qū)。

(3)隨著崩塌地質(zhì)災害治理工作的推進，崩塌地質(zhì)災害將逐步減少； 由于工程建設(shè)中采取了相應(yīng)的防治措施以及地下水控制開采措施，巖溶地面塌陷發(fā)生的風險將進一步降低； 采空地面塌陷主要由煤礦、鐵礦和石膏礦的開采引起，后期新的煤礦采空區(qū)將引發(fā)大面積地面塌陷，鐵礦、石膏礦地面塌陷主要由不穩(wěn)定的老采空區(qū)引起； 由于地下水的控制開采，地面沉降將進一步緩解。

(4)地質(zhì)災害防治措施主要有控制地下水開采、采用礦山綠色開采方式、進行調(diào)查評價監(jiān)測以及采取各種工程措施等。