湖北某礦區(qū)地面塌陷機(jī)理研究

姜再晨，楊 仙，楊榮豐，徐卓榮，肖宇鋒

（湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201）

礦山開采引發(fā)地面塌陷是一種常見的地質(zhì)環(huán)境問題[1-3]，塌陷嚴(yán)重時，甚至?xí)T發(fā)其他地質(zhì)災(zāi)害[4]，形成災(zāi)害鏈[5-6]。礦區(qū)地面塌陷影響因素眾多，形成機(jī)理復(fù)雜。王祥永等[7]研究了平邑縣左莊石膏礦區(qū)塌陷機(jī)理，認(rèn)為是孔隙潛水?dāng)y帶泥砂流入礦坑發(fā)生潛蝕作用，導(dǎo)致了土洞形成、擴(kuò)大及地面塌陷。李遠(yuǎn)耀[8]等針對廣西合山淺埋煤層開采地面塌陷進(jìn)行了離散元數(shù)值模擬研究，研究了采空區(qū)頂板破壞與地表變形之間的關(guān)系。陳龍龍等[9]對程潮鐵礦東區(qū)塌陷機(jī)制進(jìn)行了研究，認(rèn)為地下采礦是誘因，地質(zhì)條件的內(nèi)因，二者共同作用導(dǎo)致了大理巖及圍巖蝕變帶中首先出現(xiàn)塌坑，進(jìn)而導(dǎo)致巖體折斷，最終形成地面塌陷。由上述研究可知，礦區(qū)地表塌陷與礦區(qū)工程地質(zhì)水文地質(zhì)條件，以及采礦活動均是密不可分的。

近年來，湖北大冶某礦區(qū)為減小環(huán)境影響，先后施工了兩期帷幕注漿工程[10]。但隨著礦山開采，二期帷幕施工后，距離礦區(qū)較遠(yuǎn)的區(qū)域出現(xiàn)新的地面塌陷，對農(nóng)田、交通、水利等均造成了不同程度的影響，且塌陷還有持續(xù)擴(kuò)展的趨勢。因此，亟需查明區(qū)內(nèi)塌陷的致災(zāi)機(jī)理及發(fā)展趨勢，提出切實(shí)可行的治理措施，為地方減災(zāi)防災(zāi)工作提供理論依據(jù)及技術(shù)支撐。為此，作者等對該礦區(qū)進(jìn)行了地面調(diào)查、物探等工作。

1 塌陷區(qū)地質(zhì)概況

1.1 地形地貌

塌陷區(qū)位于某湖盆地貌區(qū)中心，地面標(biāo)高約19～22 m。區(qū)內(nèi)地勢平坦，區(qū)內(nèi)人工灌溉溝渠發(fā)育，塌陷位于農(nóng)田中，北側(cè)為居民區(qū)，房屋分布緊密，南側(cè)為河流（圖1）。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

塌陷區(qū)地處揚(yáng)子陸塊IV 級構(gòu)造單元大冶凹褶斷束，大冶復(fù)式向斜南翼，陽新侵入體西北端。北西西向（近東西向）構(gòu)造控制三疊紀(jì)大理巖和巖體的分布，為本區(qū)主要的構(gòu)造格架。因受北東向構(gòu)造疊加的影響，接觸構(gòu)造產(chǎn)狀軸向南東傾斜。塌陷區(qū)多分布于接觸帶附近（圖2）。

塌陷區(qū)主要發(fā)育三條斷層：F20、F16、F26（圖1）。

圖1 塌陷區(qū)平面圖Fig.1 Plan of the collapse area

圖2 塌陷區(qū)構(gòu)造地質(zhì)圖Fig.2 Structural geological map of the collapse area

F20斷層：展布在工作區(qū)東部，是新華夏系區(qū)域壓扭性斷裂，走向15°～20°，傾向東南，傾角70°～85°。

F16斷層：展布在工作區(qū)西部，走向30°，傾向北。

F26斷層：展布在工作區(qū)北部并在西側(cè)切割斷層F16，其上盤為白堊紀(jì)～古近紀(jì)砂礫巖，下盤為大冶群大理巖。走向近東西，傾向北，傾角78°。根據(jù)以往鉆孔揭露，該斷層破碎帶巖溶發(fā)育，在斷裂破碎帶處揭露一個高4.53 m 的串珠狀溶洞。

1.3 地層巖性

根據(jù)鉆孔揭露，塌陷區(qū)內(nèi)均被第四系湖積黏土、粉質(zhì)黏土和人工堆積等覆蓋，巖性主要為中下三疊大冶組白云巖、灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，均已變質(zhì)為大理巖?，F(xiàn)由新至老分述如下：

（1）第四系：主要由湖積腐植土、黏土、粉質(zhì)黏土、少量砂礫石及人工堆積（廢渣）等組成。覆蓋于大理巖之上，南部與東部覆蓋與巖漿巖之上。厚約9～14 m。

（2）白堊系：主要由砂礫巖組成。分布于礦區(qū)西部，厚約12.8 m。主要由土紅、磚紅、黃褐及黑色硅質(zhì)巖、燧石和大理巖礫石組成，并見有少量赤、磁鐵礦礫石。砂礫巖之上覆蓋第四系黏土層，下伏三疊系中下統(tǒng)大冶組白云巖、灰?guī)r。

（3）三疊系：區(qū)內(nèi)見中下三疊統(tǒng)大冶組白云巖、灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r。根據(jù)巖性劃分為大冶組的第一、第二巖性段，已變質(zhì)為大理巖。主要分布在礦區(qū)北部。向東與金湖接觸帶之大理巖連成一片，并延伸至石頭咀；向西可與雞冠咀的大理巖相連。

塌陷區(qū)巖漿巖活動頻繁，侵入巖和噴出巖廣泛分布。附近出露的巖漿巖屬燕山期陽新復(fù)式巖體外圍的小巖體（銅綠山巖體），巖性主要為花崗閃長巖和花崗閃長斑巖，花崗閃長巖與大冶組大理巖的接觸構(gòu)造為本區(qū)主要的控礦構(gòu)造。

1.4 水文地質(zhì)條件

塌陷區(qū)內(nèi)地下水可分為新生界松散孔隙水，中生界殘坡積孔隙水、巖漿巖風(fēng)化裂隙水、三疊系碳酸鹽巖巖溶裂隙水。北部為碳酸鹽巖含水巖組，南部為巖漿巖隔水巖組，水文地質(zhì)條件屬巖溶充水礦床、復(fù)雜類型。

根據(jù)塌陷區(qū)含水層、隔水層分布特征，塌陷區(qū)西部桃花咀礦區(qū)與塌陷區(qū)之間的白堊系下統(tǒng)碎屑類和巖漿巖組成了塌陷區(qū)西部隔水邊界；塌陷區(qū)南部銅綠山巖漿巖體構(gòu)成了塌陷區(qū)的南部隔水邊界；塌陷區(qū)北部下白堊統(tǒng)、上白堊統(tǒng)～古近系碎屑巖組成了塌陷區(qū)北部隔水邊界（圖3）。

圖3 塌陷區(qū)水文地質(zhì)簡圖Fig.3 Hydrogeological map of the collapse area

圖4 新塌陷坑（XTX1－XTX4）Fig.4 New collapse（XTX1－XTX4）

2 地面塌陷基本特征

該區(qū)歷史塌陷主要集中于礦區(qū)中部及河堤東北部（圖1），并于近期在河堤北部發(fā)生新的地面塌陷（圖1）。新發(fā)塌陷坑平面形態(tài)呈“圓形”、“橢圓形”、“條帶狀”，塌陷坑大小不一（圖4），塌陷區(qū)域范圍長約73 m，寬約67 m，面積約4891 m2，平均深度約4～6 m。其中，出露落水洞的塌陷坑部分直徑約31 m，深約14.3 m。塌陷坑有面積擴(kuò)大、深度增加的趨勢，存在地表水倒灌現(xiàn)象，地面塌陷正處于發(fā)展趨勢，持續(xù)發(fā)生地面塌陷的可能性較大。

3 地面塌陷機(jī)理分析

3.1 巖溶塌陷內(nèi)因分析

由物探成果圖可以看出（圖5），塌陷發(fā)生在第四系覆蓋型大理巖分布區(qū)，上部地層為第四系沖洪積層，厚15 m 左右，中部為松散砂礫層，底部為大冶組大理巖，具備巖溶塌陷的地質(zhì)條件。根據(jù)物探成果，可推測該區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖基巖面呈現(xiàn)出高低不平，碳酸鹽巖頂面起伏差異較大，說明基巖面遭受地表水溶蝕、沖蝕較為劇烈，局部區(qū)域形成了高低不平的溶溝、溶槽等。以往鉆孔資料揭示，部分區(qū)域有溶洞發(fā)育。

塌陷區(qū)一帶第四系松散層具多元地質(zhì)結(jié)構(gòu)，其上部為沖湖積相的黏土層，下部為結(jié)構(gòu)松散的沖積砂礫石層；且砂礫石層構(gòu)成大理巖的頂板，砂礫石含水層與大理巖含水層水力聯(lián)系緊密，具統(tǒng)一地下水面。隨著礦山的開拓、大理巖水位下降及水力坡度的增大，地下水對結(jié)構(gòu)松散的砂礫石層將產(chǎn)生強(qiáng)烈的潛蝕能力，易產(chǎn)生塌陷。綜上，區(qū)域內(nèi)第四系覆蓋層下方碳酸鹽巖中巖溶發(fā)育，這是形成本區(qū)地面塌陷的內(nèi)在原因。

3.2 巖溶塌陷外因分析

銅鐵礦于2014 年8 月開始進(jìn)行帷幕注漿工作，2016 年6 月Ⅰ期施工完畢，2019 年初Ⅱ期施工完畢。施工完畢后，水文試驗揭示帷幕注漿工程發(fā)揮了作用。但近期的新發(fā)塌陷，說明該區(qū)域水動力因素再次發(fā)生了變化，導(dǎo)致了塌陷的產(chǎn)生。因此，有必要論證帷幕注漿后礦山疏排水情況。

圖5 高密度電法勘探3線推斷解釋剖面圖Fig.5 The inferred interpretation profile for high density electrical exploration of the line 3

由于塌陷區(qū)域及礦區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜，巖溶裂隙發(fā)育，帷幕注漿屬地下隱蔽工程，對巖溶裂隙的揭露不一定全面。加上礦區(qū)生產(chǎn)爆破震動等因素影響，帷幕注漿很難完全堵水。根據(jù)天然電場選頻法Ⅰ—Ⅰ′測線成果圖（圖6）可見，如F0-F6 頻率探測在測點(diǎn)9-12、14-20、30-32 處動態(tài)信息明顯，對應(yīng)說明Ⅱ期帷幕k1～k3、k4～k6、k16～k18 存在異常（圖1），揭示有地下水泄露情況。同時，礦區(qū)整體水位呈持續(xù)下降趨勢，如，位于異常區(qū)帷幕里側(cè)（屬礦區(qū)）的觀測孔11（圖1）因采礦活動的影響，水位變化較大，2017 年1 月至近期水位下降了51.3 m。根據(jù)現(xiàn)場勘查河床河堤底部未發(fā)現(xiàn)裂縫及沉降，河流水位未有明顯下降。據(jù)此推測，物探揭示的Ⅱ期帷幕三個泄露點(diǎn)與塌陷區(qū)地下裂隙相連形成地下水過水通道（圖1），但該過水通道未與地表河流產(chǎn)生連通，未明顯影響地表水體水位情況。由于采礦及疏排水引起的地下水由港堤北岸新發(fā)塌陷區(qū)域向礦區(qū)流動在一定程度上是存在的，當(dāng)?shù)V山強(qiáng)烈疏排水時，改變了地下水水動力條件，地下水流通過地下過水通道進(jìn)入礦坑，引起地下水流速和坡降增大，使上覆表土層及巖溶裂中的充填物受到水流潛蝕、沖刷和掏空作用，使溶洞頂部土體失去了自然平衡而產(chǎn)生塌陷。這是形成本區(qū)地面塌陷的外在原因。

3.3 塌陷機(jī)理分析

目前，學(xué)術(shù)界對于塌陷成因主要有潛蝕論[11]、真空吸蝕[12]、潛蝕～真空吸蝕[13]、振動論與液化論[14]等不同觀點(diǎn)。對于巖溶區(qū)地面塌陷，我們不能將不同影響因素割裂開來，大部分巖溶地面塌陷是上述綜合因素共同作用的結(jié)果[15-20]。

根據(jù)區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育條件、地下水動力條件、疏排水因素綜合分析，區(qū)內(nèi)上覆土層力學(xué)性質(zhì)較差，容易受地下水侵蝕破壞；區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖基巖面高低不平，受地表水溶蝕、沖蝕嚴(yán)重，從而形成的溶洞、溶溝為地面塌陷提供了物質(zhì)儲存及運(yùn)移空間（圖7a）；隨著礦山的疏排水，地下水隨著漏水點(diǎn)連通過水通道導(dǎo)致塌陷區(qū)水位下降及水力坡度的增大，地下水對結(jié)構(gòu)松散的黏土層及砂礫石層產(chǎn)生強(qiáng)烈的潛蝕能力，從而形成空洞（圖7b）；進(jìn)入溶洞的砂礫石隨著地下水疏干等徑流沿溶洞、溶隙、斷層堆積，隨著空洞不斷增大造成塌陷（圖7c），相鄰的塌陷坑隨著水動力條件繼續(xù)變化，最終連成大規(guī)模塌陷（圖7d）。

圖7 某礦區(qū)地面塌陷成因機(jī)制示意圖Fig.7 Mechanism of ground collapse in a mining area

4 塌陷發(fā)展趨勢及防治對策

4.1 塌陷發(fā)展趨勢

目前在巖溶塌陷較易發(fā)區(qū)內(nèi)，根據(jù)巖溶埋藏條件，巖溶發(fā)育程度、地下水賦存以及推斷的地下水過水通道等因素，進(jìn)一步圈定兩個易發(fā)塌陷區(qū)：I1、I2（圖1）。

I1：分布在新塌陷區(qū)中部、河堤北部，東邊以第四系與下伏三疊系大冶組地層界線為界；西邊以第四系與下伏三疊系大冶組地層界線為界；南邊以大理巖與巖漿巖接觸帶為界。

I2：分布在河堤西北部。該區(qū)歷史上發(fā)生多次塌陷，塌陷發(fā)生頻率較高。

根據(jù)歷史資料，河床內(nèi)曾發(fā)生過塌陷，不排除今后地下水急劇變化情況下港堤及河床會發(fā)生塌陷。

4.2 塌陷防治對策

（1）礦區(qū)應(yīng)盡快完善帷幕，根據(jù)物探揭示的異常，封堵過水通道，縮小疏干漏斗擴(kuò)展，阻滯礦區(qū)外側(cè)水流入礦坑，從而限制礦區(qū)外側(cè)水動力條件增大。

（2）塌陷產(chǎn)生后，應(yīng)及時回填塌陷坑，以防塌陷災(zāi)害擴(kuò)大。塌陷坑的回填可采用塊石、碎石、砂及黏土，盡可能的按反濾層的要求進(jìn)行回填，地表應(yīng)鋪設(shè)2～3 m 厚的黏土，并以碾壓夯實(shí)。

（3）嚴(yán)格控制開采深度，保持采坑水位在合理水平，緩慢排水，合理控制各階段水位降低強(qiáng)度，防止塌陷范圍繼續(xù)擴(kuò)大。

（4）加強(qiáng)塌陷區(qū)周邊的河流量和周圍礦山及設(shè)施的宏觀巡視監(jiān)測工作，對港堤等區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測。啟動地質(zhì)災(zāi)害群測群防系統(tǒng)，在塌陷影響范圍及周邊樹立警示牌，劃定危險范圍，禁止村民進(jìn)入危險區(qū)。同時根據(jù)地面塌陷多發(fā)時段，定期不定期的進(jìn)行預(yù)報，以利提前采取防衛(wèi)措施，減少災(zāi)害損失。

5 結(jié)論

（1）本區(qū)新近塌陷主要集中于河堤北部地勢低洼的水田、沖溝附近，隨著地質(zhì)條件的發(fā)展及開采等生產(chǎn)活動的影響，不排除塌陷坑進(jìn)一步發(fā)展的可能。

（2）區(qū)域內(nèi)第四系覆蓋層下碳酸鹽巖中巖溶發(fā)育，這是形成本區(qū)地面塌陷的內(nèi)因；止水帷幕中三個泄漏點(diǎn)與地下裂隙連通形成過水通道，礦山開采疏排水造成塌陷區(qū)地下水流失，這是形成本區(qū)地面塌陷的外因；在內(nèi)外因素共同作用下，地下水流失，地表結(jié)構(gòu)松散的黏土層及砂礫石層產(chǎn)生潛蝕，形成空洞，并不斷增大導(dǎo)致塌陷，這是本區(qū)地面塌陷的機(jī)理。

（3）礦區(qū)應(yīng)根據(jù)物探揭示的異常，盡快完善帷幕，封堵過水通道；及時回填塌陷坑，防止災(zāi)害擴(kuò)大；未來礦業(yè)活動中，應(yīng)嚴(yán)格控制開采深度，緩慢排水，合理控制各階段水位降低強(qiáng)度，控制單次放炮炸藥量和爆破延時間距；加強(qiáng)該區(qū)域巡檢及地面變形監(jiān)測，啟動地質(zhì)災(zāi)害群測群防系統(tǒng)。