漣源市七星街鎮(zhèn)洪源社區(qū)—茹草村地面塌陷特征分析

謝繼明，李常輝

(湖南省煤田地質(zhì)局第六勘探隊(duì)，湖南 湘潭 411100)

工作區(qū)位于漣源市七星街鎮(zhèn)境內(nèi)，涵蓋洪源社區(qū)、煙竹村、石珠嶺村、茹草村，總面積7.20 km2，區(qū)內(nèi)有煤礦2家，年產(chǎn)原煤9.0萬(wàn)噸。區(qū)內(nèi)屬低山～丘陵地形，碳酸鹽巖分布廣，巖溶發(fā)育。因采煤活動(dòng)及強(qiáng)降雨影響，造成地下水水位大幅波動(dòng)，使上覆巖土體失去浮托力，進(jìn)而產(chǎn)生地面塌陷、房屋開(kāi)裂變形。筆者在進(jìn)行《漣源市七星街鎮(zhèn)煙竹村8組、三角村2組、欄馬村老屋組地面變形地質(zhì)災(zāi)害補(bǔ)充調(diào)查》工作時(shí)，通過(guò)收集區(qū)域地質(zhì)資料、水工環(huán)地質(zhì)調(diào)查，結(jié)合物探、鉆探及土工試驗(yàn)，對(duì)工作區(qū)內(nèi)的地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害的地質(zhì)環(huán)境條件進(jìn)行了調(diào)查評(píng)價(jià)，對(duì)地面塌陷成因和形成機(jī)理進(jìn)行了分析，并提出相應(yīng)的防治建議。

1 地質(zhì)環(huán)境條件

1.1 氣象水文

工作區(qū)屬亞熱帶氣候，溫暖濕潤(rùn)，雨量充沛，夏熱冬寒，四季分明，年平均氣溫17 ℃，年平均降雨量為1 450.97 mm,集中降雨時(shí)間為4～6月，易誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。區(qū)內(nèi)溪流主要有歸水河、臘馬溪，歸水河屬湘江水系漣水河支流湄江分支，流向?yàn)樽员毕蚰?，常年有水，其流量一般?61.42 m3/s；臘馬溪為常年性溪流。另區(qū)內(nèi)分布有眾多的山間小溪流和小型水庫(kù)及山塘，較大的水庫(kù)有文革水庫(kù)與石珠水庫(kù)[1]。

1.2 地形地貌

工作區(qū)總體地勢(shì)為北高南低，向河谷逐步降低；屬低山～丘陵地形，最高點(diǎn)位于北部大眾排474.3 m，最低點(diǎn)位于西南部石溪橋142.2 m，區(qū)內(nèi)主要地貌類(lèi)型為侵蝕堆積地貌類(lèi)型和溶蝕構(gòu)造地貌丘陵溝谷。

1.3 地層巖性

區(qū)內(nèi)地層有：第四系(Q)、三疊系下統(tǒng)大冶組(T1d)、二疊系上統(tǒng)長(zhǎng)興組(P2c)、二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P2l)、二疊系下統(tǒng)茅口組(P1m)。以碳酸鹽沉積為主，主要的沉積建造類(lèi)型為淺海相灰?guī)r建造。二疊系下統(tǒng)茅口組(P1m)巖性為淺灰色厚-巨厚層狀石灰?guī)r，質(zhì)純，巖溶發(fā)育，溶蝕現(xiàn)象強(qiáng)烈，為區(qū)內(nèi)地面塌陷發(fā)育主要地層。

1.4 地質(zhì)構(gòu)造

工作區(qū)位于橋頭河向斜西北翼東北部，總體為單斜構(gòu)造，地質(zhì)構(gòu)造條件簡(jiǎn)單。

1.5 巖土體工程地質(zhì)、水文地質(zhì)特征

區(qū)內(nèi)巖土體工程地質(zhì)、水文地質(zhì)特征見(jiàn)表1、表2。

表1 工程地質(zhì)類(lèi)型及特征一覽表

表2 地下水類(lèi)型及富水性分級(jí)一覽表

2 區(qū)內(nèi)地面塌陷現(xiàn)狀及特征

2.1 地面塌陷現(xiàn)狀

地面塌陷為區(qū)內(nèi)地面變形地質(zhì)災(zāi)害主要類(lèi)型。根據(jù)2017年地面變形補(bǔ)充調(diào)查項(xiàng)目的調(diào)查結(jié)果，區(qū)內(nèi)共有地面塌陷48處，其中巖溶地面塌陷44處、采空地面塌陷4處，規(guī)模以小型為主，地面塌陷已損壞房屋100間，直接經(jīng)濟(jì)損失113.3萬(wàn)元，威脅人口500余人[1]。

2.2 分布特征

調(diào)查區(qū)內(nèi)已發(fā)生的地面塌陷坑主要分布于巖溶強(qiáng)烈的覆蓋型碳酸鹽巖地區(qū)、采煤活動(dòng)強(qiáng)烈地區(qū)、地下水主要徑流區(qū)和排泄區(qū)。區(qū)內(nèi)二疊系茅口組厚層狀塊狀灰?guī)r質(zhì)純，相對(duì)溶解速度較大，塌陷多分布在灰?guī)r與煤系地層接界處。調(diào)查資料表明，區(qū)內(nèi)塌陷坑多分布于地形低洼或地下水排泄區(qū)附近，其地貌類(lèi)型為溶蝕構(gòu)造地貌丘陵溝谷，少量塌陷坑位于山坡。

2.3 發(fā)育特征

區(qū)內(nèi)地面塌陷共48處，其中巖溶地面塌陷44處、采空地面塌陷4處。規(guī)模：中型5處、小型43處；長(zhǎng)列式19處、群集式29處；8處穩(wěn)定、16處較穩(wěn)定、24處不穩(wěn)定。剖面形態(tài)呈碟狀、錐狀，深度為1.0～8.0 m。平面形態(tài)呈近圓形、橢圓形、長(zhǎng)方形、不規(guī)則型，直徑1.0～15.0 m不等，詳見(jiàn)表3。

表3 地面塌陷坑特征統(tǒng)計(jì)表

續(xù)表3

編號(hào)發(fā)生時(shí)間地層平面形態(tài)剖面形態(tài)長(zhǎng)軸/m短軸/m深度/m規(guī)模TX0072015.12P1m橢圓形錐狀3.102.403.50小型TX0082008.3P1m圓形錐狀5.00/3.00小型TX0092015.4P1m圓形錐狀2.00/5.00小型TX0182013.1P1m圓形錐狀4.00/8.00小型TX0192013.1P1m長(zhǎng)方形碟狀8.004.006.00小型TX0202013.1P1m圓形錐狀3.00/5.00小型TX0212013.1P1m圓形錐狀3.00/5.00小型TX0222012.4P1m圓形錐狀1.00/1.00小型TX0232015.6P1m橢圓形錐狀6.005.004.00小型TX0242015.5P1m不規(guī)則碟狀10.00/3.00中型TX0252015.6P1m近圓形錐狀2.50/1.00小型TX0262015.6P1m圓形錐狀0.50/2.00小型TX0272014.5P1m橢圓形錐狀3.502.002.00小型TX0282016.5P1m橢圓形錐狀8.007.003.00小型TX0292014.5P1m不規(guī)則碟狀7.004.003.00小型TX0302016.3P1m橢圓形錐狀5.003.002.00小型TX0312016.3P1m不規(guī)則錐狀2.001.002.00小型TX0322015.6P1m圓形碟狀5.001.003.00小型TX0332014.3P1m圓形碟狀4.00/3.00小型TX0342016.6P1m圓形碟狀5.00/4.00小型TX0352012.5P1m圓形碟狀2.50/1.00小型TX0362015.6P1m圓形碟狀4.00/6.00小型TX0372006.6P1m圓形碟狀1.50/1.00小型TX0102015.6P1m圓形錐狀15.00/8.00中型TX0111990.1P1m圓形錐狀4.00/6.00小型TX0122015.1P1m圓形錐狀1.00/2.50小型TX0132015.1P1m圓形錐狀2.80/4.00小型TX0142015.1P1m長(zhǎng)方形碟狀6.202.608.00小型TX0152015.1P1m圓形錐狀3.50/3.00小型TX0161990.1P2l圓形錐狀3.50/3.00小型TX0472017.3P1m圓形錐狀10.00/5.00中型TX0482017.6P1m橢圓形錐狀2.001.506.00小型TX0422016.3P1m近圓形碟狀5.00/2.00小型TX0432016.3P1m不規(guī)則碟狀4.00/1.50小型TX0442008.6P1m近圓形碟狀2.50/1.50小型TX0452008.6P1m近圓形碟狀5.50/2.50小型TX0462010.6P1m不規(guī)則碟狀6.00/3.00小型TX0382014.12P2l不規(guī)則碟狀7.00/1.50小型TX0392014.6P2l近圓形碟狀10.00/6.00中型TX0402014.6P2l近圓形碟狀10.00/4.00中型TX0412014.6P1m近圓形碟狀4.00/1.50小型TX0172006.1T1d近圓形錐狀2.50/4.00小型

2.4 物質(zhì)特征

根據(jù)鉆孔ZK2揭露，土層中局部發(fā)育土洞，一般大小為0.1～0.4 m。因地下水位上升，遇土層中粗顆粒、黏性差、膠結(jié)差的土體易造成其崩解，從而形成土洞。巖溶塌陷區(qū)上部為松散土體，下部為堅(jiān)硬的二疊系茅口組P1m灰?guī)r，為覆蓋型巖溶區(qū)。巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，溶洞呈串珠狀，無(wú)充填，多為開(kāi)口溶洞。

3 地面塌陷發(fā)生原因分析

3.1 礦山疏干排水產(chǎn)生的塌陷

區(qū)內(nèi)煤炭資源豐富，有2家煤礦企業(yè)，含礦層位為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M地層，探明資源儲(chǔ)量279.5萬(wàn)噸，區(qū)內(nèi)強(qiáng)烈的采煤活動(dòng)是巖溶地區(qū)產(chǎn)生地面塌陷的主要因素。區(qū)內(nèi)巖溶地面塌陷主要是由于礦山疏排地下水，使地下水位大幅度降低形成較大規(guī)模的地下水降落漏斗，使漏斗區(qū)內(nèi)巖溶洞穴口上覆的巖土體失去地下水的浮托力致使地面產(chǎn)生塌陷。

3.2 礦山停產(chǎn)使地下水位恢復(fù)引發(fā)的塌陷

地下水位長(zhǎng)期大幅度下降后，礦山停產(chǎn)使地下水位大幅度上升，造成巖溶洞穴口上覆蓋的土體被地下水浸潤(rùn)飽和，土體自重增加，地下水再次產(chǎn)生潛蝕作用、散解作用及正壓氣爆作用，因而產(chǎn)生塌陷[2]。如青山煤礦2015年停產(chǎn)，地下水位逐漸大幅上升，使原來(lái)形成的降落漏斗基本得到恢復(fù)，水位恢復(fù)后產(chǎn)生了較多的地面塌陷。

3.3 暴雨引發(fā)的塌陷

區(qū)內(nèi)雨量豐富，年平均降雨量為1 450.97 mm,集中降雨時(shí)間為4～6月。區(qū)內(nèi)地面塌陷多數(shù)發(fā)生于降雨3～6月，降雨使原本松散不飽和的土體達(dá)到飽和狀態(tài)，增加土體自重，并滲透補(bǔ)給巖溶水，加速土洞或溶洞充填物的潛蝕、搬運(yùn)，造成細(xì)顆粒成分的流失使土洞或溶洞不斷擴(kuò)大，致塌力大于抗塌力從而產(chǎn)生地面塌陷。

4 地面塌陷形成機(jī)理分析

4.1 地層條件分析

據(jù)ZK01、ZK02鉆孔等資料，塌陷區(qū)上部為第四系沖洪積物與殘坡積物組成的松散土體，下部為二疊系下統(tǒng)茅口組灰?guī)r，為覆蓋型巖溶區(qū)。

上部松散土體：?jiǎn)螌咏Y(jié)構(gòu)，力學(xué)性質(zhì)差異較大。黏性土以可塑狀為主，表部一般軟～可塑，天然含水量ω為22%～37%,孔隙比e為0.6～1.1，液性指數(shù)Il為0.26～0.45，塑性指數(shù)Ip為9.3～22.2，壓縮系數(shù)α1-2為0.23～0.40 MPa-1,內(nèi)摩擦角φ為15.8°～22.6°，承載力特征值為100～200 kPa[1]。ZK01孔土層厚7.75 m，ZK02土層厚6.41 m。

第四系沖洪積層含礫黏土、碎石土土層孔隙發(fā)育，含孔隙潛水，該含水層透水性好，含水量低，力學(xué)強(qiáng)度高，抗塌力就大，相對(duì)難以產(chǎn)生塌陷。土體厚度較薄，塌陷從孕育到產(chǎn)生所需的時(shí)間就短，容易產(chǎn)生塌陷；相反，土體厚度大，土洞發(fā)展至地面的過(guò)程長(zhǎng)，塌陷從孕育到產(chǎn)生所需的時(shí)間就長(zhǎng)，相對(duì)不容易產(chǎn)生塌陷。所在沖洪積層區(qū)域的粉質(zhì)黏土在壓力作用下受地下水浸漫后，結(jié)構(gòu)迅速破壞，土體下沉，發(fā)生土體濕陷現(xiàn)象。根據(jù)區(qū)內(nèi)塌陷區(qū)土體的性質(zhì)及特征，地面塌陷現(xiàn)象與土體的濕陷形成土洞有著一定的關(guān)聯(lián)。

下部灰?guī)r(P1m)：巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，ZK01孔揭露基巖29.27 m，孔深12.5、17.92和25.1 m 3處出現(xiàn)溶孔及溶蝕裂隙；ZK02孔揭露基巖28.8 m，孔深6.5～6.9 m為土洞，孔深11.2～11.6 m、24.46～24.6 m為溶洞；ZK21孔揭露基巖34.9 m，孔深13.4～17.4 m為溶洞；ZK22孔揭露基巖26.3 m，孔深10.5～14.0 m、17.4～19.7 m為溶洞。鉆孔見(jiàn)溶洞均為開(kāi)口溶洞，洞高0.14～4.0 m，一般溶洞高2.0 m，一般為無(wú)充填物溶洞，溶洞具多層性，上下溶洞連通性較好。下伏可溶性碳酸巖基巖構(gòu)成了本區(qū)巖溶地面塌陷的先決物質(zhì)條件。

4.2 水動(dòng)力條件分析

區(qū)內(nèi)基巖二疊系下統(tǒng)茅口組灰?guī)r巖溶發(fā)育，地下水豐富，礦山強(qiáng)烈的疏干排水使巖溶水位降低造成巖溶洞穴產(chǎn)生負(fù)壓，增加第四系土體的水頭壓力，加速土體的滲透變形。土體的滲透變形破壞以土體中水位急劇下降時(shí)最強(qiáng)烈，地下水位穩(wěn)定時(shí)變形速率變慢或趨于穩(wěn)定，土體中水位回升恢復(fù)到原水位時(shí)，變形又加快，頻繁變化可以加快土洞的形成[3]。

地面塌陷區(qū)具有雙層含水結(jié)構(gòu)。上、下兩層地下水存在水力聯(lián)系，如果存在能讓砂土層產(chǎn)生擾動(dòng)變形(或土洞)的水頭差，且水頭差的頻繁變化將加快對(duì)土體的潛蝕、散解作用形成土洞。工程地質(zhì)鉆孔ZK01、ZK02均已揭露孔隙水含水層與巖溶水含水層，上部孔隙水水位埋深1.9～5.0 m，下部巖溶水水位埋深6.4～11.8 m，兩者存在水頭差1.4～9.9 m。由于裂隙、溶蝕裂隙、開(kāi)口溶洞等的連通，巖溶水常年接受上部孔隙水的滲透補(bǔ)給。

地下水主要補(bǔ)給來(lái)源于大氣降水，雙層地下水的水位波動(dòng)均受大氣降水和地表溪流補(bǔ)給影響，致使上、下兩層水的水頭差不斷變化。

4.3 地面塌陷機(jī)理分析

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果進(jìn)行分析，表明區(qū)內(nèi)地面塌陷為強(qiáng)烈的人類(lèi)工程活動(dòng)(加載、礦山疏干排水)、暴雨等因素綜合作用的結(jié)果。區(qū)內(nèi)地面塌陷的形成過(guò)程可分為以下3個(gè)階段：

(1)采煤活動(dòng)疏干排水過(guò)程中，地下水水位急劇下降，地下水對(duì)地表覆蓋層的浮托力減小，水力坡度增大，水流速度加快，水的潛蝕、搬運(yùn)作用加強(qiáng)。溶洞充填物在水的潛蝕、搬運(yùn)作用下被帶走，土體松散層底部崩落、流失從而形成地下隱伏洞體[2]。

(2)隱伏洞體在地下水持續(xù)的動(dòng)水壓力及覆蓋層的自重作用下，洞體崩落、遷移，洞體不斷擴(kuò)大，造成致塌力大于抗塌力，引起地面塌陷[2]。

(3)地下水不斷潛蝕、搬運(yùn)崩落體，洞體不斷擴(kuò)大向地表延伸，當(dāng)?shù)乇硗馏w的自重壓力逐步接近洞體的極限抗剪強(qiáng)度時(shí)，地表沉降加劇，在張性壓力的作用下，地面產(chǎn)生開(kāi)裂與塌陷；當(dāng)?shù)乇硗馏w的自重壓力超過(guò)洞體的極限抗剪強(qiáng)度時(shí)，地面產(chǎn)生塌陷，塌陷坑坑口周?chē)樯械乇砝瓘埩严丁?/p>

區(qū)內(nèi)地面塌陷以巖溶地面塌陷為主，采空地面塌陷次之。區(qū)內(nèi)二疊系下統(tǒng)茅口組灰?guī)r是產(chǎn)生巖溶地面塌陷的內(nèi)在條件，地下水動(dòng)力作用是地面塌陷發(fā)生的主要因素。降雨和礦山疏干排水時(shí)，改變了地下水動(dòng)力條件，降雨時(shí)地表水通過(guò)土體補(bǔ)給巖溶水，在地勢(shì)較低的溝谷處巖溶水自然排泄補(bǔ)給地表水，礦山停產(chǎn)水位恢復(fù)上升和恢復(fù)生產(chǎn)強(qiáng)烈疏干排水造成地下水位急劇下降，對(duì)土層擾動(dòng)帶走土體細(xì)顆粒形成土洞及溶洞充填物被帶走形成開(kāi)口溶洞。在地下水侵蝕作用及土體自重作用下，造成地面塌陷。

5 地面塌陷防治建議

區(qū)內(nèi)地面塌陷是礦山疏干排水、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造等因素綜合作用的結(jié)果，礦山疏干排水是區(qū)內(nèi)地面塌陷的誘發(fā)因素。地面塌陷防治措施需從多方面進(jìn)行。

(1)合理規(guī)劃區(qū)內(nèi)居民建房，減少因居民建房加載造成的地面塌陷。

(2)加強(qiáng)群測(cè)群防，建立塌陷監(jiān)測(cè)網(wǎng)，特別是汛期暴雨期間，對(duì)重點(diǎn)地段、居民聚集區(qū)進(jìn)行巡查，發(fā)現(xiàn)地面裂縫及時(shí)填埋壓實(shí)。

(3)查明區(qū)內(nèi)工程地質(zhì)條件，特別是與塌陷有關(guān)的隱伏土洞及淺部溶洞，結(jié)合區(qū)內(nèi)井泉、礦山水文地質(zhì)條件、地下水動(dòng)態(tài)變化情況及水文氣象資料，對(duì)地面塌陷趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)和預(yù)報(bào)。

(4)對(duì)已發(fā)生的塌陷，造成房屋損壞嚴(yán)重，形成危房的進(jìn)行房屋拆除，人員進(jìn)行搬遷避讓?zhuān)环课輷p壞較輕的進(jìn)行工程加固，并進(jìn)行貼條或埋設(shè)標(biāo)尺進(jìn)行簡(jiǎn)易觀測(cè)；對(duì)發(fā)生在農(nóng)田中的進(jìn)行回填夯實(shí)，并設(shè)置警示牌，恢復(fù)土地利用，避免塌陷坑周邊地面的牽連性變形破壞。

(5)對(duì)溪溝中發(fā)生的塌陷進(jìn)行溪溝局部改道與溝底進(jìn)行防滲治理。

(6)對(duì)區(qū)內(nèi)產(chǎn)能落后的煤礦進(jìn)行關(guān)停處理，減小地下水抽排量，使地下水動(dòng)力條件恢復(fù)到良性循環(huán)狀態(tài)。

(7)對(duì)已查明的隱伏土洞或淺部溶洞尚未發(fā)生塌陷的位置，可通過(guò)鉆孔灌漿填實(shí)洞體，封蓋下部巖溶管道開(kāi)口以防止塌陷的發(fā)生。

(8)對(duì)區(qū)內(nèi)塌陷嚴(yán)重區(qū)域做適量的監(jiān)測(cè)工作與工程勘查工作，確保居民生命財(cái)產(chǎn)安全。

6 結(jié)論

通過(guò)地面變形補(bǔ)充調(diào)查，確定了區(qū)內(nèi)地面塌陷的原因，主要是礦山疏排地下水對(duì)區(qū)內(nèi)地下水動(dòng)力條件改變和可溶性巖層發(fā)育，造成區(qū)內(nèi)地面塌陷發(fā)育。本文綜合分析研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害的地質(zhì)條件、災(zāi)害特征、成因和形成機(jī)理，采用因地制宜、工程治理、預(yù)防相結(jié)合的原則，提出相應(yīng)的防治建議，為工作區(qū)的防災(zāi)減災(zāi)工作提供參考。