談某礦區(qū)地面塌陷的成因及治理方案

溫 建 興

(福建省121地質(zhì)大隊(duì)，福建 龍巖 364000)

1 概述

地面塌陷是指地表巖、土體在自然或人為因素作用下，向下陷落，并在地面形成塌陷坑(洞)的一種地質(zhì)現(xiàn)象。地面塌陷可分為巖溶塌陷和非巖溶塌陷。當(dāng)這種現(xiàn)象發(fā)生在有人類(lèi)活動(dòng)的地區(qū)時(shí)，可能對(duì)人類(lèi)生命財(cái)產(chǎn)、環(huán)境造成破壞和損失。

巖溶塌陷主要產(chǎn)生在土層中，稱為“土層塌陷”，是指可溶巖地區(qū)，上覆的松散土層在外動(dòng)力因素作用下向溶洞運(yùn)移而導(dǎo)致的地面變形破壞，地面多呈圓錐形塌陷坑。巖溶塌陷一般規(guī)模較小，發(fā)展速度緩慢，不致給人類(lèi)生活帶來(lái)突然的影響。

非巖溶塌陷由非巖溶洞穴產(chǎn)生的塌陷，龍巖市的非巖溶塌陷主要是由于地下采空區(qū)引起的采空塌陷。

2 工程概況

馬坑鐵礦地面塌陷位于新羅區(qū)曹溪街道馬坑村東雨方山上馬坑鐵礦72勘探線附近，塌陷坑在平面形態(tài)呈近圓形，地表直徑約10 m，面積約78.50 m2，深度約8 m，塌陷區(qū)影響范圍66 354.2 m2。地面塌陷表現(xiàn)為中心帶地面下沉，道路開(kāi)裂、山體邊坡下滑，地表圍繞中心帶出現(xiàn)大量地裂縫。

3 地面塌陷成因分析

3.1 巖土層特征

①-2含碎石粉質(zhì)粘土：為采空區(qū)冒落物，褐黑色為主，很濕～飽和，呈上部松散、中下部稍密狀態(tài)。該層鉆機(jī)鉆進(jìn)過(guò)程中未見(jiàn)有漏水現(xiàn)象，但消耗水量較大，施工較困難，采芯率較低。

③-1強(qiáng)風(fēng)化輝綠巖(β)：灰綠色，侵入巖，空間上呈透鏡體分布，散體狀，風(fēng)化強(qiáng)烈，巖芯呈土狀、少量碎塊狀。

③-2中風(fēng)化輝綠巖(β)：灰綠色，侵入巖，空間上呈透鏡體分布，塊狀結(jié)構(gòu)，風(fēng)化中等，裂隙較發(fā)育，巖芯呈3 cm～12 cm柱狀為主。

④中風(fēng)化灰?guī)r(P1q)：灰白色，細(xì)晶結(jié)構(gòu)，中～厚層狀，為二疊系棲霞組灰?guī)r，風(fēng)化中等，結(jié)構(gòu)局部破壞，裂隙較發(fā)育，巖芯呈碎塊狀、短柱狀。溶蝕現(xiàn)象較明顯，見(jiàn)較多充填溶洞。

④-1充填溶洞：褐黑色，充填物為含碎石粉質(zhì)粘土，局部過(guò)渡為泥質(zhì)碎礫石，很濕，可～硬塑狀態(tài)。

⑤強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖(C2j)：土黃、黃褐色，二疊系童子巖組粉砂巖，散體狀，風(fēng)化強(qiáng)烈，巖芯呈土狀、少量碎塊狀。

⑥中風(fēng)化石英砂巖(C2j)：灰白色，二疊系童子巖組石英砂巖，中～厚層狀，碎裂狀為主，風(fēng)化中等，結(jié)構(gòu)局部破壞，裂隙發(fā)育，巖芯呈碎塊狀為主。

鉆探中揭露的①-2采空區(qū)冒落物，呈上部較松散、中下部稍密狀態(tài)，鉆進(jìn)中未見(jiàn)有掉鉆、漏水現(xiàn)象，但消耗水量較大，施工較困難，采芯率較低。

鉆探中揭露的④-1充填溶洞，充填物為含碎石粉質(zhì)粘土，局部過(guò)渡為泥質(zhì)碎礫石，很濕，可～硬塑狀態(tài)。鉆進(jìn)中未見(jiàn)有掉鉆、漏水現(xiàn)象，施工較困難，采芯率較低。

3.2 地震效應(yīng)評(píng)價(jià)

3.2.1地質(zhì)構(gòu)造

勘查區(qū)位于華南地槽褶皺帶華夏褶皺帶梅永坳陷中，龍巖山字型構(gòu)造東翼，斷裂構(gòu)造發(fā)育，區(qū)內(nèi)有三條斷層(F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3)通過(guò)。區(qū)域性構(gòu)造均為侏羅系晚期地質(zhì)活動(dòng)形成，距今時(shí)間較長(zhǎng)，已經(jīng)穩(wěn)定不再活動(dòng)，不屬發(fā)震構(gòu)造，場(chǎng)地內(nèi)及附近無(wú)新近形成的活動(dòng)斷裂。區(qū)內(nèi)巖石主要為陸相和海陸交互相沉積而成。第四系松散土層直接覆蓋在基巖之上，厚度不等?？辈閰^(qū)受區(qū)域斷層擠壓的影響，巖體破碎，裂隙發(fā)育。

3.2.2場(chǎng)地地震烈度及場(chǎng)地穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

勘查區(qū)抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05g，所屬設(shè)計(jì)地震分組為第二組。場(chǎng)地特征周期值為0.40 s。

場(chǎng)地地形起伏較大，根據(jù)鉆孔揭露及《福建省龍巖縣馬坑鐵礦中礦段詳細(xì)勘探地質(zhì)報(bào)告》(福建省121地質(zhì)大隊(duì)1976年出版)和調(diào)查資料，勘查區(qū)灰?guī)r巖溶發(fā)育，同時(shí)存在一定數(shù)量的廢棄礦硐采空區(qū)。勘查區(qū)屬對(duì)建筑抗震不利地段。

3.3 地面塌陷成因分析

3.3.1地面塌陷成因分析

塌陷區(qū)位于溝谷地段，為地下水徑流區(qū)段，水動(dòng)力活動(dòng)相對(duì)頻繁。雖然塌陷坑的南側(cè)揭露有灰?guī)r及溶洞，但溶洞均為充填溶洞，其充填物為可～硬塑的含碎石粉質(zhì)粘土，充填完好、密實(shí)，不存在空溶洞，溶洞不是勘查區(qū)地面塌陷的成因。

勘查區(qū)馬坑鐵礦現(xiàn)有開(kāi)采水平為+300 m水平以下，均為深部開(kāi)采，開(kāi)采爆破均為小型爆破，塌陷發(fā)生前后各采區(qū)均為安全生產(chǎn)，未出現(xiàn)異?，F(xiàn)象。根據(jù)馬坑鐵礦提供的馬坑鐵礦各采區(qū)2019年11月21日～12月2日日排水量統(tǒng)計(jì)表，各開(kāi)采水平礦坑地下水的日排放情況均為穩(wěn)定，未出現(xiàn)異常情況，說(shuō)明現(xiàn)有馬坑鐵礦各采區(qū)的開(kāi)采不是地面塌陷形成的原因。

根據(jù)物探成果及鉆探資料分析，地面塌陷的產(chǎn)生與地下老硐采空區(qū)、地層巖性(包括松散覆蓋層)、地質(zhì)構(gòu)造、大氣降雨和人為工程活動(dòng)改變水動(dòng)力條件等有關(guān)。

1)地層巖性的影響。

塌陷區(qū)上覆地層以⑤強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖為主，工程地質(zhì)性能及力學(xué)強(qiáng)度較差，巖體總體呈散體狀，巖芯呈土狀、碎塊狀，風(fēng)化裂隙極發(fā)育，透水性中等，易于地下水的流通，下伏巖層為粉砂巖、石英砂巖及灰?guī)r等，節(jié)理、裂隙很發(fā)育，巖芯以碎塊狀為主，并且灰?guī)r溶洞較發(fā)育，其導(dǎo)水性較好，這些都有利于地下水的流通。從致塌條件分析，隨著土的顆粒變粗，其抗塌性降低，隨含砂礫量的增加，其抗塌性降低，均勻結(jié)構(gòu)的粘土具有較好的抗塌性，巖體結(jié)構(gòu)越破碎其滲透性和導(dǎo)水性越好其抗塌性越差。

2)地質(zhì)構(gòu)造的影響。

區(qū)域上塌陷區(qū)處于閩西南拗陷帶中，區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育較發(fā)育，分別有F1，F(xiàn)2，F(xiàn)4三條斷層通過(guò)。受斷層影響，巖體較為破碎。這些斷層決定了本區(qū)基巖含水層具有很好的滲透性和導(dǎo)水性，為地下水活動(dòng)提供了主要通道。

3)大氣降雨的影響。

勘查區(qū)地下水的補(bǔ)給主要為大氣降雨，降雨對(duì)松散覆蓋層的巖土體起到充水和軟化作用，產(chǎn)生地下的滲透潛蝕作用；同時(shí)降雨量的變化，會(huì)引起地下水位的變化，當(dāng)?shù)叵滤蛔兓^大時(shí)，也可能導(dǎo)致上覆巖土層支撐力變小，當(dāng)?shù)叵麓嬖诳斩磿r(shí)，進(jìn)而引起土體塌陷，這些均會(huì)加快地面塌陷的形成。根據(jù)馬坑鐵礦2019年降雨量統(tǒng)計(jì)表分析，塌陷區(qū)2019年3月～9月降雨量較多，10月～12月降雨量特別少，尤其是11月份幾乎沒(méi)有下雨，這必然會(huì)引起地下水位的激劇下降，在采空區(qū)內(nèi)形成真空吸蝕，使采空區(qū)硐頂巖土體支撐力變小，甚至為零，導(dǎo)致硐頂巖土體失穩(wěn)冒落，當(dāng)上覆土層厚度較小，自穩(wěn)能力降低，承受不住地表巖土體重量時(shí)，便拉動(dòng)地表形成地面塌陷。

除了大力扶持社區(qū)發(fā)展，寧波一院開(kāi)始醞釀一些新的變革。因?yàn)檫^(guò)去幾十年形成的就醫(yī)習(xí)慣，國(guó)內(nèi)大醫(yī)院總是人滿為患。以寧波一院為例，日均門(mén)急診量在6000人次上下，其中大內(nèi)科普通內(nèi)科門(mén)診的占比就是10%。勵(lì)麗介紹，這一部分主要是常見(jiàn)病、多發(fā)病患者。而且，這部分患者中，很多實(shí)際上早已經(jīng)診斷明確，主要的需求是到醫(yī)院配藥。

4)地下水的影響。

勘查區(qū)地下水活動(dòng)與采空區(qū)的冒落密切相關(guān)，地下水位的升降變化，使上部土體在地下水升降過(guò)程中反復(fù)脹縮，使土體間的結(jié)合力及抗剪強(qiáng)度降低，形成松軟土體，同時(shí)地下水的激劇下降也會(huì)引起采空區(qū)硐頂巖土體支撐力變小，甚至為零，導(dǎo)致硐頂巖土體失穩(wěn)冒落。

5)人為因素。

勘查區(qū)的人為工程活動(dòng)主要為人類(lèi)采礦活動(dòng)，由于采礦為硐采，在地下形成空洞，因前期采礦為不規(guī)則采礦，其技術(shù)條件落后，為淺層采礦，其形成的采空區(qū)均為淺層分布，由于上覆巖層風(fēng)化嚴(yán)重，巖體工程地質(zhì)性能差，人工前期采礦活動(dòng)為本次地面塌陷形成的主導(dǎo)因素。

3.3.2地面塌陷成因

本次地面塌陷形成的主導(dǎo)因素為前期采礦形成采空區(qū)，其放頂方式為自然垮落,充填物為含碎石粉質(zhì)粘土(原采空區(qū)頂部的強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖等)，很濕～飽和、呈上部較松散、中下部稍密狀態(tài)。采空區(qū)剩余空間較大，為地面塌陷提供基礎(chǔ)條件。

根據(jù)物探及鉆探結(jié)果，并結(jié)合礦區(qū)原有的勘查資料，綜合當(dāng)?shù)禺?dāng)時(shí)的天氣情況分析：地面塌陷形成的誘因?yàn)樘鞖飧珊?，?dǎo)致塌陷區(qū)地下水水位激劇下降，使采空區(qū)硐頂巖土體支撐力變小，甚至為零，導(dǎo)致硐頂巖土體失穩(wěn)冒落，同時(shí)由于上覆土層厚度較小，自穩(wěn)能力降低，承受不住地表巖土體重量，便拉動(dòng)地表形成地面塌陷。

4 地面塌陷穩(wěn)定性分析

塌陷的地下采空區(qū)為廢棄老硐采空區(qū)，終采時(shí)間較長(zhǎng)(10年以上)；地面塌陷地表變形特征為中心帶地面下沉，道路開(kāi)裂、山體邊坡下滑，地表圍繞中心帶出現(xiàn)大量環(huán)形地裂縫；廢棄老硐采深約60.0 m，為淺層地下開(kāi)采，采深采厚比約為20；廢棄老硐頂板巖性為強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖為軟弱覆；廢棄老硐松散層厚度約60 m。根據(jù)GB 51044—2014煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范(2017年版)第12.2.3條，判定塌陷區(qū)場(chǎng)地的穩(wěn)定性為不穩(wěn)定。活化影響因素主要為地下水的反復(fù)活動(dòng)、人工采礦的爆破震動(dòng)及地震。

5 發(fā)展變化趨勢(shì)及危害性預(yù)測(cè)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查結(jié)果及業(yè)主提供的2019年12月4日～12月26日塌陷區(qū)位移變形觀測(cè)數(shù)據(jù)，目前各位移觀察點(diǎn)仍處于變形階段，但總體位移不大，地面塌陷尚未穩(wěn)定，為塌陷后期的欠穩(wěn)定階段。地表塌陷如不及時(shí)治理，會(huì)進(jìn)一步影響礦區(qū)公路的交通安全，同時(shí)雨季地表水將會(huì)大量潰入坑內(nèi)，可能對(duì)下水平礦區(qū)的安全生產(chǎn)構(gòu)成威脅。

6 治理方案

根據(jù)本次工程物探及鉆探揭示的巖土層空間分布情況，綜合地面塌陷發(fā)展趨勢(shì)及危害性預(yù)測(cè)，應(yīng)對(duì)勘查區(qū)采取工程措施進(jìn)行綜合治理。

6.1 塌陷區(qū)回填

1)回填過(guò)程中應(yīng)按規(guī)范要求分層碾壓夯實(shí)。塌陷坑回填順序：先開(kāi)挖至塌陷坑頂部，用大塊巖石、混凝土板等大塊硬物填入坑底，采用機(jī)械反復(fù)碾壓夯實(shí)，再回填碎石，最后回填黃土(不滲水的黏性土)至地表(黃土回填夯實(shí)后厚度不小于1 m)，并形成一定的坡度。在塌陷區(qū)中心位置盡量堆高并壓實(shí)，形成堆排冗余，預(yù)留一定的下沉量，即使今后地表繼續(xù)下沉，也不容易形成凹陷坑，以利于排水為原則，不讓雨水滲入地下。

2)回填土石方總量以將原塌陷區(qū)有效遮蓋并形成自然坡度為宜。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)觀察，確定：回填體終了邊坡與東側(cè)原渣堆邊坡一致即可?；靥罱Y(jié)束后將在道路一側(cè)形成一個(gè)平臺(tái)。新填土坡需在半坡中間部位做一條5 m寬?cǎi)R道，利用挖掘機(jī)通過(guò)該馬道降坡至坡比1∶1.75左右。

3)塌陷區(qū)西南側(cè)由于填方會(huì)形成一定高度的填土邊坡，建議施工時(shí)按填土邊坡的安全坡率(1∶1.75)放坡，必要時(shí)可分臺(tái)階放坡，每級(jí)坡高不大于10.00 m，其壓實(shí)系數(shù)控制在0.94～0.97間，同時(shí)坡面種植易生長(zhǎng)的植被以防止水土流失。

4)定期對(duì)塌陷區(qū)進(jìn)行巡視。

6.2 截排洪

1)在塌陷區(qū)東側(cè)合適地段沿自然坡度施工一條排水溝，將上游洪水引入原有水溝下游。

2)在回填區(qū)正上方施工截、排洪溝，將該匯水面積內(nèi)的洪水截排至原有水溝或回填區(qū)域外側(cè)，避免直接對(duì)填土體造成沖刷。

3)在新形成的道路(位置與原路基位置大體一致)路面靠山一側(cè)修筑合理毛水溝，以利于將雨水引排至原有水溝。

4)在回填體坡面中間馬道靠山的一側(cè)修筑合理漿砌水溝，以利于排水。

5)將位于路邊原有水溝的原沉淀池、排水涵洞等“三合一”方案中的排洪系統(tǒng)修復(fù)。

6.3 擋土、攔渣

1)將位于路邊原有水溝的原“三合一”方案中的攔渣壩修復(fù)。

2)在原有水溝下游最窄地段，修筑2道石壩，上游為干砌透水壩，下游為漿砌石壩，以便于攔渣和沉淀。

3)在回填體坡腳沿原有水溝修筑一條擋土墻，以避免地表水對(duì)回填土體的坡腳沖刷。

6.4 綠化

根據(jù)生態(tài)恢復(fù)治理需要，對(duì)塌陷區(qū)進(jìn)行綠化和生態(tài)恢復(fù)治理。

7 結(jié)語(yǔ)

馬坑鐵礦地面塌陷主導(dǎo)因素為前期采礦形成采空區(qū)，誘因?yàn)樘鞖飧珊担瑢?dǎo)致塌陷區(qū)地下水水位激劇下降，使采空區(qū)硐頂巖土體支撐力變小，甚至為零，導(dǎo)致硐頂巖土體失穩(wěn)冒落，同時(shí)由于上覆土層厚度較小，自穩(wěn)能力降低，承受不住地表巖土體重量，便拉動(dòng)地表形成地面塌陷。

根據(jù)馬坑鐵礦地面塌陷的成因，其治理方案主要為：

1)塌陷區(qū)按規(guī)范要求回填并定期進(jìn)行巡視。

2)設(shè)置必要的截排洪溝。

3)設(shè)置必要的擋土壩、攔渣壩。