湖南省冷水江市梓龍鄉(xiāng)楊新村巖溶地面塌陷成因分析及防治建議

王開(kāi)朗，黃 秋

（湖南省有色地質(zhì)勘查局二四七隊(duì)，湖南 長(zhǎng)沙 410129）

研究區(qū)塌陷自上世紀(jì)九十年代始發(fā)，2001年盛發(fā)，2005年開(kāi)始減弱，至2013年每年仍有零星塌坑出現(xiàn)。影響面積0.23km2，目前仍處于不穩(wěn)定狀態(tài)。研究區(qū)周邊居民和工礦企業(yè)較為集中，巖溶地面塌陷直接危及39戶200余居民的生命財(cái)產(chǎn)安全，同時(shí)給附近企業(yè)及大量基礎(chǔ)設(shè)施造成嚴(yán)重威脅[1]。為此，亟需查明研究區(qū)巖溶地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害的形成原因、發(fā)展趨勢(shì)及范圍，并提出防治建議，為當(dāng)?shù)卣罏?zāi)提供技術(shù)支撐，以達(dá)到防災(zāi)減災(zāi)的目的。以往對(duì)于巖溶地面塌陷國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者進(jìn)行了大量研究[2-5]，本文根據(jù)巖溶地面塌陷理論對(duì)冷水江市梓龍鄉(xiāng)楊新村發(fā)生的巖溶地面塌陷特征進(jìn)行研究總結(jié)外，同時(shí)分析了采空區(qū)對(duì)巖溶地面塌陷的影響。

1 研究區(qū)概況

1.1 地形地貌

研究區(qū)屬低山溶蝕丘陵地貌，多形成丘壟槽谷地形。部分地段峽谷深切，地勢(shì)險(xiǎn)峻，域內(nèi)地層巖性較復(fù)雜，斷層褶皺等地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，降雨集中。地面高程一般在237.8m～452.5m之間，溝谷切割一般深度不大，地面坡度一般20°～35°，草木植物較發(fā)育，周邊灌木喬木少量覆蓋。

1.2 地層巖性

研究區(qū)內(nèi)出露的地層巖性較簡(jiǎn)單，從新至老主要有：第四系（Q）、石炭系下統(tǒng)梓門(mén)橋組（C1z）、和石炭系下統(tǒng)測(cè)水組（C1c）。含煤巖系為測(cè)水組（C1c），屬一套海陸交互相含煤碎屑沉積建造（圖1）。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造主要有毛易向斜、木瓜村～官溪村斷層、合林場(chǎng)～官溪村斷層（圖2）。毛易向斜：軸長(zhǎng)約5.5Km，軸向NE，核部地層下統(tǒng)梓門(mén)橋組C1z，兩翼地層為下統(tǒng)測(cè)水組C1c，下統(tǒng)石磴子組C1s，傾角35°～45°，系含煤構(gòu)造、含巖溶地下水；研究區(qū)整體位于毛易向斜的核部地段。木瓜村-官溪村斷層：走向NE30°，傾向NW，傾角70°，兩盤(pán)地層均為石炭系下統(tǒng)梓門(mén)橋組C1z、下統(tǒng)測(cè)水組C1c，逆斷層；主要出露于研究區(qū)北西方向200m～500m。合林場(chǎng)-官溪村斷層：走向NE30°，傾向NW，傾角72°，下盤(pán)地層為P1、C1c，上盤(pán)地層為C1c，逆斷層。

圖2 研究區(qū)構(gòu)造綱要圖

1.4 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)內(nèi)地下水類(lèi)型有孔隙水、基巖裂隙水和巖溶裂隙水三類(lèi)?？紫端x存于第四系殘坡積土層中，由于深部煤層開(kāi)采，導(dǎo)致該層地面變形、下沉，成為長(zhǎng)期供給深部含水層的儲(chǔ)水作用，起到臨時(shí)含水作用，無(wú)統(tǒng)一水位?；鶐r裂隙水賦存在非可溶巖層中，如石炭系下統(tǒng)測(cè)水組（C1c）的石英砂巖，粉砂巖夾煤地層，其補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水和地表徑流的垂直下滲，含風(fēng)化裂隙水，雨季可見(jiàn)間歇泉水，流量甚小，干旱干枯；無(wú)供水意義。巖溶裂隙水主要賦存在巖溶塌陷區(qū)的石炭系下統(tǒng)梓門(mén)橋組（C1z）的灰?guī)r中，受礦山開(kāi)采的影響，埋深較大，地表未見(jiàn)地下巖溶裂隙水出露，據(jù)鉆孔淺部注水資料，巖溶稍發(fā)育，巖石較完整，單位吸水量（q）0.024L/s.m～0.06L/s.m，單位涌水量（g）＜0.1L/s.m，富水性弱。經(jīng)水質(zhì)全分析結(jié)果得知：PH值7.06～7.10，總硬度213.63mg/L～244.14mg/L，總礦化度376.69mg/L～424.44mg/L，地下水化學(xué)類(lèi)型為HCO3--SO42-—Ca2+-Mg2+。

研究區(qū)內(nèi)地下水補(bǔ)給源主要為大氣降水和地表水補(bǔ)給。區(qū)內(nèi)雨水充足，多年平均雨量1288.3mm/a、一般降雨量1000mm/a～2000mm/a，最大降雨量2126.9mm/a，因此，大氣降水為主要補(bǔ)給來(lái)源，區(qū)內(nèi)梓門(mén)橋組灰?guī)r和測(cè)水組砂巖出露，灰?guī)r溶洞發(fā)育，砂巖裂隙發(fā)育；在基巖出露處尤為突出。地表水補(bǔ)給主要位于山區(qū)河流、溪流洼地、河流階地。區(qū)內(nèi)地下水動(dòng)態(tài)季節(jié)性變化明顯，其水量、水位在枯、豐水期的差值達(dá)數(shù)十倍以上。通過(guò)分析地下水的補(bǔ)給和排泄途徑及方式，影響最大的為通過(guò)煤礦的反復(fù)強(qiáng)排，導(dǎo)致巖溶水的升降，人工活動(dòng)愈強(qiáng)烈，影響愈大；其次為氣候影響，長(zhǎng)期的干旱天氣使地下水流失，暴雨使地下水水位上升。

1.5 巖溶發(fā)育特征

根據(jù)研究區(qū)巖性特征、地質(zhì)構(gòu)造、地下水活動(dòng)等巖溶發(fā)育影響因素的基礎(chǔ)上[6]，結(jié)合鉆探、物探及其他收集資料綜合分析；以塌陷坑個(gè)數(shù)、線巖溶率和見(jiàn)洞率為劃分指標(biāo)，線巖溶率和見(jiàn)洞率分級(jí)值根據(jù)研究區(qū)平均線巖溶率和見(jiàn)洞率而定。研究區(qū)4個(gè)鉆孔揭露大量溶孔、溶洞及溶蝕裂隙，其中，3個(gè)鉆孔遇溶洞、土洞，鉆孔遇溶洞土洞率高達(dá)75%；鉆孔線巖溶率最高16.19%，平均線巖溶率11.74%。高密度電法、淺層地震均反映出研究區(qū)內(nèi)巖溶較發(fā)育。根據(jù)地面調(diào)查、綜合物探成果及鉆探資料分析，研究區(qū)巖溶發(fā)育。

1.6 人類(lèi)工程活動(dòng)

研究區(qū)的人類(lèi)工程活動(dòng)頻繁，主要表現(xiàn)在開(kāi)采煤礦、水利工程、農(nóng)民毀林建房。區(qū)內(nèi)有兩個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)重點(diǎn)煤礦（更生二礦、富木山二礦），離研究區(qū)稍遠(yuǎn)的煤礦有東北方向的更生一礦，西南方向的大建煤礦。煤礦開(kāi)采開(kāi)采過(guò)程中強(qiáng)排地下水，水位急速下降，誘發(fā)巖溶地面塌陷。研究區(qū)東北向有楊新水庫(kù)，西北向有柳溪河，柳溪河的水來(lái)自大型水庫(kù)-周頭水庫(kù)，水庫(kù)蓄水和渠道滲漏也是引起災(zāi)害的重要因素。農(nóng)民毀林建房，破壞了生態(tài)平衡，是造成地面塌陷的主要因素。

2 地面塌陷成因分析

2.1 與地形地貌關(guān)系

巖溶地面塌陷主要分布在可溶巖梓門(mén)橋（C1z）地層，研究區(qū)面積約占1.70km2，地形較平緩，坡度一般在8°～20°，該地形有利于巖溶發(fā)育，形成多形態(tài)類(lèi)型溶蝕洼地、溶蝕漏斗、溶洞及溶蝕塌坑等，屬剝蝕一溶蝕低山地貌。

2.2 與巖土體類(lèi)型關(guān)系

地表第四系土層，巖性以粉質(zhì)粘土為主，厚度0.3m～5.0m，孔隙度較大，呈可塑狀，易吸收大氣降雨補(bǔ)給下伏溶巖水及各類(lèi)植物生長(zhǎng)用水，是人類(lèi)活動(dòng)最頻繁的場(chǎng)所，受人類(lèi)改造與變形；巖體位于第四系土層下，煤礦爆破開(kāi)采造成煤層上方隔水層砂巖泥巖等產(chǎn)生裂隙、裂縫；也造成巖溶上覆巖土裂隙產(chǎn)生和加大，甚至剝落。

2.3 與地質(zhì)構(gòu)造關(guān)系

研究區(qū)位于毛易向斜的核心地層梓門(mén)橋灰?guī)r中，傾角35°～45°，8號(hào)逆斷層的東側(cè)，受地應(yīng)力的擠壓，區(qū)內(nèi)巖性破碎，巖溶發(fā)育，含中等巖溶地下水，遇礦山深部地下開(kāi)采時(shí)，易引起地面變形等地質(zhì)災(zāi)害。

2.4 與水的關(guān)系（含大氣降水、地下水）

區(qū)域氣候溫暖，雨量充沛，且降雨量全年分配不均，這給巖溶發(fā)育、地質(zhì)災(zāi)害事件發(fā)生創(chuàng)造了良好的水動(dòng)力條件；大氣降雨以各種不同的方式對(duì)地下水進(jìn)行補(bǔ)給，根據(jù)月降雨量多寡分配不同，地下水位升降隨之發(fā)生變化，在可溶巖地段，引起對(duì)地下土層及溶洞、裂縫中充填的泥土，進(jìn)行沖刷與掏空，易形成土洞及巖溶中的洞穴的形成。經(jīng)水質(zhì)全分析結(jié)果得知，區(qū)內(nèi)水質(zhì)對(duì)混凝土具微腐蝕。水質(zhì)微腐蝕亦在巖溶地區(qū)容易形成溶蝕現(xiàn)象，加速了溶洞的形成。

2.5 與人類(lèi)工程活動(dòng)關(guān)系

研究區(qū)內(nèi)礦業(yè)活動(dòng)極強(qiáng)，分布于區(qū)內(nèi)的煤礦有更生一礦、二礦，第二富木山煤礦，以及大建煤礦紅新井和北平井。目前，大建煤礦紅新井和北平井仍在生產(chǎn)中。根據(jù)本次調(diào)查工作，區(qū)內(nèi)礦山采礦權(quán)范圍部分呈重疊形態(tài)，但開(kāi)采標(biāo)高各有不同，采礦巷道層層疊加，組合形成了大范圍的采空區(qū)。采空區(qū)范圍主要分布于楊新村4組-1組-大嶺上-孫家?guī)X等地區(qū)，占研究區(qū)總面積約2/3之多。區(qū)內(nèi)的大建煤礦北平井和更生二礦采空區(qū)范圍分布最為廣泛，準(zhǔn)采標(biāo)高為+270m～+60m，根據(jù)開(kāi)采巷道井下井上對(duì)照可知，采空區(qū)頂板最薄處厚度也在100m以上，但由于礦山采空區(qū)面積大，且采空區(qū)頂板穩(wěn)定性較差，易產(chǎn)生冒頂工程地質(zhì)問(wèn)題，如冒頂規(guī)模稍大，引起地面采空塌陷的可能性較高；而本區(qū)內(nèi)分布的塌陷坑和地面變形區(qū)部分在采空區(qū)范圍外，該類(lèi)災(zāi)害應(yīng)非采空引發(fā)的地面塌陷，應(yīng)與礦坑抽排水等人類(lèi)工程活動(dòng)關(guān)系密切。

區(qū)內(nèi)礦山在其各允許范圍內(nèi)不同地下深度布置采礦巷道進(jìn)行采礦活動(dòng)，且主采資源為煤礦，而煤層主要賦存于石炭系下統(tǒng)測(cè)水組地層中；測(cè)水組地層上部梓門(mén)橋組地層富含豐富巖溶水，且地層內(nèi)巖溶發(fā)育，隨著區(qū)內(nèi)礦山開(kāi)采深度的加深，地下水更加集中向礦坑排泄，形成疏干降落漏斗，使得地下水位急劇下降，從而引發(fā)地表巖溶塌陷。

據(jù)本次調(diào)查收集的礦山資料顯示，礦山經(jīng)多年開(kāi)采已形成比較穩(wěn)定的地下水降落漏斗，礦山抽排水引起區(qū)域范圍內(nèi)的地下水位下降，并改變了其區(qū)域內(nèi)地下水徑流方向；其次礦坑排水排出地表流入地表河，從而一定程度上改變了區(qū)域地表水的均衡。從區(qū)內(nèi)塌陷坑的分布位置來(lái)看，塌陷坑主要出現(xiàn)在地勢(shì)低洼的中部，小溪及水庫(kù)附近，以及地表水徑流強(qiáng)烈的山前補(bǔ)給地段，而該類(lèi)地段地表地下水活動(dòng)強(qiáng)烈，且?guī)r溶發(fā)育程度高，有利于巖溶塌陷的形成。

3 巖溶地面塌陷防治

3.1 發(fā)展趨勢(shì)及范圍

研究區(qū)人為地質(zhì)災(zāi)害是研究區(qū)防范的重點(diǎn)，礦山是引發(fā)地面變形的重點(diǎn)防范區(qū)，因?yàn)槊旱V開(kāi)采賦存于石炭系測(cè)水組砂頁(yè)中，硬質(zhì)巖與軟質(zhì)巖相間互層，在軟質(zhì)巖地段，暴露地表易被水浸，產(chǎn)生膨脹，礦坑頂及兩邦易脫落或坍崩，嚴(yán)重的會(huì)引起地表變形下沉開(kāi)裂；梓門(mén)橋組灰?guī)r巖溶較發(fā)育，含巖溶地下水，開(kāi)采隔水‘墻’厚度不夠，簡(jiǎn)接或直接連通巖溶地下水涌入礦坑，由于礦山開(kāi)采長(zhǎng)期排放地下水，水位下降，降落漏斗向外延展，疏干范圍逐漸增加，在地下徑流條件良好地段導(dǎo)致地面下沉，形成災(zāi)害[7-9]。

綜合本區(qū)地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、物探資料、巖溶發(fā)育強(qiáng)度、地下水水動(dòng)力結(jié)構(gòu)特征、現(xiàn)有巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度、擾動(dòng)土層及土洞發(fā)育程度及人口密度等因素分析，研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害仍呈間歇性繼續(xù)發(fā)育階段，主要以地面變形及淺層巖溶塌陷為主，地面變形主要以礦山采空區(qū)范圍為主加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，淺層巖溶塌陷主要以楊新村4、1組-及新屋里等地段需加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

3.2 防治建議

根據(jù)研究區(qū)塌陷現(xiàn)狀、成因分析、發(fā)展趨勢(shì)及范圍，對(duì)于楊新村4組、大嶺上一帶及新屋里-新屋后一帶人口密集居住區(qū)應(yīng)作為重點(diǎn)防治區(qū)，建議進(jìn)行道路工程、房屋或其它建筑物損壞程度中等以下的進(jìn)行工程修復(fù)；開(kāi)展應(yīng)急治理，發(fā)現(xiàn)地面塌陷或地裂縫，及時(shí)填實(shí)；設(shè)置警示標(biāo)志，對(duì)處于巖溶塌陷危險(xiǎn)性大區(qū)內(nèi)的主要交通干線進(jìn)行排查，并及時(shí)設(shè)置醒目的警示標(biāo)志；嚴(yán)禁采礦活動(dòng)，禁止研究區(qū)內(nèi)礦山大量抽排地下水，破壞區(qū)內(nèi)地下水平衡；設(shè)置專業(yè)監(jiān)測(cè)儀器，對(duì)重點(diǎn)防治區(qū)地面沉降現(xiàn)象進(jìn)行監(jiān)測(cè)；同時(shí)群測(cè)群防，指定群測(cè)群防責(zé)任人。對(duì)于孫家?guī)X-楊新村4組、1組及寺山排一帶應(yīng)作為次重點(diǎn)防治區(qū)，建議生產(chǎn)、生活在這一地區(qū)的人們應(yīng)當(dāng)密切關(guān)注，提高安全意識(shí)；新建房屋以鋼筋混凝土整體框架為宜；建議對(duì)不能種植水稻的農(nóng)田改種其它耐旱農(nóng)作物；并進(jìn)行群測(cè)群防，指定群測(cè)群防責(zé)任人。