云南富源縣老廠鎮(zhèn)拖竹東坡崩塌群特征及成因分析

趙瑞剛 ，柴 楚，馬一奇，鄒石林

(中國地質(zhì)調(diào)查局昆明自然資源綜合調(diào)查中心，云南昆明650000)

富源縣境內(nèi)約25%的國土面積為賦煤區(qū)域[1]。老廠鎮(zhèn)拖竹地區(qū)受煤礦開采的影響崩塌地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，嚴(yán)重威脅礦山及周邊群眾生產(chǎn)生活安全。研究其形成原因，為地質(zhì)災(zāi)害綜合治理提供參考依據(jù)勢在必行。以往對崩塌的研究較多[2-11]，主要針對單個崩塌開展研究，多為崩塌體的外形特征、規(guī)模、堆積體形態(tài)、威脅對象及形成機(jī)理。老廠拖竹地區(qū)崩塌群地質(zhì)災(zāi)害研究未見文獻(xiàn)報(bào)道。本文對老廠鎮(zhèn)拖竹地區(qū)崩塌群特征、斜坡失穩(wěn)模式、危巖體穩(wěn)定性、發(fā)展趨勢及影響因素、成因機(jī)理進(jìn)行分析，可為開展綜合治理提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 地質(zhì)環(huán)境背景

1.1 地形地貌及氣候特征

崩塌群位于富源老廠鎮(zhèn)拖竹村東坡一帶，沿南西向延伸分布3個煤礦礦山，屬構(gòu)造剝蝕侵蝕的低-中山地貌，山脈呈北東向延伸，坡體總體傾向北西，地形切割劇烈，海拔高程1711m～2311m。最高點(diǎn)位于區(qū)內(nèi)中部分水嶺上，海拔標(biāo)高2311.10m，最低點(diǎn)在東南部補(bǔ)米河河床，海拔標(biāo)高1710.7m，區(qū)內(nèi)最低侵蝕基準(zhǔn)面，相對高差約600m，地形中部、南部高，東、西、北部低，山嶺總體走向與地質(zhì)構(gòu)造線大體平行，地形坡度0°～85°，崩塌頻發(fā)地段以70°～85°陡坡為主。位于榮家河?xùn)|部，出露地層傾向與山坡坡向多為順向-斜交。

區(qū)內(nèi)屬溫帶高原季風(fēng)氣候，全年氣溫變化較大，最高氣溫34.9℃，最低氣溫-14.1℃，年平均氣溫13.8℃，雨季多集中在5月至10月，年均降雨量1081.mm。小型地表水系發(fā)育，由多條山間溪流匯集而成，雨季流量約1.02L/s～15.17L/s ，旱季流量約0.35L/s～1.15L/s，降雨后流量變大。

1.2 地層巖性

區(qū)內(nèi)出露第四系(Q)殘坡積、沖積、碎石和粉質(zhì)粘土等；三疊系下統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組二段(T1y2)黃綠、灰色薄層狀粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖夾薄層狀灰?guī)r，永寧鎮(zhèn)組一段(T1y1)青灰色薄-中厚層狀泥晶-細(xì)晶灰?guī)r，飛仙關(guān)組二段(T1f2)紫紅、灰綠色薄-中層狀細(xì)砂巖、泥質(zhì)粉砂巖互層，飛仙關(guān)組一段(T1f1)黃綠、灰綠色薄-中層狀細(xì)砂巖、細(xì)砂巖夾少量泥巖；二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M二段(P2l2)灰黃色薄層狀粉砂巖、泥巖夾煤層，龍?zhí)督M一段(P2l1)灰色薄層狀粉砂巖、灰?guī)r夾煤層，二疊系下統(tǒng)茅口組(P1m)淺灰色厚層狀、塊狀灰?guī)r。

崩源區(qū)為飛仙關(guān)組一段細(xì)砂巖夾泥巖，巖石風(fēng)化強(qiáng)烈，具球形風(fēng)化，泥巖較破碎，呈碎裂狀。下部為煤礦井田區(qū)，主要通過坑道開采龍?zhí)督M煤層，產(chǎn)狀與地層產(chǎn)狀一致，可采煤層11層，可采厚度1.15m～4.19m，采空區(qū)埋深相對較大，標(biāo)高2100m～1600m。工程巖組為軟弱-半堅(jiān)硬層狀砂質(zhì)泥巖巖組，巖層產(chǎn)狀315°∠ 27°，斜坡坡向303°∠75°，斜坡類型為順向斜坡。圖1。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

區(qū)內(nèi)大地構(gòu)造屬于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺，滇東臺褶帶，曲靖臺褶束與華南褶皺系，滇東南褶皺帶，羅平-師宗褶段束接觸過渡區(qū)，以彌勒-師宗斷裂為界，區(qū)域構(gòu)造有北部曲靖臺褶束，南部羅平-師宗斷褶束。

崩塌群區(qū)夾于彌勒-師宗斷裂與富村斷裂之間，為一系列背斜、向斜及斷裂組成，其中以老廠背斜為主體構(gòu)造。斷層多發(fā)育在老廠背斜附近，受區(qū)域構(gòu)造影響，構(gòu)造線以北東向?yàn)橹?，因?gòu)造復(fù)合作用，北部弧形構(gòu)造明顯，中部多為北東向，中南部及南部常見東西向，上廠煤礦則處在老廠背斜東北端的轉(zhuǎn)彎部位處。

1.4 水文地質(zhì)特征

區(qū)內(nèi)出露二疊系龍?zhí)督M(P3c)、三疊系飛仙關(guān)組(T1f)碎屑巖。外圍廣泛分布茅口組(P1m)灰?guī)r和永寧鎮(zhèn)(T1y)組灰?guī)r建造，碎屑巖裂隙含水層富水性較弱，滲透性較弱，地下水補(bǔ)給、徑流條件差，外圍巖溶含水層富水性強(qiáng)，地下水補(bǔ)給、徑流條件較好，對礦區(qū)水文地質(zhì)條件有間接影響(圖2)。

各裂隙含水層受地形地貌控制，風(fēng)化裂隙發(fā)育深度有限，大氣降水入滲大多未經(jīng)深部循環(huán)便以下降泉的形式排泄出地表，具有雨季補(bǔ)給常年排泄的特點(diǎn)；泉水最小值出現(xiàn)在雨季來臨前3月至5月，最大值出現(xiàn)在7月至9月，形成了既是補(bǔ)給區(qū)又是排泄區(qū)的特點(diǎn)。

2 崩塌群特征

2.1 崩塌群分布

崩塌群位于拖竹村東側(cè)陡坡一帶，呈北東-南西向條帶狀斷續(xù)分布，長約5000m陡坡上，山脊走向與榮家河走向大致相同，共分布9個崩塌體。平面形態(tài)多數(shù)呈扇形，堆積體形態(tài)呈近長條形，崩塌方向280°～303°(圖1)，其規(guī)模以中型為主(表1)。典型的上廠煤礦崩塌體呈陡崖，堆積區(qū)平面形態(tài)呈手掌狀，向303°方向延伸。崩塌陡崖后緣海拔約2100m，陡崖坡腳海拔約1930m，相對高差約170m。堆積區(qū)位于陡崖下部，海拔高程1836m～1930m。

表1 崩塌體規(guī)模統(tǒng)計(jì)表

2.2 結(jié)構(gòu)特征

在野外調(diào)查的基礎(chǔ)上結(jié)合無人機(jī)航拍影像，崩塌總體上可分為主崩塌區(qū)和崩塌影響區(qū)兩大部分，上廠煤礦崩塌：(1)主崩塌區(qū)分為崩塌源區(qū)(A區(qū))、下落鏟刮區(qū)(B區(qū))、流通停積區(qū)(C區(qū))(圖3)；(2)崩塌影響區(qū)為崩塌發(fā)生時，受牽引和拖拽作用的影響，在崩塌源區(qū)兩側(cè)和后部形成了一系列的欠穩(wěn)定巖體和區(qū)域。

圖3 上廠煤礦崩塌形態(tài)特征

(1)崩塌體

崩塌體發(fā)育于上廠煤礦南東側(cè)約300m陡崖處。崩塌帶長140m，高100m，主崩方向297°，平面形態(tài)呈圍椅形。崩塌源區(qū)(A)位于陡崖頂部，坡度70°～75°，高25m～30m，卸荷深平均4.5m。流通停積區(qū)(C)位于陡崖下部，高約80m，坡面長約107m，寬約135m。

危巖體由三疊系飛仙關(guān)組(T1f1)細(xì)砂巖、泥質(zhì)粉砂巖和泥巖組成，巖石風(fēng)化強(qiáng)烈，全風(fēng)化基巖厚度約30cm。泥巖較破碎，呈碎片狀，砂巖發(fā)育3組節(jié)理：J1：產(chǎn)狀151°∠78°，間距5cm～10cm，張開度約2cm，深度約15cm，泥質(zhì)充填；J2：產(chǎn)狀110°∠79°，間距5cm～15cm ，張開度約1cm，深度約10cm，泥質(zhì)充填；J3：產(chǎn)狀69°∠70°，間距5cm～30cm，張開度約5mm，深度約8cm，無充填。調(diào)查中采集T1f1細(xì)砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥巖和P2l泥巖、粉砂巖巖石工程力學(xué)樣品進(jìn)行抗壓強(qiáng)度分析(表2)。根據(jù)巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度：硬質(zhì)巖石(≥30MPa)和軟質(zhì)巖石(<30MPa)劃分巖石強(qiáng)度，本區(qū)泥質(zhì)粉砂巖、細(xì)砂巖、粉砂巖均為硬質(zhì)巖，泥巖為軟質(zhì)巖，從上至下形成軟硬層狀結(jié)構(gòu)工程巖組。

(2)堆積體

巖體自身重力作用和地形的影響下，崩積物沿坡面呈上陡下緩分布堆積(圖4)，高程2180m～2030m，堆積體坡面長300m，寬135m。堆積物分上、中、下三部分，上部主要為泥巖風(fēng)化產(chǎn)物，較破碎，呈碎裂狀均勻分布，孔隙少，粒徑約1cm，遇水易崩解至軟化，穩(wěn)定性差，降雨時易沿坡體滑落形成坡面泥石流；中部多為碎塊狀細(xì)砂巖和少量泥巖，礫徑5m～20cm，結(jié)構(gòu)松散雜亂，穩(wěn)定性差，受到?jīng)_擊時易滑動，易形成二次崩塌；下部地形由陡變緩，細(xì)砂巖塊體較為集中，塊徑約70cm×40cm×20cm，較穩(wěn)定，目前處于自然安息狀態(tài)。

圖4 上廠煤礦崩塌剖面圖

表2 巖石工程力學(xué)樣品分析表

2.3 失穩(wěn)型式

危巖帶位于高陡的順向斜坡處，臨空面近于直立，上部為堅(jiān)硬的細(xì)砂巖夾較軟的泥巖，下部為較軟的泥巖夾煤層，加之堅(jiān)硬-軟弱層狀結(jié)構(gòu)砂質(zhì)泥巖巖組，整體上上硬下軟巖體結(jié)構(gòu)。巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，碎裂結(jié)構(gòu)，上部砂巖發(fā)生拉裂破壞，同時下部軟弱巖體在上部硬質(zhì)巖的重力作用下發(fā)生塑性流動，巖體向臨空的方向擠出，形成塑流-拉裂作用，在這種作用下，上部的卸荷裂隙在拉力作用下進(jìn)一步向下擴(kuò)展，形成較大的卸荷裂隙，產(chǎn)生拉裂式破壞失穩(wěn)；由于地形坡度大于55°，易沿結(jié)構(gòu)面傾向產(chǎn)生臨空面，巖層在剪切力作用下，形成傾倒式破壞失穩(wěn)，導(dǎo)致巖體最終脫離母巖剝落發(fā)生崩塌破壞，形成以卸荷-拉裂-滑移式的破壞模式。

2.4 穩(wěn)定性及發(fā)展趨勢分析

結(jié)合巖體的節(jié)理面、層理面和坡面，采用赤平投影分析法對斜坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析(圖5)。從圖中得出：①巖層面與坡面關(guān)系為外傾，且?guī)r層傾角小于坡面傾角，則斜坡不穩(wěn)定，②節(jié)理1、節(jié)理2與坡面斜交，且夾角小于40°，則斜坡不穩(wěn)定，③節(jié)理1、節(jié)理2與巖層面斜交，且夾角小于40°，則斜坡不穩(wěn)定。受自身重力、地形條件、風(fēng)化、降雨、采煤等誘發(fā)因素的影響，巖體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，斜坡極易失穩(wěn)產(chǎn)生崩塌，屬于高易發(fā)崩塌群。

圖5 巖體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性赤平投影分析圖

3 成因分析

3.1 控制因素

(1)地形地貌：陡峻地形是崩塌形成的必要條件。崩塌區(qū)處于高陡的山體斜坡地段，陡坡高度大于30m，坡度多大于55°，坡面不平整，呈上陡下緩的形態(tài)。斜坡具有較大的臨空面，巖體相對破碎，為斜坡失穩(wěn)提供了前提條件，有利于崩塌等斜坡失穩(wěn)災(zāi)害發(fā)生。

(2)地質(zhì)構(gòu)造與巖體結(jié)構(gòu)：軟硬相間巖組下部風(fēng)化剝蝕強(qiáng)烈，上部巖塊沿節(jié)理裂隙面的切割形成眾多的松動塊石，部分在重力作用下掉落，形成陡崖。節(jié)理裂隙發(fā)育，將巖體切割成碎塊體，在重力和外界因素的作用下掉落。

(3)風(fēng)化、降雨：降水是導(dǎo)致崩塌發(fā)生的最活躍因素。區(qū)內(nèi)降雨量豐富，雨季多暴雨或持續(xù)強(qiáng)降雨，降水滲入坡體，增加坡體重量，節(jié)理裂隙內(nèi)靜水壓力在短時間內(nèi)增高，降低巖土的抗剪強(qiáng)度。風(fēng)化作用使巖體風(fēng)化帶厚度變大，力學(xué)強(qiáng)度低，加劇了巖體碎裂程度，使巖體間連結(jié)力進(jìn)一步降低，在降水作用下有利于巖體失穩(wěn)破壞形成崩塌。

3.2 誘發(fā)因素：

人類工程活動，特別是采煤活動是采煤沉陷區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的主要誘因。采煤后形成大量采空區(qū)，當(dāng)采空區(qū)的圍巖強(qiáng)度不足以抵抗上覆巖體重力時，頂板巖層內(nèi)部形成的拉張應(yīng)力超過巖層抗拉強(qiáng)度時，使采空區(qū)變形，誘發(fā)地面沉降，受地表移動變形的影響，在陡坡地段極易形成拉張裂隙，使巖體穩(wěn)定性進(jìn)一步變差，加劇巖體破壞程度誘發(fā)崩塌的形成。

4 防治措施建議

針對崩塌群的特征、危害現(xiàn)狀，提出如下防治措施建議：(1)加強(qiáng)礦山開采監(jiān)管力度，規(guī)范礦山開采行為；(2)煤礦大面積開采時采取預(yù)留足夠的安全煤柱，或采取充填式開采，減小地面沉降的可能性；(3)開采時盡量減小爆破對地面的振動影響；(4)對危害大的危巖帶應(yīng)采用錨固和主動防護(hù)網(wǎng)進(jìn)行治理，在崩塌堆積體下方可采用擋石墻防護(hù)。局部堆積體邊緣修建排水溝，防止雨季堆積物受雨水沖刷形成坡面泥石流災(zāi)害。(5)加強(qiáng)專業(yè)監(jiān)測和群測群防，對崩塌災(zāi)害區(qū)域進(jìn)行生態(tài)環(huán)境的評估和監(jiān)測，以便發(fā)現(xiàn)險情時及時進(jìn)行預(yù)警。加強(qiáng)防災(zāi)減災(zāi)科普宣傳，提高居民防災(zāi)意識。

5 結(jié)論

(1)崩塌群整體呈北東-南西向分布，類型為拉裂-滑移式崩塌，規(guī)模以中型為主。

(2)崩塌群區(qū)斜坡為順向上硬下軟型高陡的自然巖質(zhì)斜坡，上層砂巖相對堅(jiān)硬，下層泥巖和煤層相對軟弱。

(3)斜坡失穩(wěn)形式為卸荷-拉裂-滑移(墜落)，危巖體總體不穩(wěn)定，周邊長期采煤易誘發(fā)崩塌的發(fā)生。

(4)區(qū)內(nèi)崩塌地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，受地形地貌、巖體結(jié)構(gòu)、風(fēng)化、降雨等自然因素控制，人類工程活動特別是采煤活動形成的采空區(qū)是主要誘發(fā)因素。