廣東某凹陷式開采的礦山誘發(fā)地面塌陷研究

許世龍，何宏偉，盧藝開，周子智

（廣東省有色金屬地質(zhì)局九四〇隊(duì)，廣東 清遠(yuǎn) 511520）

廣東某地歷史上多次發(fā)生地面塌陷，塌陷發(fā)生時(shí)間段與當(dāng)?shù)芈短斓V山的凹陷式開采時(shí)間段相符，均發(fā)生在與采坑相距較近的耕地之中，造成土地?fù)p毀。由于采礦場已關(guān)閉十余年，消除了當(dāng)?shù)匾鸬叵滤▌?dòng)的一個(gè)重要因素，至今約10年來亦未出現(xiàn)地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害，目前整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。為判定在礦山關(guān)閉后，地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)展趨勢和穩(wěn)定狀態(tài)，采取以物探為主、鉆探為輔的工作方法，對該礦區(qū)內(nèi)的地面塌陷進(jìn)行調(diào)查研究。

1 地質(zhì)環(huán)境條件

1.1 氣象、水文

研究區(qū)屬南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，雨量充沛，長年溫和濕潤、無霜期長。年平均降雨量在1744.1mm～2623.4mm之間。4～9月降雨量占全年的68%～86%，有明顯的雨季汛期。雨量分布山區(qū)多于平原。

研究區(qū)所處區(qū)域位于北東走向覆蓋型的盆地中，盆地內(nèi)地表水系不發(fā)育，多分布縱橫交錯(cuò)的人工渠網(wǎng)（見圖1），地下水位埋深較淺，一般0.2m～2m。區(qū)內(nèi)出露巖溶上升泉，泉流量0.3L/s～1.5L/s不等，水質(zhì)清澈透明，為當(dāng)?shù)鼐用裆罴肮喔扔盟，F(xiàn)礦區(qū)東南側(cè)是原采礦場采坑充水形成的，地表水域面積分別為28856m2、47516m2。該礦區(qū)內(nèi)開采的礦石致密塊狀，局部見條帶狀構(gòu)造，風(fēng)化層薄，裂隙不發(fā)育，采礦場內(nèi)采坑積水主要是裂隙滲水，涌水量200m3/d，開采深度為40m～50m，因此推測水深40m～50m。

圖1 研究區(qū)范圍圖

1.2 地形地貌

從區(qū)域上來看，研究區(qū)位于北東走向覆蓋型盆地中，盆地長約10km，寬1km～6km，面積約35km2，盆地四周為低山丘陵地貌，海拔50m～329m，盆地與四周相對高差40m～300m，盆地內(nèi)地貌類型主要為侵蝕堆積河谷平原，主要由河流的沉積堆積作用形成，為河床面上第一階地，地形平緩，地面標(biāo)高一般在8m～12m。巖溶盆地東南側(cè)，侵蝕構(gòu)造地形低山陡坡邊緣分布有小面積的河流沉積堆積第二階地，比第一階地高1m～3m，與其成階梯狀接觸。盆地內(nèi)局部具有剝蝕堆積地形特征，地形上表現(xiàn)為低矮的丘陵，分水嶺非常不明顯，山頂光禿，圓包狀，山脊寬10m～50m不等，山頂一般等高，地形多呈腎狀或橢圓形，互不連接，組成微波狀起伏丘陵地形，坡度一般5°～20°，一般均為微凸形，如龜背狀，殘坡積覆蓋層較厚，厚1m～5m不等。

1.3 地層巖性

1.3.1 石炭系下統(tǒng)石磴子組（C1ds）

白云質(zhì)灰?guī)r、含炭質(zhì)灰?guī)r、白云巖，廣泛分布，局部出露于地表，大部分隱伏于第四系之下，呈淺灰色、深灰色、灰黑色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，厚層狀構(gòu)造，實(shí)測巖層產(chǎn)狀90°～110°∠15°～45°，裂面較干凈，有少量鐵質(zhì)浸染，發(fā)育網(wǎng)狀方解石細(xì)脈，脈寬0.1cm～0.3cm，巖質(zhì)脆硬，局部可見溶蝕現(xiàn)象，次生方解石脈較發(fā)育，呈乳白色不規(guī)則網(wǎng)狀穿插。

1.3.2 石炭系下統(tǒng)測水組（C1dc）

以灰色為主的雜色砂頁巖夾薄層炭質(zhì)頁巖及劣質(zhì)無煙煤，零星出露于研究區(qū)北西側(cè)及東側(cè)，地貌上表現(xiàn)為低矮的殘丘，上部已風(fēng)化為殘積土，下部強(qiáng)—中風(fēng)化層厚1m～20m不等，巖層節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石較破碎，多被節(jié)理切割成塊狀，并受到強(qiáng)烈的風(fēng)化作用成為半巖半土狀，巖質(zhì)較軟，手折易斷。

1.3.3 第四系陸相河流第一階地沖積層（Qdal）

分布廣泛，土質(zhì)較均一，該層主要由淺黃色、淺褐紅色粉質(zhì)黏土組成，局部夾有粉砂、中粗（礫）砂，該層厚度變化較大，揭露厚度為2.80m～9.20m不等，平均5.49m。在水田區(qū)該層表部通常被改造成厚10cm～25cm的耕植土層，在居民區(qū)該層表部覆蓋有雜填土及素填土。

1.4 地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)斷裂構(gòu)造不發(fā)育，但其位于向斜之中，向斜中石炭統(tǒng)灰?guī)r組成穩(wěn)定的含水層組，砂頁巖為隔水邊界，構(gòu)成一水量中等的覆蓋型巖溶盆地，盆地四周為低山丘陵，盆地與四周相對高差40m～300m，匯水條件較好，有利于地下水的富集，調(diào)查發(fā)現(xiàn)盆地內(nèi)的上升泉群，流量可達(dá)19L/s。

1.5 水文地質(zhì)

研究區(qū)內(nèi)地下水按賦存介質(zhì)的不同可劃分為松散巖類孔隙水、層狀巖類裂隙水及碳酸鹽巖類裂隙溶洞水（巖溶水）三類。其基本特征如下。

1.5.1 松散巖類孔隙水

研究區(qū)普遍分布，該類型地下水主要賦存在第四系松散沉積物的顆粒之間。分布于研究區(qū)沖積平原沖積物中，埋藏深度不大，受大氣降雨或地表水的補(bǔ)給，局部接受巖溶水的補(bǔ)給，分布不均一，且含水量小，通過孔隙向溝谷排泄或滲入基巖中，屬孔隙潛水性質(zhì)，含水巖組主要由淺黃色、淺褐紅色粉質(zhì)黏土組成，局部夾有粉砂、中粗（礫）砂，由于粉質(zhì)黏土其孔隙細(xì)小，不利于地下水的賦存與運(yùn)移，富水性及透水性均較差，屬水量貧乏的含水層或相對隔水層。根據(jù)鉆探揭露，第四系松散巖類含水層中測定的穩(wěn)定地下水位埋深為0.4m～1.4m。

1.5.2 層狀巖類裂隙水

主要分布于研究區(qū)北西側(cè)及東側(cè)，含水巖組為石炭系測水組碎屑巖，主要為以灰色為主的雜色砂頁巖，節(jié)理及風(fēng)化裂隙發(fā)育，形成風(fēng)化裂隙潛水含水層，地下水賦存于節(jié)理裂隙帶中，水位埋深隨地形變化較大，富水性貧乏。

1.5.3 碳酸鹽巖類裂隙溶洞水

研究區(qū)裂隙溶洞水含水層為石炭系灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，主要隱伏于第四系地層之下，埋深較淺，區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖巖面埋深一般＜20m，在研究區(qū)所有鉆孔均有揭露。按含水層出露和埋藏情況，研究區(qū)為淺覆蓋型巖溶盆地，以覆蓋型巖溶區(qū)為主，局部為埋藏型。巖溶水主要賦存于碳酸鹽巖的巖溶裂隙與溶洞中，大泉流量19.164L/s～50L/s，富水性中等。一般情況下，淺部（埋深30m以淺）巖溶較發(fā)育，多為充填或半充填。

1.6 人類工程活動(dòng)

研究區(qū)所處盆地人類工程活動(dòng)活躍，但影響地面塌陷的人類工程活動(dòng)主要為礦山開采及抽排地下水。

2 發(fā)育特征

根據(jù)本區(qū)的物探推斷其發(fā)育范圍及鉆孔揭露發(fā)育情況做以下特征分析：

（1）高密度電阻率測深法推斷的解釋斷面及不良地質(zhì)體平面分布解釋基本反映了本區(qū)巖溶發(fā)育形態(tài)及規(guī)模。研究區(qū)其中等發(fā)育，主要表現(xiàn)為蜂窩型或溶隙型，亦有大規(guī)模發(fā)育帶，巖溶分布相對分散；

（2）研究區(qū)巖性略有差別，不同部位的巖溶發(fā)育強(qiáng)度不同，可溶巖中CaO/MgO比值大，雜質(zhì)含量少，方解石成分含量多，白云石成分含量少的灰?guī)r巖溶發(fā)育較強(qiáng)；

（3）巖面附近至巖面下15m范圍以內(nèi)巖溶最發(fā)育，以充填—半充填溶洞為主；深度15m～30m發(fā)育半充填溶洞；深度超過30m巖溶局部發(fā)育，以小型溶洞和溶蝕裂隙為主；

（4）從鉆孔揭露的溶洞充填物看，個(gè)別溶洞底部會(huì)發(fā)現(xiàn)有一層結(jié)構(gòu)致密的鈣質(zhì)沉積物，上部為碎石、礫（粗）砂及黏土，說明新時(shí)期形成的溶洞充填物在古巖溶時(shí)期的沉積物基礎(chǔ)上迭加、充填、交替。

3 巖溶地面塌陷分布及發(fā)育特征

研究區(qū)已發(fā)巖溶地面塌陷共10處（見圖1），塌陷發(fā)生距今已有15～20年時(shí)間，均發(fā)生于采坑附近，陷坑以單體和群體形式出現(xiàn)，部分塌陷坑已回填，塌陷規(guī)模均為小型，未造成人員傷亡。

從地面塌陷的時(shí)期來劃分，均為新（現(xiàn)代）塌陷，平面形態(tài)多為近橢圓形，剖面形態(tài)多呈碟狀、漏斗及壇狀；采坑周邊塌陷單坑及群坑分布位置共10處，塌陷均為土層塌陷，塌陷層位為河流沖積層，屬土洞型塌陷，陷坑長軸長一般為4m～12m，陷坑軸向多為北西向，坑口規(guī)模一般為4m2～66m2，最大為66m2，塌陷影響范圍面積約0.01km2（＜0.1km2），規(guī)模為小型。

塌陷的分布受巖溶發(fā)育規(guī)律、發(fā)育程度的制約，同時(shí)，與地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌、土層厚度等有關(guān)。研究區(qū)的地面塌陷主要發(fā)育規(guī)律為：

（1）塌陷分布區(qū)土層?。貉芯繀^(qū)覆蓋層厚度一般為2.80m～9.20m不等，而塌陷均發(fā)生于土層當(dāng)中；

（2）塌陷分布區(qū)地下水位埋深淺：區(qū)內(nèi)地下水位埋深一般為0.2m～2m，基本上位于土層當(dāng)中；

（3）塌陷均分布于凹陷開采石灰?guī)r采坑周圍：塌陷點(diǎn)與臨近積水采坑中心相距115m～400m，平均241m，其中115m～250m距離段共發(fā)生塌陷7處，250m～400m距離段共發(fā)生塌陷3處。越靠近采坑中心，塌陷坑的數(shù)量與規(guī)模均呈上升趨勢；

（4）塌陷發(fā)生時(shí)間段與礦山開采時(shí)間段吻合：區(qū)內(nèi)采石場自1998年開始對礦區(qū)范圍內(nèi)石灰?guī)r進(jìn)行大規(guī)模開采，開采期間礦坑大量抽排地下水，導(dǎo)致周邊陸續(xù)發(fā)生地面塌陷。

4 巖溶地面塌陷形成機(jī)制

研究區(qū)巖溶地面塌陷的發(fā)生是在諸多因素的影響下形成的，包括自然因素及人為因素。具體包括以下幾個(gè)方面：

（1）地層巖性

研究區(qū)內(nèi)可溶性巖石主要為石炭系石磴子組（C1ds）白云質(zhì)灰?guī)r、含炭質(zhì)灰?guī)r。根據(jù)對鉆探揭露的成果分析：鉆孔見洞隙率44.4%，鉆孔線巖溶率2.3%～14.1%，平均7.3%。區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育中等。通過鉆探揭露，巖面溶蝕明顯，往往形成較多的溶隙，有利于地下水的流通，易形成溶洞或溶溝。當(dāng)上覆蓋層為粉質(zhì)粘土層時(shí)易被潛蝕，易發(fā)生地面塌陷。區(qū)內(nèi)的石炭系石磴子組灰?guī)r，是巖溶發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)，是地面塌陷形成的基本條件之一。

（2）地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)所處向斜核部較為平緩開闊，巖溶發(fā)育分布也較為廣泛，其坳陷深度較淺，可溶巖埋深小于侵蝕基準(zhǔn)面，巖性主要為石炭系白云質(zhì)灰?guī)r，經(jīng)地表調(diào)查及鉆探揭露，該巖性層巖溶不甚發(fā)育，但由于塌陷分布區(qū)所處構(gòu)造部位為地下水強(qiáng)烈活動(dòng)的場所，受外界擾動(dòng)（如抽排水）易引起地下水的劇烈波動(dòng)，促使覆蓋層中土體發(fā)生潛蝕作用破壞而流失。

（3）地形地貌

從區(qū)域地貌看，研究區(qū)位于巖溶盆地內(nèi)，地勢低平，有利于地表水向盆地匯集及地下水的補(bǔ)給，由丘陵低山區(qū)東面和南面匯聚的基巖裂隙水由丘陵邊緣進(jìn)入中部與松散層孔隙水和巖溶水匯集后向西部徑流，在地下水侵蝕作用下碳酸鹽巖緩慢溶解形成巖溶通道。

（4）地下水埋深

研究區(qū)地下水位埋藏淺，一般小于2m，基本上位于土層當(dāng)中，且覆蓋層厚度薄，一般2.80m～9.20m不等，塌陷為土層塌陷，土體主要由粉質(zhì)黏土組成，粉質(zhì)黏土與下伏碳酸鹽巖直接接觸。覆蓋層薄，地下水潛蝕路徑短，土洞擴(kuò)展到地面的時(shí)間短，較難達(dá)到應(yīng)力平衡，易發(fā)生塌陷。

（5）發(fā)育程度

經(jīng)物探調(diào)查有巖溶異常反映，鉆探亦揭露厚度不一的災(zāi)害現(xiàn)象出現(xiàn)，且據(jù)1999年對兩個(gè)礦山的儲(chǔ)量簡測報(bào)告表明，礦山開采至-5m標(biāo)高時(shí)發(fā)現(xiàn)灰?guī)r風(fēng)化層薄，風(fēng)化裂隙不發(fā)育，也未發(fā)現(xiàn)溶洞，綜合上述資料表明隱伏區(qū)巖溶發(fā)育特征為灰?guī)r面以溶溝、溶槽為主，灰?guī)r內(nèi)以溶隙、溶孔為主，溶洞次之，總體上研究區(qū)中等發(fā)育。

（6）采礦場礦坑抽排地下水

研究區(qū)周邊礦山開采的礦石抽排地下水，導(dǎo)致地下水水位劇烈波動(dòng)是造成地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害的直接誘因[1-3]。礦山開采期間礦坑大量抽排地下水，引起周邊區(qū)域地下水位下降，形成以礦坑為中心的地下水漏斗，最終導(dǎo)致周邊陸續(xù)發(fā)生地面塌陷。礦山關(guān)閉后，采坑充水后，周邊地下水位最近10年來都處于穩(wěn)定狀態(tài)，未發(fā)生地面塌陷。

通過對該區(qū)地面塌陷的成因進(jìn)行綜合分析，認(rèn)為潛蝕致塌模式為本區(qū)巖溶地面塌陷發(fā)生最主要的致塌模式[4，5]。采石場礦坑強(qiáng)烈的抽排水使地下水位快速下降，水力坡度加大，水流速度加快，水流潛蝕、搬運(yùn)作用加強(qiáng)，同時(shí)上覆土體在地下水的浸泡作用下，力學(xué)強(qiáng)度大為降低，水流沖擊后逐漸將土層顆粒帶走而形成土洞，水流的長期潛蝕作用導(dǎo)致土洞不斷擴(kuò)展，最終破壞上覆土體原有臨界狀態(tài)或基本穩(wěn)定狀態(tài)而塌陷（圖2）。

圖2 淺覆蓋型地面塌陷形成過程

5 地面塌陷發(fā)展趨勢預(yù)測

目前，石場關(guān)閉后停止了地下水的大量抽取，排除了干擾地下水的人為因素，地下水環(huán)境得到恢復(fù)，地下水環(huán)境處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，在沒有開采地下水的自然條件下，引發(fā)地面塌陷的可能性小，危害性小，但引發(fā)巖溶地面塌陷的自然因素在長期的自然演化過程中，某一時(shí)刻影響因素自然突變，地下水位劇烈波動(dòng)也可能引發(fā)地面塌陷。

6 結(jié)論及建議

綜上所述，研究區(qū)地面塌陷是內(nèi)外因素共同作用的結(jié)果，礦山開采抽排地下水加速了地面塌陷的發(fā)展，是形成地面塌陷的主要引發(fā)因素。

礦山關(guān)閉后，采坑內(nèi)積水，周邊地下水位處于平衡狀態(tài)，地面基本穩(wěn)定。通過對該區(qū)地面塌陷形成機(jī)制的分析研究，提出以下幾點(diǎn)防治措施建議：①采礦場內(nèi)及周邊嚴(yán)禁大量抽排地下水；②礦區(qū)內(nèi)布置少量監(jiān)測點(diǎn)，加強(qiáng)地下水位動(dòng)態(tài)監(jiān)測；③當(dāng)?shù)卮迕裥陆ā⒏慕ǚ课萁ㄗh做好巖土工程勘察工作；④加強(qiáng)研究區(qū)地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害的巡查、監(jiān)測及群測群防工作。