淺析水文地質(zhì)條件與巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害的互相影響關(guān)系

［關(guān)鍵詞］水文地質(zhì)；巖溶塌陷；潘家老屋

1. 引言

安徽省懷寧縣月山鎮(zhèn)潘家老屋地區(qū)位于懷寧縣月山鎮(zhèn)東北部，距安慶市區(qū)約20 km。區(qū)內(nèi)人口稠密，由于礦山的疏干排水引起地下水位下降，改變了地下水的水力條件。自20世紀(jì)80年代末起，陸續(xù)產(chǎn)生巖溶塌陷，特別在20 世紀(jì)90 年代初，巖溶塌陷頻發(fā)，至今累計(jì)發(fā)生150 余起，巖溶塌陷引起房屋受損，破壞農(nóng)田，同時(shí)毀壞部分公路、河道，造成的直接經(jīng)濟(jì)損失巨大。近十年來，隨著安慶銅礦防治水工程的實(shí)施，巖溶塌陷偶有發(fā)生，2019年11月7日、12月12日在潘家老屋的東部發(fā)生兩起巖溶塌陷，因塌陷坑距房屋較近，引起了當(dāng)?shù)匕傩論?dān)憂，當(dāng)?shù)厝嗣裾跋嚓P(guān)部門對此高度重視[1]。

為保障當(dāng)?shù)厝嗣袢松碡?cái)產(chǎn)安全。要求在充分分析前期工作的基礎(chǔ)上，通過進(jìn)一步詳細(xì)勘查，查明巖溶塌陷的地質(zhì)環(huán)境條件，重點(diǎn)調(diào)查2008年至今巖溶地面塌陷的發(fā)生情況及其規(guī)律，地下徑流場的變化特征，分析論證巖溶塌陷的發(fā)展趨勢。通過多期地下水的動(dòng)態(tài)監(jiān)測。查明地下水的徑流及其動(dòng)態(tài)變化特征劃分巖溶塌陷危險(xiǎn)區(qū)，提出防治對策，為下一步巖溶塌陷防治工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2. 巖溶塌陷的發(fā)育現(xiàn)狀

研究區(qū)內(nèi)引起巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害直接原因即安慶銅礦井下開采礦石，其為主副井和斜坡道聯(lián)合開拓的現(xiàn)代化礦山。1981年7月至1986年9月相繼進(jìn)行副井、西風(fēng)井及坑下-400 m 中段精密探礦，1987 年之后進(jìn)行-280 m、-340 m中段及主井的采準(zhǔn)施工，1991年開始試生產(chǎn)，礦山設(shè)計(jì)年采選能力115.5×104t。目前，安慶銅礦-400 m以上的礦體基本采完，現(xiàn)開采中段已下降到-580 m中段。下一步將進(jìn)行設(shè)計(jì)開采-580 m以下中段及東馬鞍山段、馬頭山礦體段。安慶銅礦現(xiàn)在正進(jìn)行深部探采開拓，開拓深度已達(dá)-720 m。同時(shí)對西側(cè)馬頭山銅礦體進(jìn)行開拓，開拓深度約-500 m。隨著安慶銅礦開拓及生產(chǎn)，礦坑排水引起地下水位下降，礦坑周邊形成降落漏斗，由于地下水水力條件發(fā)生改變，引發(fā)了巖溶塌陷，1987～2020年6月研究區(qū)內(nèi)共發(fā)生巖溶塌陷141處。

區(qū)內(nèi)巖溶塌陷的平面形態(tài)主要為圓形或橢圓形，塌陷坑直徑在1～8 m之間，且以2～5 m為主，即以小型塌陷坑為主，次為中型，無大型以上塌陷坑，塌陷坑平面面積以3～50 m²為主。剖面形態(tài)主要有豎井狀、壇狀、漏斗狀及碟狀，塌陷坑深度在1～8 m之間，規(guī)模較大的塌陷坑主要分布在潘家老屋地帶（圖1）。潘家老屋塌陷區(qū)塌陷坑地面直徑0.5～4 m，以小于1.5 m為主，塌陷坑規(guī)模相對較大的主要分布在馬鞍河流床附近，塌陷坑深度以小于1.5 m為主。

3. 研究區(qū)水文地質(zhì)條件

研究區(qū)位于月山河谷水文地質(zhì)單元。北部為月形山、東西馬鞍山的丘陵地區(qū)，分布富水性弱-極弱的碎屑巖和巖漿巖裂隙含水巖組和富水性中等-強(qiáng)碳酸鹽巖裂隙巖溶含水巖組。南部為月山河谷，上部為富水性弱至中等的第四系松散巖類孔隙水[2]。

3.1地下水類型及含水巖組

（1）松散巖類孔隙水

水量極弱孔隙含水巖組：分布于山前坡洪積扇，含水巖性為第四系上更新統(tǒng)坡洪積的粉質(zhì)黏土、黏土及含礫石粉質(zhì)黏土，一般厚2～12.9 m，透水性極弱，地下水位埋深在2～8 m之間，地下水富水性極弱，單位涌水量＜0.03 L/s.m。因巖性主要為黏性土，一般視為透水性極弱的不含水層。

水量弱至中等的孔隙含水巖組：分布于月山河及馬鞍山河等支流河漫灘，含水巖性為第四系全新統(tǒng)沖洪積的礫卵石層，厚度3～8 m，局部可至15 m。巖性橫向變化大，富水性因地而異。月山河河漫灘巖性上部一般為粉質(zhì)黏土或粉土、下部為砂礫層。富水性弱至中等，鉆孔單位涌水量q=0.2 L/s·m，滲透系數(shù)K=3.215 m/d，地下水化學(xué)類型為HCO₃^-·Ca型水，水溫18 ℃，礦化度M=0.195～0.334 g/L。

（2）碳酸鹽巖類裂隙巖溶水

三疊系中統(tǒng)月山組中段角礫狀大理巖含水巖組：該組由三疊系中統(tǒng)月山組中段角礫狀大理巖組成，厚52 m。巖性特點(diǎn)是原生晶洞發(fā)育，由于晶洞彼此之間往往連通，為地下水活動(dòng)提供了良好的空間，該組巖溶發(fā)育較均勻，成層性特征明顯。巖溶形態(tài)以小溶孔、溶蝕裂隙為主，局部有溶洞，溶洞大小一般≤2 m，最大達(dá)20 m，洞隙率5%～20%，鉆孔溶洞能見率10%。巖溶一般發(fā)育在-100 m 以上，最深至-340 m 左右。鉆孔單位涌水量q=0.154～1.226 L/s·m，滲透系數(shù)K=0.214～1.204 m/d，富水性中等-強(qiáng)。

三疊系下統(tǒng)南陵湖組灰?guī)r、大理巖含水巖組：該組由三疊系下統(tǒng)南陵湖組灰?guī)r、大理巖組成，厚度＞420 m。巖溶發(fā)育，巖溶形態(tài)有溶洞、溶孔、溶蝕裂隙。巖溶分布不均勻，分布特點(diǎn)是：剖面上，淺部較深部發(fā)育，馬山口以南的外圍巖溶發(fā)育深度一般在-100 m以上，呈水平帶狀分布，鉆孔溶洞能見率54%，溶洞大小不等，最大37 m，一般0.5～5 m。淺部巖溶均有泥砂或黏性土充填，深部一般為空洞。在安慶銅礦巖溶隨深度增加而減弱，礦區(qū)內(nèi)部深部可達(dá)-340 m。

（3）基巖裂隙水

碎屑巖類裂隙水：廣泛分布于研究區(qū)的北部。含水地層為三疊系中統(tǒng)的銅頭尖組，巖性為粉砂巖、細(xì)砂巖、粉砂質(zhì)頁巖，總厚1735 m。該層裂隙發(fā)育，但多為擠壓閉合型，有效含水介質(zhì)不發(fā)育。富水性弱至極弱，鉆孔單位涌水量q=0.0292～0.043 L/s·m，滲透系數(shù)K=0.0281～0.0419 m/d，礦化度＜0.5 g/L，地下水化學(xué)類型為HCO₃^-·Ca型水或HCO₃^-Mg型水。

巖漿巖類裂隙水：由燕山期月山巖體的閃長巖和總鋪巖體的閃長巖、閃長玢巖組成。閃長巖裂隙一般不發(fā)育，風(fēng)化帶裂隙較發(fā)育。富水性弱至極弱，鉆孔單位涌水量q=0.001～0.0672 L/s·m，滲透系數(shù)K=0.0003～0.0405 m/d，地下水化學(xué)類型主要為HCO₃^-Ca·Na 型水，水溫17℃ ～18.5 ℃，礦化度M=0.29～0.475 d/L。安慶銅礦各中段均揭露該層[3-4]。

（4）構(gòu)造帶含水特征

礦體與大理巖接觸帶：在大理巖一側(cè)，即外接觸帶，巖溶發(fā)育，地層破碎，含水豐富。例如安慶銅礦東部巷道開拓后，一般干燥無水，但超前探礦孔往往在大理巖與礦體接觸帶附近發(fā)生涌水。

3.2地下水補(bǔ)給、徑流、排泄

（1）地下水補(bǔ)給：天然狀態(tài)下地下水補(bǔ)給：主要是大氣降水補(bǔ)給，其次為地表水補(bǔ)給。在天然狀態(tài)下，降水入滲，垂向補(bǔ)給丘陵地區(qū)的裂隙巖溶水含水巖組、基巖裂隙水含水巖組與第四系覆蓋區(qū)的孔隙水含水巖組。后者間接補(bǔ)給下伏的裂隙巖溶水含水巖組和基巖裂隙水含水巖組。

（2）地下水徑流：天然狀態(tài)下地下水徑流：與地表水一致，分別由研究區(qū)的北部流向南部的月山河，地下水徑流緩慢。礦山排水狀態(tài)下地下水徑流：局部改變?yōu)榱飨虻V坑，地下水的徑流速度加大。

（3）地下水排泄：目前研究區(qū)地下水的排泄與區(qū)內(nèi)地下水的徑流場變化特征一致，包括礦坑排水和自然排泄，分水嶺以南地下水排泄于月山河谷，分水嶺以北地下水排泄于安慶銅礦礦坑。安慶銅礦礦坑排水與開采情況關(guān)系密切。1987～1992年，本礦基建期，礦坑面積和深度不斷擴(kuò)大，排水量也由8000 m³/d增至約12000 m³/d，1992～1996年排水量有一個(gè)相對穩(wěn)定期，約為12000～13000 m³/d，與當(dāng)年相對穩(wěn)定的開采期有關(guān)。1996～1999年排水量曲線波動(dòng)較大，與突水事故、降雨周期性波動(dòng)、人工治水以及坑道突水點(diǎn)增大有關(guān)，2004年至今，礦山涌水量有穩(wěn)中減少趨勢。

3.3地下水水動(dòng)力條件

（1）安慶銅礦疏干排水引起地下水動(dòng)力條件的變化

據(jù)前期勘查成果，安慶銅礦疏干排水已形成了以礦坑為中心的降落漏斗，并向其東南方向、正南方向和西南方向擴(kuò)展的相對穩(wěn)定的降落漏斗，在研究區(qū)的北側(cè)外圍已形成了相對穩(wěn)定的地下水分水嶺。在位于覆蓋巖溶區(qū)的降落漏斗之中產(chǎn)生了大量的巖溶塌陷，塌陷范圍隨降落漏斗的擴(kuò)展呈同步向外推移。塌陷發(fā)生數(shù)量與礦坑排水特征緊密相關(guān)。

（2）降水、地表水因素對研究區(qū)地下水動(dòng)力條件變化的影響

由于區(qū)內(nèi)降水的不均，區(qū)內(nèi)含水層水位動(dòng)態(tài)變化，特別是在強(qiáng)降水或持續(xù)降水時(shí)，蓋層中地下水位迅速上升，入滲水流產(chǎn)生滲壓，使蓋層產(chǎn)生潛蝕破壞，研究區(qū)內(nèi)的馬鞍河水位動(dòng)態(tài)變化大，洪水期時(shí)，河水常淹沒兩岸農(nóng)田，枯水期時(shí)河床大都裸露，河水水位的反復(fù)波動(dòng)，引起近河岸地下水位同步變化，增強(qiáng)了地下水的滲透潛蝕作用及巖溶空腔的負(fù)壓吸蝕作用，引起近河岸地帶的蓋層中形成土洞，導(dǎo)致塌陷，從巖溶塌陷發(fā)生的時(shí)間上分析大都發(fā)生在3～7月豐水期，另在枯水期也有發(fā)生，塌陷發(fā)生時(shí)間與河水水位強(qiáng)烈變化緊密相關(guān)。

4. 地下水流場變化與巖溶塌陷關(guān)系

4.1礦山抽排水與巖溶塌陷關(guān)系

研究區(qū)巖溶塌陷與安慶銅礦礦山排水活動(dòng)關(guān)系密切，巖溶塌陷主要發(fā)生在礦山開采的初期，特別與礦坑大的突水事件相關(guān)，采取地表、井下綜合防治水措施后，礦坑涌水量變化幅度不大，地面巖溶塌陷發(fā)生的頻率明顯減少，各時(shí)期巖溶塌陷形成及發(fā)展經(jīng)過見表1。

4.2降水、地表水與巖溶塌陷關(guān)系

研究區(qū)巖溶塌陷與大氣降水、地表水關(guān)系密切，為便于分析和今后研究區(qū)巖溶塌陷預(yù)警工作的需要，本次在總體評(píng)價(jià)研究區(qū)巖溶塌陷與大氣降水的關(guān)系基礎(chǔ)上，分別對1998～2020年潘家老屋地區(qū)進(jìn)行規(guī)律總結(jié)可以看出，研究區(qū)從1987年至今，巖溶塌陷的發(fā)生與大氣降水關(guān)系密切，潘家老屋地區(qū)巖溶塌陷主要發(fā)生在3～5、7月及10月至次年的1月，2月、6月、8～9月發(fā)生較少，3～5月占塌陷總數(shù)的24.43%，10～12月占塌陷總數(shù)的35.71%。巖溶塌陷主要發(fā)生在春季平水期及秋冬季的枯水期，河流水位下降、流量減少甚至斷流及農(nóng)田無水。

5. 巖溶塌陷對地下水的影響

研究區(qū)馬鞍山河河床及兩岸為巖溶塌陷高發(fā)區(qū)，特別在1993年之前，馬山口內(nèi)的河床及兩岸巖溶塌陷頻發(fā)，導(dǎo)致馬鞍山河出現(xiàn)多次斷流，影響下游農(nóng)業(yè)灌溉，河水直接灌入井下，礦坑涌水量大增，礦山排水成本增加。1993年之后，馬山口地帶通過修筑人工河道，馬鞍山河發(fā)生斷流的次數(shù)明顯減少。由于對巖溶地下水的排采，地下水位下降，使排水漏斗內(nèi)泉水干涸，水塘、民井水位降低至干涸，導(dǎo)致部分水稻田漏水改為旱地，另外，農(nóng)田供水的不足也影響部分耕地收成。地下水位低還導(dǎo)致村莊居民飲用水困難。宣家屋北西側(cè)的宣灣水庫[5-6]，1995年之前還可供其下游的水田灌溉，由于水庫蓄水減少，不能滿足需要，現(xiàn)下游的水稻田改為旱地。

6. 結(jié)論

在充分分析前期工作的基礎(chǔ)上，認(rèn)為研究區(qū)內(nèi)地下水水動(dòng)力條件的改變是巖溶塌陷形成的重要因素，礦山排水與降水變化導(dǎo)致水動(dòng)力條件發(fā)生改變從而導(dǎo)致巖溶塌陷形成，地下水動(dòng)力條件變化是巖溶塌陷形成的主要?jiǎng)恿σ蛩?。巖溶洞隙中的地下水位急劇下降，使巖溶空腔中有壓水轉(zhuǎn)為無壓水時(shí)，形成真空負(fù)壓，負(fù)壓作用加劇了對土體的潛蝕作用，加速了土體的破壞和土洞的形成與擴(kuò)展，進(jìn)而產(chǎn)生地面塌陷。引起研究區(qū)地下水動(dòng)力條件變化因素主要為安慶銅礦疏干排水及降水、地表水因素。