子陵鋪石膏礦段地面塌陷分析與監測預警研究

盧開華, 蘇 宏, 劉先武

(1.荊門市國土資源局,湖北 荊門 448000; 2.湖北省地質局 第八地質大隊,湖北 襄陽 441002)

子陵鋪石膏礦段地面塌陷分析與監測預警研究

盧開華1, 蘇 宏1, 劉先武2

(1.荊門市國土資源局,湖北 荊門 448000; 2.湖北省地質局 第八地質大隊,湖北 襄陽 441002)

荊門子陵鋪石膏礦段面積3.54 km2,形成采空區1.202 km2,累計發生地面塌陷23次,塌陷面積達0.157 4 km2。通過對該礦段四干渠分水閘周邊地面塌陷區的形態規模、變形特征、形成因素、破壞模式分析和發展趨勢預測,提出該區域采空區綜合治理和地面塌陷地質災害防治監測預警的措施和方法,在實際運用中取得良好效果。

石膏礦;采空區;地面塌陷;監測預警

荊門市子陵鋪石膏礦段總面積3.54 km2,采空區面積1.202 km2,累計發生地面塌陷23起,塌陷總面積0.157 4 km2,未造成人員傷亡。2010年石膏礦關閉后,地方政府采取“禁止居住、禁止通行、禁止耕種、禁止養殖、禁止生產”措施,對采空區實行全封閉管理,將地表65家農戶和2家企業搬遷避讓,開展了四干渠采空區地質勘查和分水閘塌陷區應急修復等工程,建立了完整的地面塌陷監測預警體系,地質災害防治工作取得初步成效。

1 地質環境特征

1.1 地理位置

子陵鋪礦段位于荊門市以北5～10 km處,屬東寶區子陵鋪鎮轄區,為荊門城市近郊。礦段南北長3.5 km,東西寬1.9 km,東側有焦柳鐵路、207國道經過,鄉村公路縱貫全區,交通便利。

1.2 地形地貌

礦段處于丘陵與漢江平原過渡地形帶,屬低緩丘陵地貌區,總體地勢為西北高、南東低。區內溝谷寬緩,丘脊渾圓,丘高在15～20 m,邊坡角一般<25°。地表植被較發育,主要以旱地農作物為主,少量林地及荒地。

1.3 氣象水文

該區域屬于亞熱帶溫暖季風型氣候,氣候適宜,雨量充沛。區域年平均氣溫16℃左右,最低氣溫-14℃,最高氣溫40℃。境內雨量充沛,年平均降雨量987 mm,歷年降雨量980～1 274 mm。

1.4 地層巖性

該區域屬新華夏系第二沉降帶—江漢盆地西緣,地層由老到新為泥盆系、石炭系、二疊系、白堊系、第三系及第四系,缺失侏羅系、三疊系[1]。第四系(Q)主要為場坡積物和沖積物等,由粉砂質粘土、含碎石粉質粘土、腐殖土及人工植土組成。第三系夾馬槽組(Ejm)頂部為粉砂巖、細砂巖與粉砂質泥巖、泥質粉砂巖互層,具水平層理及交錯層理;中上部以層狀鈣質長石石英砂巖為主,夾泥質粉砂巖及粉砂質泥巖;下部以粉砂質泥巖、粉砂巖、泥質粉砂巖為主,夾細粒長石石英砂巖。白堊系上統跑馬崗組(K2p)分為革集亞組和木店亞組,革集亞組又分為石膏山段、橋坡段兩個巖性段;石膏山段為礦區內主要含膏巖系,平均厚度171.86 m。

1.5 地質構造

區域構造主要為南漳—荊門斷裂,斷裂呈北北西向發育,長約170 km,斷層面傾向東,傾角約65°～87°,斷裂性質較為復雜,屬多期復合性斷裂。該斷裂構造大致從塌陷區西側約3 km處經過,受其影響子陵鋪礦段地層在近東西向壓扭構造應力作用下,拖褶形變為一個平緩的向斜構造。

1.6 水文地質條件

區域為丘陵地形,溝谷寬緩,地表松散層全區分布,植被不發育,為降雨提供有利入滲條件。地下水主要由大氣降雨補給,地表水入滲后沿巖石裂隙、構造帶及巷道進入采空區。采空區底板為粉砂質泥巖,厚度較大、層位穩定、透水性差、礦山開采對底板巖層破壞較小、區域向斜構造易于采空區儲水,礦坑內地下水生產期間以人工方式抽排至地表,礦山關停后礦坑地下水匯集后形成老窯積水。

2 礦山現狀

2.1 礦山概況

子陵鋪礦段石膏礦建于20世紀80年代初,生產期間主要開采Ⅷ、Ⅸ、Ⅹ膏層,埋深40～120 m,采用斜井開拓,房柱法采礦,預留石膏層為護頂層,礦房之間預留礦柱,爆破落礦。Ⅹ膏層礦房要素為:礦房沿走向布置,長40～60 m,寬6～8 m,礦柱為4 m×10 m不連續礦柱;采空區頂部預留1～3 m石膏層為護頂層,開采高度一般為6～12 m[2]。

2.2 采空區特征

子陵鋪礦段采空區面積1.202 km2,占礦段面積的34%,采空區大致呈南北向分布于礦區中部及東北部一帶,南北長約2 400 m,東西寬約1 500 m。礦山采空區規模如表1所示。

表1 礦山采空區規模一覽表

3 地面塌陷

3.1 地面塌陷統計

子陵鋪礦段累計發生地面塌陷23起。數據統計分析可見,石膏礦生產期間,塌陷8次,占塌陷面積15%;停產后2—3年為地面塌陷高發期,塌陷14次,占塌陷面積82%;后期地面塌陷逐步變緩。年度地面塌陷規模如表2所示。

3.2 典型案例分析

就2013年“10·23”新橋礦地面塌陷典型案例進行分析。

3.2.1 塌陷時間及位置

2013年10月23日,新橋礦四號井發生地面塌陷,塌陷區集中分布在漳河四干渠分水閘周邊。

3.2.2 形態規模及特征

調查核定,塌陷區面積16 221 m2,屬小型地面塌陷規模。塌陷區域以四干渠分水閘為中心,發育有3處塌陷坑(TX1、TX2、TX3)。

表2 年度地面塌陷區規模統計表

TX1塌陷區平面呈近東西向橢圓形,面積9 467 m2,沿分水閘及東干渠發育,受多條南北向拉張裂縫控制,東西長142 m;南北邊界沿東干渠各向外延伸20～50 m不等,南北寬81 m。塌陷區南北向剖面呈現渠道兩側變形不均一性,北側緩傾連續變形,南側2級階梯型地形跌落。變形特征表現為:

(1) 拉張裂縫。塌陷區外圍分布有弧狀拉張裂縫群,主要集中發育于東干渠東側邊緣及南干渠塌陷所處區范圍內,裂縫一般延伸長約10～25 m,縫寬約0.2～0.5 m,最大可視深度>3 m。

(2) 建筑變形。塌陷中心點渠道南岸呈明顯的梯級地形跌落及傾斜破壞,最外圍跌落陡坎高差達3 m,造成磊鑫公司原民工居住房(已拆遷)部分傾倒損毀,面積約100 m2;塌陷造成分水閘附近渠道及橋梁產生裂縫12處,最大寬度約10 cm;塌陷區內村路、橋梁發生多處沉陷、拉裂等變形,變形受損段長約198 m(圖1)。

圖1 東干渠中心沉降區(TX1)Fig.1 Collapse area (TX1) of central settlement area of eastern main canal

TX2塌陷坑位于四干渠分水閘北25 m處,渠道中央形成一個近圓形塌陷坑,塌陷坑口直徑約24 m,坑底直徑約5 m,剖面形態呈漏斗狀,塌陷變形影響范圍約466 m2。塌陷深度約15 m,塌陷內壁傾斜角度>50°,坑底可見積水。塌陷坑南側渠底形成5條牽引拉張裂縫依序向坑中央跌落,東側靠近礦區公路部分塌落呈近直立狀,對公路造成牽引變形(圖2)。

圖2 北干渠塌陷坑(TX2)Fig.2 Collapse crater (TX2) of northern main canal

TX3塌陷坑位于四干渠分水閘西約40 m處的農田中,塌陷坑呈圓桶狀,直徑約6 m,面積約20 m2,深度約10 m,坑壁呈直立狀,塌陷坑內巖土體松散,初期處于不穩定狀態(圖3)。

圖3 東干渠北側塌陷坑(TX3)Fig.3 Collapse crater (TX3) of eastern main canal

3.2.3 成因及模式分析

(1) 影響因素。①采礦活動:根據勘查開采資料分析,塌陷區域開采高度8～12 m,距地表深度約85 m,采空區是引發地面塌陷的基礎條件。②地層巖性:區域內礦層頂板主要以第三系及白堊系新近沉積地層為主,巖層膠結度較差,力學強度低,巖石含泥成分較高,自身工程地質條件較差,極易發生巖層變形。③地下水作用:由于石膏具遇水軟化特征,采空區上覆巖層破壞后形成良好導水特征,礦山關停后礦坑積水,礦柱受到長期浸泡和軟化,降低了礦柱本身支撐能力[3]。

(2) 模式分析。地面塌陷破壞形式大致可歸納為應力拱漸進式破壞及構造控制突發型破壞兩種模式[4]。

① 應力拱漸進式破壞。采空區形成后覆巖應力作用主要集中于礦柱及圍巖體上,形成復合應力拱結構。石膏礦關停后采空區充水,礦柱遇水軟化,在長期承受 “內應力拱”傳遞的懸空頂板重力作用下,礦柱承載能力逐漸失效,“內應力拱”不斷合并抬升直至與采場兩側圍巖的“外應力拱”重合,導致采場上方覆巖沿內、外應力拱重合處斷裂,形成地表塌陷。TX1正是屬于此類破壞模式,該類型塌陷形成的塌陷區往往面積較大,中心區域整體沉陷,外圍形成拉張裂縫群,塌陷深度相對較小。

② 構造控制型破壞。在巖石節理、裂隙較為發育的采空區域,當采空區發生小范圍變形或受周邊塌陷震動影響時,巖石節理裂隙結構面得到進一步擴張,巖石逐漸被切割,巖體間相互作用力降低,重力作用下切割巖體易形成整體塌落。該類型塌陷通常發育于單個礦房內,周邊礦柱保存較完好,如此次發生的TX2與南側TX3相隔最近僅6 m,卻能保持兩個變形范圍相互獨立。該類型塌陷往往突發性強、塌陷深度較大,地表形成破壞的面積相對較小,多形成單坑零星塌陷(TX3)或發育在塌陷區邊緣一帶(TX2),塌陷形態一般由表層厚度決定,厚度較大時形成漏斗狀,厚度較小時形成圓筒狀。

3.3 塌陷趨勢預測

2012—2014年子陵鋪礦段地面塌陷處于高發期,目前有所減緩。由于采空區形成時間較早,后期未充填處置,特別是礦山關停后采空區大量積水,礦柱浸泡軟化,頂板應力重新分布,在長期重力作用下地面塌陷變形仍有較大的發展空間。對于四干渠分水閘段,礦山開采時留設了保安礦柱,后期對分水閘底部采空區進行了充填處理,預測后續殘余變形對分水四干渠閘設施影響不大。

3.4 塌陷防治措施

3.4.1 防災宣傳

對周邊群眾定期開展防災宣傳和應急演練,發放“防災明白卡”和“防災避險明白卡”,告知群眾臨災避險撤離路線和安全轉移地點,提高廣大群眾防災避險能力和水平。

3.4.2 巡查監測

石膏礦關停后,在礦山企業地質災害防治責任主體缺失的情況下,區、鎮兩級政府承擔了地面塌陷監測預警工作的主體責任。國土部門重新明確采空區巡查、監測及預警責任單位、責任人和監測員,組成專班定期開展采空區地面巡查。在塌陷區變形階段和四干渠灌溉期間,實行24小時輪班巡查和值守,一旦發現異常,迅速預警并上報。

3.4.3 治理修復

針對2013年“10·23”地面塌陷,當地政府組織實施應急搶險修復治理工程。主要是先期對四干渠分水閘塌陷區裂縫進行處理,然后對地表進行回填和壓實,再用粘土回填成梯形斷面,鋪設兩布一膜進行防滲處理,表層現澆C20鋼筋網片混凝土護砌,保障了四干渠春后正常灌溉。

4 監測預警

2012年子陵鋪石膏礦段地面塌陷被納入全省地質災害重點隱患點管理,省廳下達了地質災害防治專項補助經費,委托專業機構設計和施工,采用宏觀監測與GPS位移監測方法開展監測預警工作。

4.1 宏觀監測

宏觀監測采用線路法、追蹤法進行宏觀巡查,在地表拉裂縫及建筑敏感部位設置簡易觀測點。

4.1.1 宏觀巡查

宏觀巡查由熟悉礦區且具備一定地質災害防治知識、責任心強的人員,定期對礦山采空區展開巡查,對地表出現的異常變化進行觀測;根據礦山采空區及塌陷區分布特點,兼顧整個礦山采空區巡查為原則,巡查主路線設定為3條,沿進入礦區的3條主干道進入監測區,線路以“S”形路線布置,將渠道和道路作為重點,兼顧周邊民房進行巡查。宏觀巡查人員分為三組,每組2人,分區段徒步進行巡查,設計巡查主線路長約15 km。

4.1.2 簡易監測

重點區域建立簡易觀測點,采用追蹤與區域搜尋的方法進行深度觀察,主要采用皮尺、鋼尺等簡易測量工具開展監測,由專職監測人員完成。首先主要將近3年來未經回填處理的塌陷區邊緣可視拉裂縫作為主要設點監測對象,觀測裂縫選擇塌陷區外緣1～2級裂縫為宜,測樁距離2～5 m。塌陷區裂縫監測視塌陷體規模大小及裂縫發育程度等綜合布點,一般設計布點為1～3個裂縫監測點。其次對巡查過程中發現的新的地表拉裂縫進行監測,民房以墻體裂縫為重點監測對象。宏觀監測設計塌陷區簡易監測點40個(塌陷區監測點15個、地表建筑物裂縫監測點15個、新的裂縫監測點10個)。

4.2 專業監測

專業監測以GPS三維精密位移監測為主,根據采空區的分布特點及工程布控原則,建立區域平面監測控制網,采用GPS技術對各測點水平和垂直向量上的位移變化進行定時監測,將階段數據匯總分析,對采空區變化趨勢預測分析與預報[5]。

4.2.1 工作原理

采用雙星雙頻GPS位移監測系統,實時接收各監測點的三維空間數據,系統自動計算GPS監測點三維坐標變化數值,從而獲得測點的變形量。

GPS三維精密位移監測方法具有布點靈活、施測方便的特點,不受通視、氣候等綜合環境條件限制,全天候24小時進行實時數據采集。系統采用單歷元高精度算法,解算過程無需人工干預,設備在輸出原始數據同時備份循環存儲,保證了數據安全。監測系統支持瞬變和徐變兩種模式,兼容性強,高精度解算結果直接寫入數據庫,接收機支持遠程訪問、在線升級,操作和管理方便。

4.2.2 工程布置

專業監測由監測基準網及采空區地面變形監測網組成,采用GNSS實時動態監測方案,整個監測區布置1個基準點,基準點設置在采空區以外不小于200 m的穩定地段。根據監測對象的重要程度,監測點主要布置在四干渠及礦區道路周邊,同時兼顧目前尚未塌陷的金陵礦大面積采空區,合計布置10個監測點,通過檢測獲取各測點的水平以及垂直變形量(專業監測點設置分布如圖4所示)。

圖4 子陵鋪石膏礦段專業監測點分布圖Fig.4 Distribution map of professional monitoring point of Zilingpu gypsum ore section

4.2.3 預警設置

(1) 一級預警值:水平方向上連續5天內日平均位移速率≥1 mm/d且位移方向基本一致;5日累計位移≥6 mm,期間日平均位移速率≥0.5 mm/d且位移方向一致并未見收斂。垂直方向上按水平方向的2倍值控制。

(2) 二級預警值:水平方向上連續5天日平均位移速率≥1.5 mm/d且位移方向基本一致;5日累計位移≥9 mm、期間日平均位移速率≥0.8 mm/d且位移方向一致并未見收斂。垂直方向上按水平方向的2倍值控制。

(3) 三級預警值:水平方向上連續5天日平均位移速率≥2 mm/d且位移方向基本一致;5日累計位移≥15 mm、期間日平均位移速率≥1 mm/d且位移方向一致并未見收斂。垂直方向上按水平方向的2倍值控制。

4.2.4 數據分析

監測系統設置完畢后,點擊GNSS 主界面啟動項,系統開始自動進行變形數據信息解算,形成各監測點的變形量曲線圖,可實時讀取各監測點的實時坐標數據和變化值。定期對監測數據匯總和分析,掌握各監測點所含區域的地面變形狀況,預測區域變形發展趨勢。

4.3 監測周期

4.3.1 宏觀監測周期

根據目前地面塌陷逐步減緩的實際,設定常規宏觀巡查周期為1次/5d,雨季適當加密;地面塌陷變形、四干渠灌溉期間1次/d。簡易監測的周期宏觀巡查周期同步。

4.3.2 專業監測周期

(1) 監測基準網由1個基準點構成,每半年復測一次,當對變形監測成果發生懷疑時,應隨時檢核監測基準網。

(2) 變形監測點的監測周期根據監測體的變形特征、變形速率、觀測精度和工程地質條件等因素綜合確定,監測期間可依據變形量適當調整。

4.4 結論建議

由于大面積采空區工程治理存在費用高、施工難、周期長等問題,子陵鋪礦段采取的“監測預警+塌陷區應急修復”相結合方法進行地質災害防治十分必要。監測預警工程采取宏觀監測與專業監測并舉方式,設計巡查線路15 km,簡易監測點40個,專業監測點10個。監測預警工程是一個系統性項目工程,應建立完善的信息互通平臺,確保行政部門、技術機構和實施單位等對監測數據信息及時整理分析和運用,使整個監測工程靈活機動,以便客觀、科學的對子陵石膏礦采空區實行監測。

5 結語

子陵鋪石膏礦段地處荊門城市近郊,地理位置優勢明顯。由于石膏礦開采歷史久遠,采空區面積大、危害程度高,嚴重制約了當地土地綜合利用和城市空間的拓展。荊門市政府高度重視采空區綜合治理工作,多方爭取和籌措資金對四干渠等重點區域實施工程治理,積極開展采空區地面塌陷監測預警,既保障人民財產安全,又為該區域土地綜合利用提供了技術保障。

[1] 徐明華,韓中央,潘曉官,等.荊門市革集—子陵鋪礦區子陵鋪礦段曾廟石膏礦地質普查報告[R].襄樊:湖北省鄂西北地質礦產調查所,2007.

[2] 劉可早,田繼喜,許志東,等.荊門市新橋實業有限公司石膏礦開發利用方案[R].武漢:武漢理工大設計研究院非金屬礦所,2006.

[3] 李海兵,陳紅艷,常亮,等.荊門市東寶區子陵鋪鎮四干渠地面塌陷勘查報告[R].武漢:湖北省地質環境總站,2013.

[4] 李寅.荊門市東寶區子陵鋪礦段新橋石膏礦四干渠分水閘地面塌陷應急調查報告[R].武漢:湖北省地質環境總站,2013.

[5] 李海兵.荊門市東寶區子陵鋪石膏礦段地面塌陷監測預警設計[R].武漢:湖北省地質環境總站,2014.

(責任編輯：陳文寶)

Study of Surface Collapse Analysis and Monitoring &Early Warning of Zilingpu Gypsum Ore Section

LU Kaihua1, SU Hong1, LIU Xianwu2

(1.JingmenBureauofLandResources,Jingmen,Hubei448000; 2.EighthGeologicalBrigadeofHubeiGeologicalBureau,Xiangyang,Hubei441002)

The area of the originalmining area of Zilingpu ore section is 3.54 square kilometers.The area of goaf is 1.202 square kilometers.The cumulative surface collapse occurred 23 times,subsidence area reached 0.1574 square kilometers.Through shape scale length,deformation characteristics,forming factors,failure mode analysis and development trend prediction,the paper puts forward comprehensive treatment of goaf and measures and methods of geological disaster prevention and control of surface collapse,obtaining good results in practical application.

gypsum mine; goaf; surface collapse; monitoring and early warning

2015-08-04;改回日期:2015-08-17

盧開華(1967-),男,工程師,采礦專業,從事礦產資源和地質環境管理工作。E-mail:jmlkh@163.com

P642.26; TD327

A

1671-1211(2016)01-0080-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.201601014

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20151217.1333.030.html 數字出版日期:2015-12-17 13:33