荊門市子陵石膏礦區地面塌陷成因分析及發展趨勢預測

劉 波, 陳江軍, 王國強, 陳堯堯, 王鵬來

(湖北省地質局 水文地質工程地質大隊,湖北 荊州 434020)

荊門市子陵石膏礦區位于荊門市城市規劃區范圍,區內石膏礦產資源豐富,開發歷史悠久,礦產資源的開發一方面保證了國民經濟發展對礦物質材料的需求,另一方面也不同程度地造成大氣、水源和土壤的污染,破壞自然景觀和植被,誘發一系列礦區地質環境問題[1]。其中影響最為嚴重、危害最大的地質環境問題當屬石膏礦采空區地面塌陷,由于地面塌陷在時間上具突發性,空間上具破壞性,產生的垂直位移變形會對原始地形地貌破壞嚴重,對地表工民性建筑、交通、農業、水電及通訊等基礎性設施極具危害性[2]。據資料統計,自2008年以來,子陵石膏礦累計發生地面塌陷28次,總面積達0.15 km2,采空區地面塌陷頻繁發生,嚴重影響了荊門市的城市規劃建設和威脅礦區周邊居民的生命財產安全。當前荊門市正值經濟快速發展、全面建成小康社會的重要時期,石膏礦采空區引起的地質環境問題已經成為制約荊門市經濟可持續發展和地質環境保護防治對策的重要瓶頸,開展荊門市石膏礦采空區地面塌陷的防治工作已經刻不容緩。然而,迄今為止,荊門市石膏礦采空區地面塌陷的成因分析研究工作還未展開,影響地面塌陷形成因素尚不明確,無法有效預測采空區的發展趨勢,石膏礦區地面塌陷問題難以得到有效控制。因此,急需開展子陵石膏礦采空區地面塌陷成因分析,查明地面塌陷形成的影響因素,預測采空區的發展趨勢,對保障礦區百姓生命財產安全、礦區土地的利用以及重大基礎設施建設規劃具有十分重要的現實意義[3]。

1 子陵石膏礦地質條件及開采概況

1.1 礦區地質條件

子陵石膏礦區位于鄂西山地與江漢平原過渡帶,屬低緩丘陵地貌區,總體地勢為西北高、南東低。礦區新華夏系第二構造沉降帶、江漢凹陷西緣荊門向斜東翼的南段,區域構造主要為南漳—荊門斷裂,斷裂性質較為復雜,屬多期復合性斷裂。受其影響,下盤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。子陵礦區主要被第四系覆蓋,與下伏地層不整合接觸,石膏礦層賦存于白堊系上統跑馬崗組(K2p),礦層埋藏較淺、品位較高,與圍巖呈互層狀產出。礦層直接頂板圍巖為泥巖、膏質泥巖、粉砂巖等,抗壓強度低,屬軟質巖石,遇水易軟化、泥化、崩解,堅固性、穩定性差,井下形成采空區后易造成冒頂等不良工程地質現象,不能直接作為礦房頂柱(圖1)。石膏礦層(體)結構致密,屬半堅硬巖石,完整性、連續性好,工程地質性質優于頂板圍巖巖性。根據礦山多年的采礦經驗,回采礦房時保留1～2 m 的頂柱,以保護礦房頂柱不冒頂,并保持泥巖、膏質泥巖、粉砂巖等隔水層的完整性,以防上部孔隙—裂隙水流入礦坑。

礦區水文地質條件簡單,開采過程中構成礦床充水的含水層均位于礦層之上,主要含水層有第四系孔隙潛水含水層、古近系夾馬槽組(Ejm)砂巖孔裂隙含水層。第四系孔隙潛水及基巖風化帶孔隙—裂隙水主要受大氣降水補給。區內礦山采取地下方式開采,由于全年井筒開拓過程中穿越上部淺層含水巖層,造成淺層地下水滲入井下,局部采礦區內由于打穿上部預留石膏礦層及含水巖層,頂板漏水,礦床充水主要含水層均位于礦層之上,礦層與主要含水層之間也有較厚的隔水層存在,因此礦床為間接充水方式,礦層之上的含水層可通過裂縫、構造破碎帶及打穿頂板隔水層之間的通道補給礦床。

圖1 荊門市子陵石膏礦工程地質剖面圖Fig.1 Engineering geological profile of Ziling gypsum mine in Jingmen city1.第四系松散殘坡積含碎石粉質粘土巖組；2.古近系夾馬槽組軟弱中厚層粉砂質泥巖夾泥質粉砂巖巖組；3.白堊系上統跑馬崗組軟弱中厚層粉砂質泥巖夾泥巖巖組；4.含碎石粉質粘土；5.粉砂質泥巖；6.泥質粉砂巖；7.泥巖；8.石膏；9.鉆孔及編號；10.采空區。

1.2 礦區開采概況

荊門市子陵鋪鎮石膏礦山始建于20世紀90年代初,由福橋、新橋、曾廟、寶安及金陵5家石膏礦山組成,礦區面積約2.76 km2。20余年來,子陵鋪鎮石膏礦礦山企業在經營體制上經歷了集體與私營企業的轉型。礦山主要開采礦層為Ⅷ、Ⅸ、Ⅹ石膏層,礦床埋深在40～120 m。該石膏礦礦層采用斜井開拓方式,以

巷道采礦法與房柱采礦法混合采礦,采空區回采主要為沿傾向后退式回采,礦房回采一般采用沿走向前進式推進,頂板采用預留石膏層護頂,礦房間預留礦柱。在歷經20余年的地下采礦后,礦區內形成了大量未經處理的采空區域。依據荊門市國土資源局東寶分局提供的礦山井上、井下對照圖及收集資料綜合分析,目前礦山形成的采空區總面積約1.16 km2,約占礦區總面積的42%。

1.3 采空區分布及規模

子陵石膏礦采空區面積約1.16 km2,采空區大致呈南北向分布于礦區的中部及東北部一帶,采空區南北長約2 400 m,東西寬約1 500 m,其中以金陵、新橋石膏礦采空區面積相對較大,而以福橋、寶安兩礦山采空比例較大,各礦山采空區規模基本情況見表1。

采空區的分布主要與礦層發育厚度、地表工程的分布情況及礦山開采方案設計有關,礦層發育厚度受區域構造作用影響較大,當礦層較薄時,在預留護頂膏層3 m的前提下,采礦性價比不高,因此前期礦山開采主要針對礦層厚度較大的地段,從而形成目前的采空區分布格局。

表1 子陵石膏礦采空區規模一覽表Table 1 List of goaf scale of Ziling gypsum mine

1.4 采空區形態及結構

子陵鎮石膏礦經二十余年的地下采礦活動,礦區內形成了大面積采空區域,根據收集的礦山井下開采資料與勘查核實,采空區整體空間形態受區內向斜構造及礦床沉積形態控制,采空區大致為一“鍋底”形狀發育,整體以中部低洼,四周揚起為特征。采空區底板埋深40～120 m,采空區高6～9.5 m,以礦區中部礦層較厚(10～15 m)、采空區埋深較大(100～120 m)、采空高度大(8～10 m),四周礦層較薄、埋深較淺、采高小為特征[4]。

采空區結構主要由礦柱、礦房及圍巖組成,采空區因形成的時段不同,不同時期存在開采及管理模式上的差異,因而在采空區空間結構上有所不同。子陵石膏礦區五家礦山關停前采空區空間結構見表2。曾廟及金陵石膏礦礦柱預留尺寸較大,新橋及寶安礦礦柱預留尺寸較小；礦房尺寸以福橋及曾廟礦較大,新橋及寶安礦較小；采空區高度以曾廟及福橋最高,新橋最低；護頂層厚度以福橋及曾廟礦最大,新橋礦最小。采空區頂、底板巖石均為粉砂質泥巖,因頂板泥巖工程地質條件較差,一般在開采過程中均留有不等厚度的石膏層作護頂,其中以福橋、曾廟礦預留護頂膏層的厚度相對較大(2～3 m),新橋礦護頂高度最小(1～2 m)。

2 子陵石膏礦區地面塌陷特征

荊門市子陵礦區發生采空型地面塌陷28處,在5個礦區均有分布,其中分布在曾廟(10處)、新橋(6處)、福橋(5處)、寶安(4處)以及金陵(3處)。地面塌陷總面積約15.3×104m2,占礦山采空區面積12.7%。子陵石膏礦區地面塌陷形式主要以單坑(洞)、零星、季節性發育為主,其平面發育形態多呈橢圓形、圓形發育,塌陷坑深度一般在5～30 m,單坑發育面積一般在50～30 000 m2。

2.1 地面塌陷類型

子陵石膏礦區地面塌陷按塌陷形態可分為“深坑式”塌陷和“鍋底形”塌陷兩種地面塌陷類型(圖2)。

“深坑式”塌陷面積較小(一般<2 000 m2),如T9、T16、T26地面塌陷,其塌陷深度較大,塌陷形狀呈反漏斗狀,地表呈圓形、橢圓形,塌陷面積小于采空區面積,陷坑周壁巖層出露清晰,巖石近垂向微張裂隙較發育,粉砂巖、砂巖中的塌陷斷面較平直、光滑,塌陷區中下部形態受巖石構造裂隙控制性較強,多以方形或不規則多邊形發育,小面積地面塌陷往往變形較劇烈,雖然影響范圍不大,但對地表形成的破壞性及危險性較大。

“鍋底形”塌陷區面積較大(2 000～30 000 m2),其中心塌陷深度一般在5～10 m左右,塌陷坑形態較為舒緩,呈“鍋底形”內傾漸變式發育,局部邊、角一帶偶有“坑中坑”發育,其內坑發育規模一般<100 m2,深度一般在2～8 m左右。大面積地面塌陷往往形成的影響范圍較大,雖變形模式相對柔和,但其對地表建筑物破壞性較大[6]。

圖2 荊門市石膏礦區地面塌陷類型(修改自王官寶等[5])Fig.2 Type of ground collapse in gypsum mining area in Jingmen

照片1 “深坑式”地面塌陷Photo 1 Surface collapse of “Deep pit”

照片2 “鍋底形”地面塌陷Photo 2 Surface collapse of “Pan bottom”

2.2 塌陷變形特征

根據塌陷坑地表變形特點及形態發育特征,塌陷區大致分為中間均勻下沉區及危險變形移動區。

均勻下沉區位于塌陷區中心部位,發育范圍一般較小,約占總塌陷區面積5%～12%,但在小面積塌陷中其中部沉降區所占比例較大,該區平面發育形態與整體塌陷區形態較一致,具明顯均勻性沉降特點,常形成塌陷區中心部位的平坦地塊,中間沉降區裂縫一般不發育,多以寬度小(0.2～3 cm)、延伸短(0.5～5 m)為特征,地面塌陷后中間下沉區往往易形成積水或泥化現象。

小面積地面塌陷主要以中心部位的垂直塌陷為主,其外圍移動變形區范圍一般較小,該區發育寬度一般<15 m,以地表松散巖土的拉裂變形為主,巖土垂直位移量較小(一般<5 cm)。地面拉裂縫多呈弧形、不均一發育,縫體延伸一般約1～8 m,縫寬一般<15 cm,可視深度一般<2 m,總體趨勢由內至外裂縫規模逐漸減小,變形減弱。

大面積地面塌陷時,其移動變形區范圍一般較大,地表出現有拉裂、傾斜、跌落等多項變形特征,其變形規模也遠大于小面積地面塌陷,拉裂縫以弧形、環形拉裂縫為主,外圍裂縫在發育長度、寬度及垂直位移量上明顯大于內區,根據區內發生的T12、T13、T15 3起規模較大的地面塌陷看,其變形移動區范圍約50～100 m,外圍拉裂縫一般連續性好,延伸長一般在50～300 m左右,縫寬一般在0.2～1.8 m,最大可視深度>5 m,基本形成了較為完整的環形裂縫,裂縫由外及內漸稀,規模漸小；移動區傾斜、跌落變形明顯,其變形程度呈外(移動區外側)大內(移動區內側)小特點,移動區外邊緣段的跌落坎高度一般在0.5～1.5 m,跌落坎發育角度一般>60°,塌陷傾斜角度一般在8°～20°,在接近中間區時其傾斜、跌落變形不明顯。

照片3 小面積塌陷中間區形態Photo 3 Form of small area collapse of middle area

3 地面塌陷形成原因分析

3.1 地面塌陷影響因素分析

3.1.1 巖土體工程地質條件

荊門市子陵石膏礦開采礦層主要為白堊系上統跑馬崗組革集亞組石膏山段含膏巖系,上部覆巖主要為古近系夾馬槽組及白堊系上統跑馬崗組粉砂巖、粉砂質泥巖及泥巖組成。古近系粉砂巖天然抗壓強度為11.2～13 MPa,白堊系泥巖抗壓強度為6.9～8.5 MPa,粉砂巖抗壓強度為10.1～12.2 MPa,含膏泥巖抗壓強度為11.8～14.6 MPa,力學強度低,均屬軟質巖類[7]。室內測試巖石軟化系數為0.292～0.475,巖石吸水極易軟化,在室內泥巖飽和試驗中,巖樣浸泡12 h后全部崩解,充分說明區域內含泥成分較高的巖石遇水軟化特性十分明顯,礦層直接頂板為粉砂巖泥質,遇水軟化后其巖石力學強度迅速降低,極易導致坑道頂板層面或裂隙切割部位形成崩落[8]。

照片4 大面積地面塌陷邊緣拉裂縫Photo 4 Edge crack of large area surface collapse

3.1.2 礦區構造

構造作用與地面塌陷關系:子陵礦區28處采空區地面塌陷,大致位于區域向斜構造核部的地面塌陷為13處,向斜核部的地面塌陷數量占總地面塌陷數的46.4%(如圖3)；曾廟石膏礦采空區右側發育一條正斷層,并造成了對曾廟礦區地層錯斷,曾廟石膏礦10處地面塌陷均發育在該正斷層附近；福橋石膏礦發育兩條小斷裂,兩條小斷裂上各發生1次地面塌陷,其中T28于2016年4月9日發生,對四干渠的輸水灌溉帶來了極大影響；從地面塌陷的規模上看,僅發育于構造核部的T5、T12、T13以及發育在曾廟石膏礦正斷層附近的T15四處地面塌陷面積約93 830 m2,占子陵石膏礦區總塌陷面積的61.2%[9]。

受荊門斷裂影響,礦區基本由一拖褶形成的平緩向斜構造組成,局部發育的次級斷裂級構造不僅對地層的完整性形成破壞,同時也易切穿隔水層,形成良好的導水通道,該時代地層中斷裂構造往往因形成年代較晚,構造帶巖石較破碎、膠結程度一般較差,常被視為不良工程地質建筑地段,不利于地層的整體穩定,為采空區變形提供了條件。

圖3 礦區構造作用與地面塌陷位置對應圖Fig.3 The corresponding map of the tectonic action of the mining area and the ground subsidence1.礦界；2.實測四干渠；3.正斷層；4.礦名；5.采空區；6.塌陷坑；7.向斜構造。

3.1.3 采空區空間結構及埋深條件

采空區埋深與地面塌陷的關系:子陵石膏礦區小于臨界覆巖深度(70 m)范圍的采空區約占總采空區面積的50%。據統計28處地面塌陷中,發生在采空區埋深<70 m的采空區塌陷18處,埋深>70 m的采空區塌陷10處,約占已發地面塌陷災害的64.3%。采空區空間尺寸大小與合理結構組成是決定采空區穩定性基本條件,當礦房尺寸過大或礦柱尺寸過小時,礦柱及頂板巖石承重壓力過大,容易形成對礦柱或頂板巖層的破壞。當采空區高度越大時,冒落帶、導水裂隙帶就越大,上覆巖層在縱向的變形范圍就越大,采空區越不穩定。當采空區頂板發生冒落、崩落等變形時,在上部覆巖中易形成“三帶”變形區,如采空區覆巖厚度小于臨界覆巖變形厚度時,采空區變形將波及到地表形成地面塌陷。

3.1.4 采空區充水條件

采空區充水與地面塌陷的關系:礦區于2009年12月全部關停,除北部金陵礦因其他原因井下排水工作一直持續到2012年12月,其余幾個礦區均停止井下排水工作。2012年12月前,金陵石膏礦未出現過地面塌陷的情況,停止井下排水工作后,于2014年金陵石膏礦出現了T21、T23兩次地面塌陷的情況；其余礦區隨著采空區充水時間加長,礦區充水面越來越大,地面塌陷數量呈現逐年增多的趨勢,子陵礦區28次地面塌陷中24次地面塌陷均是發生在采空區充水之后。

3.1.5 粗放型采礦活動

粗放型采礦與地面塌陷的關系:因為礦山關停多年,井下硐室環境復雜,采空區狀況僅限于對前人資料的收集及調查訪問所得,經從事過井下開采工作多年的礦工描述:曾廟、新橋以及福橋礦山發生的21起地面塌陷部位,其井下均存在有不規范開采現象,主要表現為礦柱預留過小、護頂膏層厚度過小、重復采動等。同時,新橋、福橋以及寶安石膏礦存在有明顯的越界超采現象,T5、T12、T13、T15、T28 5處規模較大的地面塌陷均發生在越界超采部位,初步分析礦山粗放型開采模式對后期地面塌陷的影響較大。

3.2 地面塌陷成因綜合分析

荊門市子陵石膏礦經多年開采形成的采空區面積大,空間結構較復雜,影響采空區穩定的因素較多,根據2008年以來發生在礦區內的28處地面塌陷的發育分布規律、變形特點,結合區域水文、工程地質環境條件及礦山工程特點進行綜合分析,子陵石膏礦發生采空區地面塌陷的主要原因為:采礦作業不規范、區域巖土工程地質條件差、礦區地下水浸泡、軟化作用及礦區構造作用等。

(1) 采礦作業是一個較為復雜的工程,科學合理的工程設計及采礦工藝規范化是礦山安全的重要保障,子陵石膏礦建礦較早,長期以來屬集體、私企性質,缺乏規范性開采程序及礦山安全保護意識,局部礦柱受到了超強回采與剝離,對礦房空間尺寸沒有嚴格控制,護頂膏層的厚度沒有按要求預留等,導致采空區空間結構不合理,地應力過度集中,對礦柱、頂板形成破壞,從而引發采空區變形。

(2) 礦區地層主要沉積為第三系—白堊系粉砂巖、泥質粉砂巖、粉砂質泥巖及泥巖,巖石沉積年代較新,泥質、粉砂質膠結程度不高,巖石力學強度較低,屬軟—半堅硬巖類,采空區形成后,覆巖壓力主要集中在預留礦柱及采空頂板巖層上,礦柱及采空圍巖在風化、疲勞性破壞作用下,巖石強度方面表現為明顯劣化性,巖石強度逐漸低于采空形成期時的靜力強度,當采空區出現應力失衡時,采空區發生變形破壞。

(3) 地下水在接受大氣降雨補給后,通過巖石裂隙、構造帶及巷道等多個渠道進入下伏采空區,礦區巖石力學強度低,泥質成分含量較高,地下水在運移過程中,不僅能軟化巖石結構面,降低巖體結構內力,同時在入滲到采空區后形成積水,對礦柱、圍巖進行長期浸泡、軟化,使巖石力學強度急劇下降,礦柱失效后采空區變形。

(4) 礦區基本位于區域向斜構造的核部,受構造營力作用,核部地段的巖石其完整性相對較差,力學強度較低,不利于地段巖石的穩定。礦區內局部發育的小型斷裂構造不僅對礦層連續性造成錯斷,巖石的完整性受到破壞,形成工程地質條件“薄弱”地段,同時也為礦區地下水運移創造了良好條件。統計發生在向斜軸部及斷裂構造區域內的塌陷點約25處,占全礦區已發地面塌陷總數的89.3%。

4 地面塌陷發展趨勢預測及防治對策建議

4.1 地面塌陷發展趨勢預測

采空區變形主要由復雜井下工程及地質環境的不斷惡化造成,其影響因素較多,各因素間相互作用復雜,以下主要根據采空區分布情況及塌陷分布、變形情況等,進行綜合性分析后對子陵石膏礦采空區進行地面塌陷變形趨勢預測。

子陵石膏礦區采空區面積1.16 km2,約占礦區總面積42%。據統計:2008年7月-2016年4月子陵石膏礦區發生采空區地面塌陷28處,累計塌陷面積約15.3×104m2,僅占礦山采空區面積12.7%。目前,地面塌陷面積遠小于礦區采空區面積,在今后很長一段時間內,子陵礦段仍有出現大規模塌陷的可能。

子陵礦區東北區域分布有金陵石膏礦和寶安石膏礦,其中金陵石膏礦采空區分布面積大,地面塌陷發生次數少、面積小。金陵石膏礦采空區面積占總采空區面積的34.3%,僅發生3次地面塌陷,塌陷面積也不足總塌陷面積7%,分析其主要原因是礦區關停后,金陵石膏礦持續抽水至2012年底,目前采空區尚未形成大量積水。但該區域采空區面積大,分布連續,隨著采空區積水增多,石膏礦柱遭到地下積水浸泡、軟化作用后,發生大面積地面塌陷的可能性較大。寶安石膏礦雖塌陷次數較少,但地面塌陷面積相對較大,以T13塌陷坑為典型代表,當采空區經歷了地面塌陷變形后,采空區空間得到了充填或擠壓,采空區空間變小,后期的變形將日趨緩和,塌陷區再次發生強烈的、大規模的地面塌陷可能性不大。但前期鉆孔資料可知,目前寶安石膏礦積水達到一定高度,并且積水量有進一步增加的趨勢,采空區石膏礦柱長期在水的作用下將逐漸失去支撐作用,從而會更快的引發采空區覆巖失穩變形。因此,可以預測寶安石膏礦出現大規模地面塌陷的可能性小于金陵石膏礦,但其目前的穩定性遠差于金陵石膏礦,短期內出現塌陷的可能性相對較大。

子陵礦區中部區域分布有新橋石膏礦和福橋石膏礦,采空區呈連續分布面積較大,并在該區域存在大面積的重復采動區域(開采2層石膏礦區域)。該區域采空區越界開采情況嚴重,T5、T12兩次大規模的地面塌陷均發生在礦區交界部位。子陵礦區中部地段石膏礦品位高、厚度大,后期開采預留礦柱(面積比和寬高比)較小；礦山關停后,由于該采空區地勢較低,易形成匯水區,采空區礦柱較其他區域更早被破壞；礦區的上覆巖層在子陵鋪向斜的構造作用影響下,巖層的完整性遭到破壞,更易發生采空區地表變形。該區域在T5、T12、T17塌陷區繼續出現塌陷可能性不大,主要以后期地表緩慢變形為主。但在其他區域,特別是兩個礦區越采區域和重復采動區域,出現大規模的塌陷的可能性較大。目前在兩礦區交界部位也發現了兩條正在發育地裂縫LF1、LF2,指示該區域目前已經處于不穩定狀態,隨時有出現塌陷的可能。

子陵礦區西部區域分布為曾廟石膏礦,曾廟石膏礦采空區面積相對較小,但其采空區埋深淺,采高大。該區域早期采礦粗放,井下采空區結構較差,采空區整體處于不穩定狀態。據統計,曾廟石膏礦發生地面塌陷次數較多,但總體上以小規模塌陷坑為主,僅在礦區北部出現的T15塌陷坑面積相對較大。根據前期鉆孔資料,目前曾廟石膏礦采空區充水水位達到一定高度,由于與其他礦區缺乏水力聯系,其水位普遍高于其他礦區。該區域采空區發生地面塌陷變形的可能性較大,但由于該區域采空區形成規模有限,預測該采空區域變形將以小面積地面塌陷為主。

礦山關停后井下抽水活動停止,采空區水位呈逐年上升趨勢,礦區軟質巖層遇水軟化特征明顯,采空區積水對礦柱、底板及圍巖的浸泡、軟化作用日漸增強,現狀表明地下水對礦柱的浸泡、軟化作用明顯,采空區充水將已經成為誘發采空區地面塌陷或變形的第一影響要素,采空區充水趨勢很大程度上將影響下伏采空區變形的走勢[10]。目前子陵石膏礦區采空區已發地面塌陷面積約12.7%,石膏礦采空區變形發展空間較大,礦山關停后采空區無人管理、硐室圍巖體結構破壞加劇、礦坑充水趨勢明顯等不利因素日漸突出,子陵石膏礦區采空區變形將呈明顯加劇趨勢。

4.2 防治對策建議

由于歷史原因,2009年荊門市子陵石膏礦區5家礦山企業關停后,礦區采空區主體責任缺失。采空區地面塌陷防治宜遵循以下途徑:

(1) 健全完善地面塌陷防治管理體系。建立政府主導、部門協同、分級負責、齊抓共管的地面塌陷防治工作管理體系,嚴格采空區工程建設項目地質災害危險性評估及地面塌陷風險評估制度,有效防范地面塌陷災害。

(2) 加大宣傳力度,提高全民防災意識。使人民群眾更多地了解塌陷所帶來的嚴重后果,進而增強地質環境保護意識,使之成為一支減災防災的生力軍。

(3) 重視采空區基礎地質研究,加強采空區地面塌陷的調查。查明區內地質構造、工程地質及水文地質條件,概化地面塌陷機制模型,為荊門市地面塌陷防治提供基礎依據。

(4) 強化采空區地面塌陷監測。建立采空區地面塌陷監測、預警和應急處置體系,系統地掌握塌陷區及不穩定區的動態規律。一是依托廣大群眾組建地面塌陷群測群防網絡,進行地面塌陷監測預警;二是在地面塌陷調查評價的基礎上,實施子陵石膏礦區地面塌陷監測預警示范工程,在取得明顯效果后,逐漸推廣并全面落實全市地面塌陷隱患的專業監測工作。

(5) 統籌規劃,合理安排。避免“頭痛醫頭,腳痛醫腳” 的短期行為,注意輕重緩急,尤其是治理方案中必須充分考慮與生態地質環境保護結合起來,對已進行試驗的措施須認真總結,效果好的應及時推廣。

(6) 因地制宜,科學治理。石膏礦開采造成的塌陷具有毀滅性和不可逆性,因此對采空區地面塌陷的治理應運用塌陷學、生態學、環境學等多學科理論為指導,因地制宜,進行綜合治理。采空區地面塌陷地開發利用和生態重建應本著因地制宜、 綜合利用、 注重實效的原則,宜農則農、 宜林則林、宜牧則牧、宜漁則漁、宜草則草、宜園則園、宜建則建的方式進行。在無法避讓或避讓代價高于工程治理代價的情況下,采用工程措施進行治理,防止地面塌陷的進一步發展。

(7) 構建地面塌陷防治技術支撐體系。應加強荊門市子陵石膏礦采空區地面塌陷防治技術研究,探索地面塌陷監測與防治技術,深化地面塌陷調查與監測技術應用,開展地面塌陷的成因機理和預測預報,加強地面塌陷災害的防治關鍵技術研究,提高地面塌陷預測與防治能力。

5 結論

(1) 荊門市石膏礦采空區地面塌陷的形成原因復雜,影響因素眾多,本次研究選取了幾個單要素與地面塌陷的對應關系上進行了統計分析。據綜合分析結果,采空區地面塌陷形成的影響因素主要有區域構造作用、巖土工程地質條件、井下粗放型開采、采空區空間結構及埋深和采空區充水條件等幾個方面。

(2) 子陵石膏礦區采空區已發地面塌陷面積占采空區面積約12.7%,采空區變形發展空間較大。礦山關停后采空區無人管理、硐室圍巖體結構破壞加劇、礦坑充水趨勢明顯等不利因素日漸突出,子陵石膏礦采空區變形將呈明顯加劇趨勢。

(3) 子陵石膏礦采空區分布范圍廣、治理難度大,如要徹底解決石膏礦采空區引起的地質環境問題并非一朝一夕之事,為保障礦區及其周邊百姓的生命財產安全,亟需構建地面塌陷監測網絡,完善采空區地面塌陷監測、預警和應急處置體系,系統地掌握塌陷區及不穩定區的動態規律；同時,也需充分調動社會各方面的積極性,建立多元化、多渠道的投資機制,鼓勵社會援助,努力爭取國家相關扶助資金開展礦區采空區地面塌陷的綜合防治工作。

[1] 陳江軍,劉波,余榮華,等.基于模糊綜合法的采空區穩定性評價——以荊門市子陵石膏礦采空區為例[J].資源環境與工程,2016,30(6):927-933.

[2] 任高峰,楊海燕,董洪芹,等.石膏礦采空區塌陷安全評價[J].遼寧工程技術大學學報(自然科學版),2013,32(9):1214-1221.

[3] 鄒洋,李夕兵,趙國彥,等.石膏礦采空區上覆巖層冒落規律與危險性評價[J].中國安全科學學報,2011,21(2):101-108.

[4] 盧開華,蘇宏,李聃,等.子陵鋪石膏礦段采空區穩定性分析及對策研究[J].資源環境與工程,2013,27(5):676-680.

[5] 王官寶.石膏礦冒頂引發沖擊地壓機理及防治措施研究[D].武漢:武漢理工大學,2006.

[6] 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.

[7] 周意超,陳從新,劉秀敏,等.荊門石膏礦巖遇水軟化力學特性試驗研究[J].巖土力學,2017(10):1-9.

[8] 黃平路,魯祖德,席人雙.荊門市東寶區石膏礦采空區安全論證總報告[R].武漢:中國科學院武漢巖土力學研究所,2010.

[9] 劉波,陳江軍.湖北省荊門市石膏礦采空區地面塌陷勘查與治理示范勘查報告[R].荊州:湖北省地質局水文地質工程地質大隊,2016.

[10] 肖超,鄭懷昌,王棟,等.石膏礦采空區穩定性研究進展[J].山東理工大學學報(自然科學版),2013,27(5):36-39.