銅陵某銅礦區地表塌陷成因分析

張亞嬌

(上海勘察設計研究院(集團)有限公司，上海 200093)

0 引言

隨著我國社會經濟的快速發展和對礦產資源需求的不斷增長，金屬礦山開采引起的地表塌陷、沉降、滑坡地質災害和由此帶來的環境問題對人民的生命財產安全構成了嚴重威脅[1,2]。

本文以銅陵某銅礦區為例，結合該礦區內地層、工程地質與水文地質條件，及本次工程勘探成果，分析了地表塌陷成因。

1 工程概況

2015年2月，銅陵某銅礦區散戶區發生了地面坍塌險情，塌陷坑直徑約8 m，因塌陷損毀的居民房2間，塌陷面積約80 m2，塌陷坑深度約20 m，受直接影響住戶65戶、人數136人，無人員傷亡。同時，塌陷坑及周邊部分居民房屋產生坍塌或裂縫，居住功能喪失，附近道路還出現多處地表裂縫和下沉。

2 地質環境條件

2.1 地形地貌

塌陷區位于巖溶高丘亞區。高丘走向北東向，地面坡度20°～50°，標高200 m～250 m，相對高差100 m～150 m。塌陷區微地貌單元有中丘、殘丘、土崗、沖溝谷地，地勢北側和西北側低，南側高。塌陷坑位于南側中丘山腳下，地形坡度10°～20°，標高32 m～40 m。

2.2 地層巖性

2.3 水文地質條件

塌陷區地下水主要是第四系孔隙潛水和基巖裂隙地下水，地下水由大氣降水入滲補給。含水層特征及富水性如下：

1)第四系孔隙含水巖組：分布于地勢低洼地帶，主要由第四系殘坡積物組成，巖性為粉質黏土、粉質黏土夾碎石，碎石成分為風化石英閃長巖、大理巖。單位涌水量為0.019 L/(s·m)～0.016 5 L/(s·m)，滲透系數3.93×10-6m/s，富水程度微弱。

2)碳酸鹽巖夾碎屑巖類溶裂隙含水巖組：為三疊系和龍山組(T1h)，巖性為鈣質頁巖夾灰巖及灰巖夾鈣質頁巖或互層，蝕變后角礫巖夾大理巖、矽卡巖夾角礫巖或互層。單位涌水量2.45 L/(s·m)，滲透系數1.46×10-5m/s，礦化度0.154 L/g，富水程度弱～中等。

3)巖漿巖類裂隙水含水組：地表地下均有分布，地表及其淺層風化強烈，巖石呈砂狀～土狀，含弱的風化裂隙水，中深部巖石新鮮完整，裂隙不發育。單位涌水量 0.11 L/(s·m)，滲透系數1.50×10-6m/s，富水程度弱，為相對隔水體。

2.4 采礦情況

區內采銅歷史悠久，目前勘查區東側和西側均有銅礦生產區。其中，東側礦區開采歷史較長，早期存在無序開采和采空區未完全處理等問題，導致該銅礦的采礦范圍內(覆蓋本項目的塌陷坑所在區域)-50 m以淺形成大量采空區，這些采空區曾經引發過多次塌陷事故。西側礦區開采時間相對較短，采礦方法主要采用大直徑深孔采礦階段空場嗣后充填采礦法，盤區沿礦體走向布置，盤區內分礦房礦柱兩步回采。采場垂直礦體走向布置，一步驟回采礦房，礦房空區采用尾砂膠結充填；二步驟回采礦柱，礦柱空場采用廢石或全尾砂充填。

3 地表塌陷及變形

3.1 塌陷坑

大塌陷坑直徑約8 m，深度約20 m，塌陷面積約80 m2。起初塌陷坑呈圓柱形，次日塌陷坑周邊土體崩塌，滑落向坑內。本次實測塌陷坑外圍直徑東西向約20.0 m，南北向約20.0 m；內側直徑東西向約9.0 m，南北向約6.0 m，呈不規則漏斗狀深坑。坑深從北側地表計算約3.0 m～5.0 m，坑深從南側地表計算約8.0 m～10.0 m，平均深度約4.5 m。估算塌陷總方量約1 430 m3(見圖1)。

3.2 周邊地道路和房屋變形

在大塌陷坑外側道路開裂，形成2條裂縫，裂縫最大寬度約5 cm，兩裂縫長度約9 m，間距約1 m，高差約0.4 m。根據66個路面沉降監測點的垂直位移量監測值，下沉最大點位移值為-3.00 mm，監測點平均垂直位移量為-0.67 mm，平均變化速率-0.003 mm/d。

塌陷坑附近散戶房屋除塌陷損毀外，還有部分房屋因開裂無法居住。根據對房屋裂縫歷時半年的變形監測數據，13個建(構)筑物7個監測點無變化，6個監測點變形最大值為0.3 mm，最大變化速率為0.001 7 mm/d，平均變化速率為0.000 4 mm/d(見圖2)。

4 工程勘探成果

4.1 物探成果

針對勘查區地球物理探測工作，選用了瞬變電磁法、視電阻率電法、充電法和跨孔電磁波CT成像。其中，瞬變電磁法和視電阻率測試探摸出平面異常區域，跨孔電磁波CT確定地下空洞位置，井中電磁波CT用以確定空洞的展布方向。

瞬變電磁剖面及平面成果推測出的3個主要低阻異常區，主要為基巖破碎和裂隙發展的反映。根據大塌陷坑底部物探充電法工作，測線一測點電位梯度值為0，解釋該測點與充電點(塌陷中心)為同一等位體，判定為同一空洞異常。后期經鉆探驗證，確定勘查區大塌陷坑下部存在空洞。同時結合電磁波CT和鉆孔信息，推測塌陷坑下空洞位置埋深約40.0 m，在向西延伸時與水平方向呈一定角度走形。

4.2 鉆探成果

本次結合地面裂縫、塌陷坑分布在物探反應異常區共布設了14個鉆孔進行驗證。根據鉆探成果，塌陷區范圍內除表層填土和粉質黏土外，以閃長巖和矽卡巖為主，勘探深度內巖石風化程度強，鉆探取芯呈砂、土狀，極破碎，巖石質量差。勘察區地層分布如表1所示。

在鉆探過程中，部分鉆孔出現了埋鉆及漏水嚴重等現象，同時在該鉆孔內經井下攝像證實有空洞存在，對應鉆孔深度35.2 m～35.8 m，空洞下至40.0 m區間已被碎石、砂礫夾黏性土填充。塌陷坑區地段以矽卡巖為主，間夾閃長巖，上部基巖(約25.0 m～35.0 m)全強風化，下部基巖中～強風化(見圖3)。

4.3 工程勘探成果分析

綜上，勘查區塌陷坑下部存在空洞，根據塌陷的規模推斷空洞范圍較大，空洞走向推測為近東西向，由于基巖破碎、裂隙發育，空洞處于欠穩定狀態，在重力作用下失穩、垮塌，在地表形成塌陷坑及地表裂縫。

5 塌陷成因分析

表1 勘查區地層分布表

1)塌陷坑分布范圍內上覆第四紀覆蓋層較薄，厚度約5 m～15 m，大塌陷坑塌陷規模較大、深度深，現場勘查發現埋深-10 m～0 m標高范圍內有空洞(最大深度40 m)，可排除土洞塌陷所致。同時勘查期間大塌陷坑區域巖溶不發育，大塌陷坑區段鉆探過程中其揭露的和龍山組灰巖受到變質作用已矽卡巖化，巖芯未見到溶蝕的溶孔、溶隙和溶洞跡象，亦排除巖溶引起塌陷的可能。

2)結合本區銅礦開采歷史，遺留空洞可能性大。同時結合本次物探及鉆孔成果，綜合分析認為，塌陷坑是采空空洞頂板破壞引起的地面塌陷。

3)本塌陷坑下方空洞上部基本由強風化矽卡巖和全風化閃長巖組成，巖體破碎、風化嚴重；下部主要是中風化矽卡巖，故塌陷坑采空基本上位于強風化和中風化矽卡巖(礦化體)中。塌陷區第四系覆蓋層土層厚度薄，結構松散，利于大氣降水入滲及入滲過程中產生對土體顆粒的潛蝕、掏蝕、搬運作用。在地表塌陷形成過程中，地表水、地下水為裂縫的擴展、進而演化為塌陷坑提供了必要的水動力條件[3,4]。同時，考慮到本場地破碎的裂隙巖體，周邊礦區的爆破累計效應也予以考慮。

4)礦山地下開采形成的采空空洞是本次塌陷坑形成的主要因素，而地表水和地下水作用、周邊礦區爆破可能加速了其地面變形的發展。

6 結論與建議

6.1 結論

1)通過現場工程物探和鉆探證實，塌陷坑下方存在較大規模且深度深的空洞，由于基巖破碎、裂隙發育，空洞處于欠穩定狀態，極易發生失穩和垮塌。

2)塌陷坑及道路和房屋變形主要由礦山地下開采形成的采空空洞，在地表水、地下水下滲和爆破振動作用，頂板巖土體“劣化—垮落”而形成漸進式破壞模式引起的。其中采空空洞的存在是內因，地表水、地下水下滲和爆破等外因加速了其地面變形的發展。

6.2 建議

1)建議對塌陷坑附近以及潛在可能產生地表塌陷區未搬遷的住戶盡快搬遷、安置。

2)開展本區地質災害危險性評估工作，對塌陷區災情發展做進一步論證，并制定綜合整治方案。

3)建議對勘查區塌陷坑及潛在可能產生地表塌陷的區域開展長期的變形監測和預警工作，做好防災減災應急預案。