漣源市七星街鎮洪源社區—茹草村地面塌陷特征分析

謝繼明，李常輝

(湖南省煤田地質局第六勘探隊，湖南 湘潭 411100)

工作區位于漣源市七星街鎮境內，涵蓋洪源社區、煙竹村、石珠嶺村、茹草村，總面積7.20 km2，區內有煤礦2家，年產原煤9.0萬噸。區內屬低山～丘陵地形，碳酸鹽巖分布廣，巖溶發育。因采煤活動及強降雨影響，造成地下水水位大幅波動，使上覆巖土體失去浮托力，進而產生地面塌陷、房屋開裂變形。筆者在進行《漣源市七星街鎮煙竹村8組、三角村2組、欄馬村老屋組地面變形地質災害補充調查》工作時，通過收集區域地質資料、水工環地質調查，結合物探、鉆探及土工試驗，對工作區內的地面塌陷地質災害的地質環境條件進行了調查評價，對地面塌陷成因和形成機理進行了分析，并提出相應的防治建議。

1 地質環境條件

1.1 氣象水文

工作區屬亞熱帶氣候，溫暖濕潤，雨量充沛，夏熱冬寒，四季分明，年平均氣溫17 ℃，年平均降雨量為1 450.97 mm,集中降雨時間為4～6月，易誘發地質災害。區內溪流主要有歸水河、臘馬溪，歸水河屬湘江水系漣水河支流湄江分支，流向為自北向南，常年有水，其流量一般在461.42 m3/s；臘馬溪為常年性溪流。另區內分布有眾多的山間小溪流和小型水庫及山塘，較大的水庫有文革水庫與石珠水庫[1]。

1.2 地形地貌

工作區總體地勢為北高南低，向河谷逐步降低；屬低山～丘陵地形，最高點位于北部大眾排474.3 m，最低點位于西南部石溪橋142.2 m，區內主要地貌類型為侵蝕堆積地貌類型和溶蝕構造地貌丘陵溝谷。

1.3 地層巖性

區內地層有：第四系(Q)、三疊系下統大冶組(T1d)、二疊系上統長興組(P2c)、二疊系上統龍潭組(P2l)、二疊系下統茅口組(P1m)。以碳酸鹽沉積為主，主要的沉積建造類型為淺海相灰巖建造。二疊系下統茅口組(P1m)巖性為淺灰色厚-巨厚層狀石灰巖，質純，巖溶發育，溶蝕現象強烈，為區內地面塌陷發育主要地層。

1.4 地質構造

工作區位于橋頭河向斜西北翼東北部，總體為單斜構造，地質構造條件簡單。

1.5 巖土體工程地質、水文地質特征

區內巖土體工程地質、水文地質特征見表1、表2。

表1 工程地質類型及特征一覽表

表2 地下水類型及富水性分級一覽表

2 區內地面塌陷現狀及特征

2.1 地面塌陷現狀

地面塌陷為區內地面變形地質災害主要類型。根據2017年地面變形補充調查項目的調查結果，區內共有地面塌陷48處，其中巖溶地面塌陷44處、采空地面塌陷4處，規模以小型為主，地面塌陷已損壞房屋100間，直接經濟損失113.3萬元，威脅人口500余人[1]。

2.2 分布特征

調查區內已發生的地面塌陷坑主要分布于巖溶強烈的覆蓋型碳酸鹽巖地區、采煤活動強烈地區、地下水主要徑流區和排泄區。區內二疊系茅口組厚層狀塊狀灰巖質純，相對溶解速度較大，塌陷多分布在灰巖與煤系地層接界處。調查資料表明，區內塌陷坑多分布于地形低洼或地下水排泄區附近，其地貌類型為溶蝕構造地貌丘陵溝谷，少量塌陷坑位于山坡。

2.3 發育特征

區內地面塌陷共48處，其中巖溶地面塌陷44處、采空地面塌陷4處。規模：中型5處、小型43處；長列式19處、群集式29處；8處穩定、16處較穩定、24處不穩定。剖面形態呈碟狀、錐狀，深度為1.0～8.0 m。平面形態呈近圓形、橢圓形、長方形、不規則型，直徑1.0～15.0 m不等，詳見表3。

表3 地面塌陷坑特征統計表

續表3

編號發生時間地層平面形態剖面形態長軸/m短軸/m深度/m規模TX0072015.12P1m橢圓形錐狀3.102.403.50小型TX0082008.3P1m圓形錐狀5.00/3.00小型TX0092015.4P1m圓形錐狀2.00/5.00小型TX0182013.1P1m圓形錐狀4.00/8.00小型TX0192013.1P1m長方形碟狀8.004.006.00小型TX0202013.1P1m圓形錐狀3.00/5.00小型TX0212013.1P1m圓形錐狀3.00/5.00小型TX0222012.4P1m圓形錐狀1.00/1.00小型TX0232015.6P1m橢圓形錐狀6.005.004.00小型TX0242015.5P1m不規則碟狀10.00/3.00中型TX0252015.6P1m近圓形錐狀2.50/1.00小型TX0262015.6P1m圓形錐狀0.50/2.00小型TX0272014.5P1m橢圓形錐狀3.502.002.00小型TX0282016.5P1m橢圓形錐狀8.007.003.00小型TX0292014.5P1m不規則碟狀7.004.003.00小型TX0302016.3P1m橢圓形錐狀5.003.002.00小型TX0312016.3P1m不規則錐狀2.001.002.00小型TX0322015.6P1m圓形碟狀5.001.003.00小型TX0332014.3P1m圓形碟狀4.00/3.00小型TX0342016.6P1m圓形碟狀5.00/4.00小型TX0352012.5P1m圓形碟狀2.50/1.00小型TX0362015.6P1m圓形碟狀4.00/6.00小型TX0372006.6P1m圓形碟狀1.50/1.00小型TX0102015.6P1m圓形錐狀15.00/8.00中型TX0111990.1P1m圓形錐狀4.00/6.00小型TX0122015.1P1m圓形錐狀1.00/2.50小型TX0132015.1P1m圓形錐狀2.80/4.00小型TX0142015.1P1m長方形碟狀6.202.608.00小型TX0152015.1P1m圓形錐狀3.50/3.00小型TX0161990.1P2l圓形錐狀3.50/3.00小型TX0472017.3P1m圓形錐狀10.00/5.00中型TX0482017.6P1m橢圓形錐狀2.001.506.00小型TX0422016.3P1m近圓形碟狀5.00/2.00小型TX0432016.3P1m不規則碟狀4.00/1.50小型TX0442008.6P1m近圓形碟狀2.50/1.50小型TX0452008.6P1m近圓形碟狀5.50/2.50小型TX0462010.6P1m不規則碟狀6.00/3.00小型TX0382014.12P2l不規則碟狀7.00/1.50小型TX0392014.6P2l近圓形碟狀10.00/6.00中型TX0402014.6P2l近圓形碟狀10.00/4.00中型TX0412014.6P1m近圓形碟狀4.00/1.50小型TX0172006.1T1d近圓形錐狀2.50/4.00小型

2.4 物質特征

根據鉆孔ZK2揭露，土層中局部發育土洞，一般大小為0.1～0.4 m。因地下水位上升，遇土層中粗顆粒、黏性差、膠結差的土體易造成其崩解，從而形成土洞。巖溶塌陷區上部為松散土體，下部為堅硬的二疊系茅口組P1m灰巖，為覆蓋型巖溶區。巖溶發育強烈，溶洞呈串珠狀，無充填，多為開口溶洞。

3 地面塌陷發生原因分析

3.1 礦山疏干排水產生的塌陷

區內煤炭資源豐富，有2家煤礦企業，含礦層位為二疊系上統龍潭組地層，探明資源儲量279.5萬噸，區內強烈的采煤活動是巖溶地區產生地面塌陷的主要因素。區內巖溶地面塌陷主要是由于礦山疏排地下水，使地下水位大幅度降低形成較大規模的地下水降落漏斗，使漏斗區內巖溶洞穴口上覆的巖土體失去地下水的浮托力致使地面產生塌陷。

3.2 礦山停產使地下水位恢復引發的塌陷

地下水位長期大幅度下降后，礦山停產使地下水位大幅度上升，造成巖溶洞穴口上覆蓋的土體被地下水浸潤飽和，土體自重增加，地下水再次產生潛蝕作用、散解作用及正壓氣爆作用，因而產生塌陷[2]。如青山煤礦2015年停產，地下水位逐漸大幅上升，使原來形成的降落漏斗基本得到恢復，水位恢復后產生了較多的地面塌陷。

3.3 暴雨引發的塌陷

區內雨量豐富，年平均降雨量為1 450.97 mm,集中降雨時間為4～6月。區內地面塌陷多數發生于降雨3～6月，降雨使原本松散不飽和的土體達到飽和狀態，增加土體自重，并滲透補給巖溶水，加速土洞或溶洞充填物的潛蝕、搬運，造成細顆粒成分的流失使土洞或溶洞不斷擴大，致塌力大于抗塌力從而產生地面塌陷。

4 地面塌陷形成機理分析

4.1 地層條件分析

據ZK01、ZK02鉆孔等資料，塌陷區上部為第四系沖洪積物與殘坡積物組成的松散土體，下部為二疊系下統茅口組灰巖，為覆蓋型巖溶區。

上部松散土體：單層結構，力學性質差異較大。黏性土以可塑狀為主，表部一般軟～可塑，天然含水量ω為22%～37%,孔隙比e為0.6～1.1，液性指數Il為0.26～0.45，塑性指數Ip為9.3～22.2，壓縮系數α1-2為0.23～0.40 MPa-1,內摩擦角φ為15.8°～22.6°，承載力特征值為100～200 kPa[1]。ZK01孔土層厚7.75 m，ZK02土層厚6.41 m。

第四系沖洪積層含礫黏土、碎石土土層孔隙發育，含孔隙潛水，該含水層透水性好，含水量低，力學強度高，抗塌力就大，相對難以產生塌陷。土體厚度較薄，塌陷從孕育到產生所需的時間就短，容易產生塌陷；相反，土體厚度大，土洞發展至地面的過程長，塌陷從孕育到產生所需的時間就長，相對不容易產生塌陷。所在沖洪積層區域的粉質黏土在壓力作用下受地下水浸漫后，結構迅速破壞，土體下沉，發生土體濕陷現象。根據區內塌陷區土體的性質及特征，地面塌陷現象與土體的濕陷形成土洞有著一定的關聯。

下部灰巖(P1m)：巖溶發育強烈，ZK01孔揭露基巖29.27 m，孔深12.5、17.92和25.1 m 3處出現溶孔及溶蝕裂隙；ZK02孔揭露基巖28.8 m，孔深6.5～6.9 m為土洞，孔深11.2～11.6 m、24.46～24.6 m為溶洞；ZK21孔揭露基巖34.9 m，孔深13.4～17.4 m為溶洞；ZK22孔揭露基巖26.3 m，孔深10.5～14.0 m、17.4～19.7 m為溶洞。鉆孔見溶洞均為開口溶洞，洞高0.14～4.0 m，一般溶洞高2.0 m，一般為無充填物溶洞，溶洞具多層性，上下溶洞連通性較好。下伏可溶性碳酸巖基巖構成了本區巖溶地面塌陷的先決物質條件。

4.2 水動力條件分析

區內基巖二疊系下統茅口組灰巖巖溶發育，地下水豐富，礦山強烈的疏干排水使巖溶水位降低造成巖溶洞穴產生負壓，增加第四系土體的水頭壓力，加速土體的滲透變形。土體的滲透變形破壞以土體中水位急劇下降時最強烈，地下水位穩定時變形速率變慢或趨于穩定，土體中水位回升恢復到原水位時，變形又加快，頻繁變化可以加快土洞的形成[3]。

地面塌陷區具有雙層含水結構。上、下兩層地下水存在水力聯系，如果存在能讓砂土層產生擾動變形(或土洞)的水頭差，且水頭差的頻繁變化將加快對土體的潛蝕、散解作用形成土洞。工程地質鉆孔ZK01、ZK02均已揭露孔隙水含水層與巖溶水含水層，上部孔隙水水位埋深1.9～5.0 m，下部巖溶水水位埋深6.4～11.8 m，兩者存在水頭差1.4～9.9 m。由于裂隙、溶蝕裂隙、開口溶洞等的連通，巖溶水常年接受上部孔隙水的滲透補給。

地下水主要補給來源于大氣降水，雙層地下水的水位波動均受大氣降水和地表溪流補給影響，致使上、下兩層水的水頭差不斷變化。

4.3 地面塌陷機理分析

對現場調查結果進行分析，表明區內地面塌陷為強烈的人類工程活動(加載、礦山疏干排水)、暴雨等因素綜合作用的結果。區內地面塌陷的形成過程可分為以下3個階段：

(1)采煤活動疏干排水過程中，地下水水位急劇下降，地下水對地表覆蓋層的浮托力減小，水力坡度增大，水流速度加快，水的潛蝕、搬運作用加強。溶洞充填物在水的潛蝕、搬運作用下被帶走，土體松散層底部崩落、流失從而形成地下隱伏洞體[2]。

(2)隱伏洞體在地下水持續的動水壓力及覆蓋層的自重作用下，洞體崩落、遷移，洞體不斷擴大，造成致塌力大于抗塌力，引起地面塌陷[2]。

(3)地下水不斷潛蝕、搬運崩落體，洞體不斷擴大向地表延伸，當地表土體的自重壓力逐步接近洞體的極限抗剪強度時，地表沉降加劇，在張性壓力的作用下，地面產生開裂與塌陷；當地表土體的自重壓力超過洞體的極限抗剪強度時，地面產生塌陷，塌陷坑坑口周圍伴生有地表拉張裂隙。

區內地面塌陷以巖溶地面塌陷為主，采空地面塌陷次之。區內二疊系下統茅口組灰巖是產生巖溶地面塌陷的內在條件，地下水動力作用是地面塌陷發生的主要因素。降雨和礦山疏干排水時，改變了地下水動力條件，降雨時地表水通過土體補給巖溶水，在地勢較低的溝谷處巖溶水自然排泄補給地表水，礦山停產水位恢復上升和恢復生產強烈疏干排水造成地下水位急劇下降，對土層擾動帶走土體細顆粒形成土洞及溶洞充填物被帶走形成開口溶洞。在地下水侵蝕作用及土體自重作用下，造成地面塌陷。

5 地面塌陷防治建議

區內地面塌陷是礦山疏干排水、地層巖性、地質構造等因素綜合作用的結果，礦山疏干排水是區內地面塌陷的誘發因素。地面塌陷防治措施需從多方面進行。

(1)合理規劃區內居民建房，減少因居民建房加載造成的地面塌陷。

(2)加強群測群防，建立塌陷監測網，特別是汛期暴雨期間，對重點地段、居民聚集區進行巡查，發現地面裂縫及時填埋壓實。

(3)查明區內工程地質條件，特別是與塌陷有關的隱伏土洞及淺部溶洞，結合區內井泉、礦山水文地質條件、地下水動態變化情況及水文氣象資料，對地面塌陷趨勢進行預測和預報。

(4)對已發生的塌陷，造成房屋損壞嚴重，形成危房的進行房屋拆除，人員進行搬遷避讓；房屋損壞較輕的進行工程加固，并進行貼條或埋設標尺進行簡易觀測；對發生在農田中的進行回填夯實，并設置警示牌，恢復土地利用，避免塌陷坑周邊地面的牽連性變形破壞。

(5)對溪溝中發生的塌陷進行溪溝局部改道與溝底進行防滲治理。

(6)對區內產能落后的煤礦進行關停處理，減小地下水抽排量，使地下水動力條件恢復到良性循環狀態。

(7)對已查明的隱伏土洞或淺部溶洞尚未發生塌陷的位置，可通過鉆孔灌漿填實洞體，封蓋下部巖溶管道開口以防止塌陷的發生。

(8)對區內塌陷嚴重區域做適量的監測工作與工程勘查工作，確保居民生命財產安全。

6 結論

通過地面變形補充調查，確定了區內地面塌陷的原因，主要是礦山疏排地下水對區內地下水動力條件改變和可溶性巖層發育，造成區內地面塌陷發育。本文綜合分析研究區內地質災害的地質條件、災害特征、成因和形成機理，采用因地制宜、工程治理、預防相結合的原則，提出相應的防治建議，為工作區的防災減災工作提供參考。