談某礦區地面塌陷的成因及治理方案

溫 建 興

(福建省121地質大隊，福建 龍巖 364000)

1 概述

地面塌陷是指地表巖、土體在自然或人為因素作用下，向下陷落，并在地面形成塌陷坑(洞)的一種地質現象。地面塌陷可分為巖溶塌陷和非巖溶塌陷。當這種現象發生在有人類活動的地區時，可能對人類生命財產、環境造成破壞和損失。

巖溶塌陷主要產生在土層中，稱為“土層塌陷”，是指可溶巖地區，上覆的松散土層在外動力因素作用下向溶洞運移而導致的地面變形破壞，地面多呈圓錐形塌陷坑。巖溶塌陷一般規模較小，發展速度緩慢，不致給人類生活帶來突然的影響。

非巖溶塌陷由非巖溶洞穴產生的塌陷，龍巖市的非巖溶塌陷主要是由于地下采空區引起的采空塌陷。

2 工程概況

馬坑鐵礦地面塌陷位于新羅區曹溪街道馬坑村東雨方山上馬坑鐵礦72勘探線附近，塌陷坑在平面形態呈近圓形，地表直徑約10 m，面積約78.50 m2，深度約8 m，塌陷區影響范圍66 354.2 m2。地面塌陷表現為中心帶地面下沉，道路開裂、山體邊坡下滑，地表圍繞中心帶出現大量地裂縫。

3 地面塌陷成因分析

3.1 巖土層特征

①-2含碎石粉質粘土：為采空區冒落物，褐黑色為主，很濕～飽和，呈上部松散、中下部稍密狀態。該層鉆機鉆進過程中未見有漏水現象，但消耗水量較大，施工較困難，采芯率較低。

③-1強風化輝綠巖(β)：灰綠色，侵入巖，空間上呈透鏡體分布，散體狀，風化強烈，巖芯呈土狀、少量碎塊狀。

③-2中風化輝綠巖(β)：灰綠色，侵入巖，空間上呈透鏡體分布，塊狀結構，風化中等，裂隙較發育，巖芯呈3 cm～12 cm柱狀為主。

④中風化灰巖(P1q)：灰白色，細晶結構，中～厚層狀，為二疊系棲霞組灰巖，風化中等，結構局部破壞，裂隙較發育，巖芯呈碎塊狀、短柱狀。溶蝕現象較明顯，見較多充填溶洞。

④-1充填溶洞：褐黑色，充填物為含碎石粉質粘土，局部過渡為泥質碎礫石，很濕，可～硬塑狀態。

⑤強風化粉砂巖(C2j)：土黃、黃褐色，二疊系童子巖組粉砂巖，散體狀，風化強烈，巖芯呈土狀、少量碎塊狀。

⑥中風化石英砂巖(C2j)：灰白色，二疊系童子巖組石英砂巖，中～厚層狀，碎裂狀為主，風化中等，結構局部破壞，裂隙發育，巖芯呈碎塊狀為主。

鉆探中揭露的①-2采空區冒落物，呈上部較松散、中下部稍密狀態，鉆進中未見有掉鉆、漏水現象，但消耗水量較大，施工較困難，采芯率較低。

鉆探中揭露的④-1充填溶洞，充填物為含碎石粉質粘土，局部過渡為泥質碎礫石，很濕，可～硬塑狀態。鉆進中未見有掉鉆、漏水現象，施工較困難，采芯率較低。

3.2 地震效應評價

3.2.1地質構造

勘查區位于華南地槽褶皺帶華夏褶皺帶梅永坳陷中，龍巖山字型構造東翼，斷裂構造發育，區內有三條斷層(F1，F2，F3)通過。區域性構造均為侏羅系晚期地質活動形成，距今時間較長，已經穩定不再活動，不屬發震構造，場地內及附近無新近形成的活動斷裂。區內巖石主要為陸相和海陸交互相沉積而成。第四系松散土層直接覆蓋在基巖之上，厚度不等。勘查區受區域斷層擠壓的影響，巖體破碎，裂隙發育。

3.2.2場地地震烈度及場地穩定性評價

勘查區抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度值為0.05g，所屬設計地震分組為第二組。場地特征周期值為0.40 s。

場地地形起伏較大，根據鉆孔揭露及《福建省龍巖縣馬坑鐵礦中礦段詳細勘探地質報告》(福建省121地質大隊1976年出版)和調查資料，勘查區灰巖巖溶發育，同時存在一定數量的廢棄礦硐采空區。勘查區屬對建筑抗震不利地段。

3.3 地面塌陷成因分析

3.3.1地面塌陷成因分析

塌陷區位于溝谷地段，為地下水徑流區段，水動力活動相對頻繁。雖然塌陷坑的南側揭露有灰巖及溶洞，但溶洞均為充填溶洞，其充填物為可～硬塑的含碎石粉質粘土，充填完好、密實，不存在空溶洞，溶洞不是勘查區地面塌陷的成因。

勘查區馬坑鐵礦現有開采水平為+300 m水平以下，均為深部開采，開采爆破均為小型爆破，塌陷發生前后各采區均為安全生產，未出現異常現象。根據馬坑鐵礦提供的馬坑鐵礦各采區2019年11月21日～12月2日日排水量統計表，各開采水平礦坑地下水的日排放情況均為穩定，未出現異常情況，說明現有馬坑鐵礦各采區的開采不是地面塌陷形成的原因。

根據物探成果及鉆探資料分析，地面塌陷的產生與地下老硐采空區、地層巖性(包括松散覆蓋層)、地質構造、大氣降雨和人為工程活動改變水動力條件等有關。

1)地層巖性的影響。

塌陷區上覆地層以⑤強風化粉砂巖為主，工程地質性能及力學強度較差，巖體總體呈散體狀，巖芯呈土狀、碎塊狀，風化裂隙極發育，透水性中等，易于地下水的流通，下伏巖層為粉砂巖、石英砂巖及灰巖等，節理、裂隙很發育，巖芯以碎塊狀為主，并且灰巖溶洞較發育，其導水性較好，這些都有利于地下水的流通。從致塌條件分析，隨著土的顆粒變粗，其抗塌性降低，隨含砂礫量的增加，其抗塌性降低，均勻結構的粘土具有較好的抗塌性，巖體結構越破碎其滲透性和導水性越好其抗塌性越差。

2)地質構造的影響。

區域上塌陷區處于閩西南拗陷帶中，區內斷裂構造發育較發育，分別有F1，F2，F4三條斷層通過。受斷層影響，巖體較為破碎。這些斷層決定了本區基巖含水層具有很好的滲透性和導水性，為地下水活動提供了主要通道。

3)大氣降雨的影響。

勘查區地下水的補給主要為大氣降雨，降雨對松散覆蓋層的巖土體起到充水和軟化作用，產生地下的滲透潛蝕作用；同時降雨量的變化，會引起地下水位的變化，當地下水位變化較大時，也可能導致上覆巖土層支撐力變小，當地下存在空洞時，進而引起土體塌陷，這些均會加快地面塌陷的形成。根據馬坑鐵礦2019年降雨量統計表分析，塌陷區2019年3月～9月降雨量較多，10月～12月降雨量特別少，尤其是11月份幾乎沒有下雨，這必然會引起地下水位的激劇下降，在采空區內形成真空吸蝕，使采空區硐頂巖土體支撐力變小，甚至為零，導致硐頂巖土體失穩冒落，當上覆土層厚度較小，自穩能力降低，承受不住地表巖土體重量時，便拉動地表形成地面塌陷。

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4)地下水的影響。

勘查區地下水活動與采空區的冒落密切相關，地下水位的升降變化，使上部土體在地下水升降過程中反復脹縮，使土體間的結合力及抗剪強度降低，形成松軟土體，同時地下水的激劇下降也會引起采空區硐頂巖土體支撐力變小，甚至為零，導致硐頂巖土體失穩冒落。

5)人為因素。

勘查區的人為工程活動主要為人類采礦活動，由于采礦為硐采，在地下形成空洞，因前期采礦為不規則采礦，其技術條件落后，為淺層采礦，其形成的采空區均為淺層分布，由于上覆巖層風化嚴重，巖體工程地質性能差，人工前期采礦活動為本次地面塌陷形成的主導因素。

3.3.2地面塌陷成因

本次地面塌陷形成的主導因素為前期采礦形成采空區，其放頂方式為自然垮落,充填物為含碎石粉質粘土(原采空區頂部的強風化粉砂巖等)，很濕～飽和、呈上部較松散、中下部稍密狀態。采空區剩余空間較大，為地面塌陷提供基礎條件。

根據物探及鉆探結果，并結合礦區原有的勘查資料，綜合當地當時的天氣情況分析：地面塌陷形成的誘因為天氣干旱，導致塌陷區地下水水位激劇下降，使采空區硐頂巖土體支撐力變小，甚至為零，導致硐頂巖土體失穩冒落，同時由于上覆土層厚度較小，自穩能力降低，承受不住地表巖土體重量，便拉動地表形成地面塌陷。

4 地面塌陷穩定性分析

塌陷的地下采空區為廢棄老硐采空區，終采時間較長(10年以上)；地面塌陷地表變形特征為中心帶地面下沉，道路開裂、山體邊坡下滑，地表圍繞中心帶出現大量環形地裂縫；廢棄老硐采深約60.0 m，為淺層地下開采，采深采厚比約為20；廢棄老硐頂板巖性為強風化粉砂巖為軟弱覆；廢棄老硐松散層厚度約60 m。根據GB 51044—2014煤礦采空區巖土工程勘察規范(2017年版)第12.2.3條，判定塌陷區場地的穩定性為不穩定。活化影響因素主要為地下水的反復活動、人工采礦的爆破震動及地震。

5 發展變化趨勢及危害性預測

根據現場勘查結果及業主提供的2019年12月4日～12月26日塌陷區位移變形觀測數據，目前各位移觀察點仍處于變形階段，但總體位移不大，地面塌陷尚未穩定，為塌陷后期的欠穩定階段。地表塌陷如不及時治理，會進一步影響礦區公路的交通安全，同時雨季地表水將會大量潰入坑內，可能對下水平礦區的安全生產構成威脅。

6 治理方案

根據本次工程物探及鉆探揭示的巖土層空間分布情況，綜合地面塌陷發展趨勢及危害性預測，應對勘查區采取工程措施進行綜合治理。

6.1 塌陷區回填

1)回填過程中應按規范要求分層碾壓夯實。塌陷坑回填順序：先開挖至塌陷坑頂部，用大塊巖石、混凝土板等大塊硬物填入坑底，采用機械反復碾壓夯實，再回填碎石，最后回填黃土(不滲水的黏性土)至地表(黃土回填夯實后厚度不小于1 m)，并形成一定的坡度。在塌陷區中心位置盡量堆高并壓實，形成堆排冗余，預留一定的下沉量，即使今后地表繼續下沉，也不容易形成凹陷坑，以利于排水為原則，不讓雨水滲入地下。

2)回填土石方總量以將原塌陷區有效遮蓋并形成自然坡度為宜。經現場觀察，確定：回填體終了邊坡與東側原渣堆邊坡一致即可。回填結束后將在道路一側形成一個平臺。新填土坡需在半坡中間部位做一條5 m寬馬道，利用挖掘機通過該馬道降坡至坡比1∶1.75左右。

3)塌陷區西南側由于填方會形成一定高度的填土邊坡，建議施工時按填土邊坡的安全坡率(1∶1.75)放坡，必要時可分臺階放坡，每級坡高不大于10.00 m，其壓實系數控制在0.94～0.97間，同時坡面種植易生長的植被以防止水土流失。

4)定期對塌陷區進行巡視。

6.2 截排洪

1)在塌陷區東側合適地段沿自然坡度施工一條排水溝，將上游洪水引入原有水溝下游。

2)在回填區正上方施工截、排洪溝，將該匯水面積內的洪水截排至原有水溝或回填區域外側，避免直接對填土體造成沖刷。

3)在新形成的道路(位置與原路基位置大體一致)路面靠山一側修筑合理毛水溝，以利于將雨水引排至原有水溝。

4)在回填體坡面中間馬道靠山的一側修筑合理漿砌水溝，以利于排水。

5)將位于路邊原有水溝的原沉淀池、排水涵洞等“三合一”方案中的排洪系統修復。

6.3 擋土、攔渣

1)將位于路邊原有水溝的原“三合一”方案中的攔渣壩修復。

2)在原有水溝下游最窄地段，修筑2道石壩，上游為干砌透水壩，下游為漿砌石壩，以便于攔渣和沉淀。

3)在回填體坡腳沿原有水溝修筑一條擋土墻，以避免地表水對回填土體的坡腳沖刷。

6.4 綠化

根據生態恢復治理需要，對塌陷區進行綠化和生態恢復治理。

7 結語

馬坑鐵礦地面塌陷主導因素為前期采礦形成采空區，誘因為天氣干旱，導致塌陷區地下水水位激劇下降，使采空區硐頂巖土體支撐力變小，甚至為零，導致硐頂巖土體失穩冒落，同時由于上覆土層厚度較小，自穩能力降低，承受不住地表巖土體重量，便拉動地表形成地面塌陷。

根據馬坑鐵礦地面塌陷的成因，其治理方案主要為：

1)塌陷區按規范要求回填并定期進行巡視。

2)設置必要的截排洪溝。

3)設置必要的擋土壩、攔渣壩。