湖北鐘祥市斑竹地區巖溶塌陷形成機理及防治建議

毛洪亮，李云，趙婷婷， 劉林敬

（1.美麗華夏生態環境科技有限公司，北京 100176；2.湖北省地質局武漢水文地質工程地質大隊，湖北 武漢 430051；3.中國地質科學院水文地質環境地質研究所，河北 石家莊 050061）

0 引言

鐘祥市位于湖北省中部漢江中游，大洪山南麓鄂北山區向漢江平原的過渡地帶。鐘祥市礦產資源豐富，是湖北省乃至全中國典型的磷礦資源型大市，全市累計探明磷礦資源基礎儲量9.88 億t，總量占全國的5.6%，占全省的31.9%，是全國三大磷礦基地之一。經過50 多年的開采，鐘祥市磷礦資源逐漸枯竭。近年來，隨著開采深度延伸，疏排水量增加，礦區周邊的礦山地質環境問題日益突出（陳紅艷等，2012）。巖溶塌陷是斑竹礦區內主要礦山地質環境問題之一，其發展過程具有隱蔽性（雷明堂和蔣小珍，1998；文海濤等，2019），發生亦具有突發性，是眾多礦山地質環境問題中較為復雜且治理難度較大的一種地質環境問題（蒙彥和郭明堂，2019；周濟祚，1992）。

本文依托資源枯竭型城市礦山環境治理項目“鐘祥市礦山地質環境治理工程（斑竹巖溶塌陷區）”，對斑竹礦區巖溶塌陷形成機理、防治對策等進行探討，以期為鐘祥地區巖溶塌陷治理工作提供參考。

1 交通位置

斑竹巖溶塌陷區位于湖北省鐘祥市雙河鎮境內（圖1），南距樂鄉關6 km，東距漢江9 km，北距熊家灣磷礦6.5 km，207 國道、國防光纜、電信光纜縱貫塌陷區。周邊主要生產礦山有鐘祥市紅土山磷礦、鐘祥市熊家灣礦業有限責任公司和荊門市放馬山中磷礦業有限公司三家。

1.1 地形地貌

塌陷區處于一條近南北向的寬緩溝谷中，谷底高程70～90 m，谷坡15°～20°。谷內平緩、開闊，谷寬300～800 m。該溝谷上起丁家咀、孫家咀水庫，經石家灣、杜家灣、何家咀水庫，下抵長龍河，全長約8 km。其匯水面積較大，補給、排泄較為暢通，造成區內水循環交替強烈，為該區巖溶形成提供了有利的地形條件與水動力條件。

圖1 斑竹巖溶塌陷區交通位置圖

1.2 氣象水文

塌陷區屬亞熱大陸性氣候，雨量充沛，光照充足，無霜期長，四季分明，具有春季溫濕、夏季炎熱、秋季干涼、冬季寒冷的特點。年平均氣溫為15.9℃，最高氣溫39.7℃，最低氣溫-15.3℃。多年平均降水量942 mm，降水量主要集中在每年的4—10 月份，4—10 月份的降水量占全年75%～91%，年平均相對濕度77%。

塌陷區地表水系較為發育，北北西向延伸的古橋坪—朱堡埠季節性河流（長龍河）為當地地表水外排通道，兩側寬緩淺切割支溝呈樹枝狀展布，主河道中分布有何家咀水庫和古橋坪水庫，沿崗谷分布有大小塘堰18 處。此外，漳河水庫四干渠（北干渠）也沿西南地段跨越河谷而過。

1.3 地層巖性

塌陷區及周邊分布的地層主要有第四系、新近系、古近系—白堊系和震旦系，其中新近系和震旦系的巖性主要為可溶的碳酸鹽巖。

（1）第四系（Q）

塌陷區及其附近地表均分布為第四系上更新統沖洪積層（Q3al+pl）的巖性主要為黃色、褐紅色含鐵錳質結核粘土，厚0.3～12.4 m，其底部為分布灰白、灰黑色，河床相含泥砂卵（礫）石層，具分選性，磨圓度較好，一般為渾圓狀，次棱角狀，礫徑3～6 cm，大者可達15 cm，礫石以石英巖、硅質巖為主，見少量灰巖。

（2）新近系（N）

新近系主要分布于塌陷區南部，出露地層為輟刀石組（Nzd），巖性以乳白色泥灰巖為主，泥灰巖不顯層理，風化后呈蜂窩狀或結核狀，泥灰巖表面見溶蝕現象，溶蝕裂隙呈近東西向延伸。

（3）古近系-白堊系（E-K）

古近系—白堊系主要分布于塌陷區南部，地表偶有出露，巖性為紫紅色砂巖，薄-中厚層理，傾角10°～25°。

（4）震旦系（Z）

震旦系上統燈影組（Zbdn）主要分布于塌陷區深部及其北部外圍地帶，地表偶有出露，巖性為灰白色硅質條帶白云巖、白云巖，薄—中厚層狀，夾灰巖透鏡體，巖層產狀320°∠58°，厚度大于200 m，該區該層巖溶發育。

1.4 地質構造

斑竹地區地質構造較為發育，主要分布有北北西向深大壓扭性斷裂和伴生的張扭性斷構造。塌陷區位于北北西向構造體系中的胡集—石牌斷裂帶鄰近區段。胡集—石牌斷裂為一隱伏的區域性斷裂，走向北北西，傾向南西西，傾角較陡，以張扭性為主，具有導水性。該斷裂控制了該區的構造形跡及地層分布，其他次生斷裂均與之方向一致。

F1 斷層：為隱伏構造，沿北北西走向貫穿全區，推測其傾向南西西，傾角較陡，張扭性。斷層切穿了古近系-震旦系上統燈影組巖層，使古近系-白堊系的紫紅色砂巖與震旦紀上世燈影期的白云巖直接相接觸，北東盤上升，南西盤下降，生成時代晚于下第三紀—白堊紀。該斷層破碎帶為構造角礫巖，角礫成分為白云巖、紫紅色砂巖，膠結物主要為石英、方解石及少量泥質物。該斷層控制了塌陷區以及地下暗河、巖溶地貌的發展，斷層破碎帶內見有溶洞，為導水性構造。

F2 斷層：為隱伏構造，位于塌陷區以北外圍，推測其走向北北西，傾向南西西，傾角較陡，張扭性。該斷層切穿了第四系上更新統河床相含泥砂卵（礫）石層—震旦系上統燈影組的白云巖巖層，北東盤上升，南西盤下降，斷層破碎帶的巖性為構造角礫巖，角礫呈次棱角狀-圓狀，角礫成分為白云巖及含泥砂卵（礫）石，粒徑一般0.5～10 cm。

F3 斷層：為隱伏構造，位于塌陷區以北外圍，斷層位于震旦系上統燈影組中，推測其走向北北西，傾向南西西，傾角較陡，張扭性。斷層破碎帶的巖性為構造角礫巖，具有面狀和網紋狀硅化現象，角礫呈次棱角狀-圓狀，角礫成分為白云巖，粒徑一般0.5～10 cm，斷層破碎帶為導水性構造

2 巖溶塌陷發育特征

2.1 巖溶塌陷發育現狀

自1998 年4 月起，到目前為止整個塌陷區內先后出現了39 個塌陷坑，其中分布于新207 國道東側9 個、西側30 個。部分塌陷坑已連成一體，主要塌陷坑基本特征詳見表1。

表1 主要塌陷坑基本特征

圖2 斑竹巖溶塌陷分布圖

斑竹巖溶塌陷區以新207 國道為中心，沿北西30度呈長條狀斷續分布，整個塌陷區長3.2 km，寬1.0 km，面積約3.2 km2。塌陷坑分布最為密集的地帶為新207 國道沿線東側20～200 m 的區域（圖2）。

2.2 巖溶塌陷發育特征

根據塌陷坑的分布范圍、平面形態與地表水體、地形條件等因素綜合分析，礦區巖溶塌陷具以下特征：

（1）塌陷區受構造控制，沿構造走向延伸，并與沖溝走向一致。

（2）陷坑呈帶狀散布于長龍河的河谷內，發育于地表水體（水塘、溝渠）內及其周邊相鄰地段，85%的陷坑集中發育于古橋坪橋一帶。

（3）塌陷發生的時間大部分在4—10 月降雨量較集中的雨季。

（4）陷坑的形態在發生的初期多呈鐵鍋底狀，后期逐漸發展成為相互連接的葫蘆形、梅花形等不規則形態。

3 巖溶塌陷形成機理分析

3.1 巖溶塌陷形成條件

斑竹地面塌陷為典型的巖溶塌陷，其塌陷的發生、發展受諸多方面因素的影響（高宗軍等，2009），其中主要影響因素為地形地貌、土體的結構和厚度、塌陷的空間、地下水活動性、地質構造、人類工程活動等（李前銀，2009；余業雄和歐陽振華，2005；王建秀等，2001；杜正民等，2007）。

（1）地形地貌

地形地貌促進了巖溶塌陷的形成。塌陷區位于溝谷之中，其北西外圍為丘陵地帶，二者高差約為440 m，地下水的水力坡度大、水流充足、水的活動性強。在三面環山的特殊地形下，地表水向一面匯流，使塌陷區的地表土體流失變薄，也使地表水滲入地下變得較為容易。

（2）土體的結構和厚度

結構松散的土體是巖溶塌陷形成的基礎。塌陷區土體的層位為第四系上更新統沖洪積層，巖性上部為粘土、下部為含泥砂卵（礫）石，具二元結構。在地下水對土體的潛蝕作用，原本存在于溶隙、溶孔、溶洞中的細顆粒物質及其上覆土體物質逐漸被地下水大量攜帶外排形成地下空洞，溶隙、溶孔、溶洞的不斷被潛蝕淘空、加寬、加深擴大，破壞了上覆土體的應力平衡狀態，最終造成上覆土體失穩形成巖溶塌陷。

（3）塌陷的空間

巖溶的強烈發育增強了巖溶塌陷的形成。通過對塌陷區布置的總長6.3 km，縱橫向的9 條物探勘查線，采用高密度電法、瞬變電磁法和11 個鉆孔的驗證得知：塌陷區存在有大量的巖溶洞穴和7 條巖溶管道，分布于地面以下2～52 m。在5～20 m 的溶洞異常發育，洞高多在7～9 m，長度多超過1.5 km，為巖溶塌陷提供了塌陷的空間及地下水活動場所。

（4）地下水活動性

地下水的強烈活動加快了巖溶塌陷的形成。塌陷區位于溝谷之中，地表水快速補給地下水，增大了地下水的流量，并迅速在地下形成徑流和排泄，促進了地下水的活動性，為本區巖溶塌陷的發展提供了必備的水動力條件。

（5）地質構造

地質構造增進了巖溶塌陷的形成。塌陷區內構造發育，形跡復雜。其中，F1 斷層規模大，生成時代新，具有導水性，控制了塌陷區內的巖溶地貌、巖溶管道及塌陷坑的分布。在F1 斷層破碎帶內見有溶洞。構造使該區的巖層產狀變化較大，層間擠壓錯動強烈，巖石破碎，節理裂隙發育，使地下水富集及逕排通暢，促進了巖溶的發育，也為巖溶塌陷提供了地下水活動的途徑。

3.2 巖溶塌陷形成原因

斑竹地面塌陷屬典型的巖溶塌陷，其上覆土體厚度較薄，下伏基巖巖溶發育，存在有大量的巖溶管道，地下水的活動性強，周邊的人類工程活動頻繁，過量抽排地下水增強了地下水的活動性，促使了巖溶塌陷的形成。造成斑竹地區產生巖溶塌陷的原因可分為自然因素和人為因素兩個方面。

（1）自然因素

塌陷區處于溝谷地形，利于地表水匯流入滲、補給地下水，使塌陷區雨季地下水位處于驟升驟降的動蕩環境，水位振幅約30 m，為塌陷的發育提供了水動力條件；塌陷區上覆土體具有粘土、含泥砂卵（礫）石雙元結構，土體厚度較薄，一般為3～4 m，僅為該地區土體平均厚度的1/3，其承受自重壓力的能力差，易失穩產生塌陷，含泥砂卵（礫）石中的粗細顆粒粒徑相差懸殊，其細顆粒在地下水的作用下易流失形成空洞，利于土洞的形成；塌陷區下伏震旦系上統燈影組巖石的可溶性強，巖溶及構造非常發育，存在有大量的巖溶洞穴、管道，為塌陷的發生和發展提供了空間。

（2）人為因素

礦區抽排地下水，造成了區域性地下水位的下降和地下水流向的改變，使區內地下水活動性增強、水循環變快、水力梯度加大，增大了塌陷區地下水位的升降幅度及地下水的潛蝕作用。

礦山開采對巖溶塌陷的影響主要表為：

①地下水位的持續下降

1996 年胡集鎮工農業生產及生活飲用開采地下水的總量為63.065×104m3/a，不及地下水允許開采量352.32 ×104m3/a 的18%，未造成區域性地下水位的下降和巖溶塌陷。1997 年，礦山開采進入了大規模采礦時代，上述3 家礦山企業在礦業活動中，僅熊家灣礦業有限責任公司一家的排水量就達1599.21×104m3/a，為胡集鎮地下水允許開采量的4.54 倍，造成地下水位不斷下降，形成了以礦區為中心的地下水降落漏斗，1998 年出現了斑竹巖溶塌陷，其后塌陷變形逐年發展。2006 年熊家灣礦業有限責任公司抽排地下水的最低深度達高程-163.80 m，根據經驗公式R=2S（S取230m，H取200m，K取2m/d）可求得其影響半徑達9.2 km，可見礦山開采活動是造成區域性地下水位下降的主要原因。斑竹巖溶塌陷區位于胡集磷礦區西南6.5～8.5 km地帶，塌陷區2007 年的枯水期地下水位較1996 年枯水期地下水位普遍下降10 m 以上。

②地下水的活動性加劇

礦山開采活動的過量抽排地下水，導致了區域性地下水位的逐年下降，增大了水力坡度，加大了地下水的動蕩空間，加劇了地下水的活動性，增大了地下水的潛蝕作用，為塌陷的發育提供了動力條件。使巖溶溶隙、溶孔、溶洞被不斷潛蝕掏空、加寬、擴大，上覆土體內的土洞也隨之擴大，最終超過穹頂極限，破壞土體內原有的應力平衡后發生塌陷。

3.3 巖溶塌陷形成機理

在自然和人為因素的綜合作用下，斑竹塌陷區原本存在于溶隙、溶孔、溶洞中的細顆粒物質及其上覆土體物質逐漸被地下水大量攜帶外排形成地下空洞，溶隙、溶孔、溶洞的不斷被潛蝕淘空、加寬、加深擴大，破壞了上覆土體的應力平衡狀態，最終造成上覆土體失穩形成巖溶塌陷。在古橋坪橋一帶溝谷寬緩的匯水地帶，地表水的入滲活動強烈，地下水的水位變幅較大，水活動能力較強，水搬運能力得到提升，其巖溶塌陷的發生、發展速度較快，陷坑密集。地表水還通過陷坑直接進入地下，并使密集的小陷坑逐漸擴展連為一體，最終形成了大陷坑。此外，由于礦坑抽排水造成地下水位下降形成的負壓作用，加劇了巖溶塌陷的形成。

4 巖溶塌陷防治對策

通過斑竹地區的巖溶塌陷形成機理分析可知：地下水動力條件的改變是巖溶塌陷形成的誘發因素，如果簡單地將已形成的塌陷坑進行填平，不僅達不到根本治理的目的，還有可能給后續的生產生活埋下安全隱患。加強地表水疏排工作是該地區巖溶塌陷防止工作的基礎。根據斑竹塌陷區的水文地質條件、工程地質條件以及該區域人類工程活動特點，結合對斑竹塌陷區形成機理的分析并綜合考慮系統平衡（陳奇和武強，2008），建議采取防治結合、防治并重的措施進行處理，具體防治工程措施如下。

（1）地表水疏排圍改工程

由于塌陷區位于寬緩溝谷中，地表匯水面積較大，建議在斑竹塌陷區的外圍適當布設截水溝，通過實施地表水疏排圍改工程將地表水引入附近河道當中，有效減少地表水快速補給地下水，降低地下水的流量和活動性，從根本上減少地表水入滲對巖溶塌陷的影響。

（2）地下帷幕注漿截水工程

由于塌陷區周邊礦業活動仍將繼續，礦坑抽排水活動仍將繼續長期維持下去，在后期進行詳細的地質勘查工作后再地下巖溶集中空區外圍密實區實施帷幕注漿截水工程，有效降低甚至消除礦坑抽排水對巖溶塌陷的影響。

建議針對古橋平橋、207 國道及沿線國防光纜、電信光纜及居民房屋區域的塌陷坑，在進行詳細勘察的基礎上，選擇合理的注漿材料、注漿深度和注漿壓力，進行注漿加固處理。

（3）鉆孔充氣防塌工程

針對查明塌陷區內相對封閉的溶洞，建議對封閉溶洞進行鉆孔通氣填充，能有效防止真空吸蝕和高壓充爆，在一定程度上減少巖溶塌陷的發生（陳國亮，1994）。

（4）反濾級配材料回填工程

對于斑竹塌陷區207 國道西側耕地范圍內的小塌陷坑，鑒于其塌陷規模小且為恢復原有耕地性質，建議首先清除塌陷坑中散落的松土及雜物，然后填入較大的塊石和較小的碎石做成反濾層，最后上部覆蓋黏土并分層碾壓夯實可達到很好的治理目的。

（5）跨越工程

通過前期資料搜集與區域地質調查工作，已查明長龍河河道流經區域下覆地層為灰巖和泥質粉砂巖交錯地帶。對于長龍河河道內的塌陷坑引發河道斷流問題，由于塌陷規模較大且局部連續，為保障下游溝道內農田灌溉飲水問題，建議在針對原河床面較窄、地面塌陷較輕河段采用現澆混凝土將河道底板硬化的措施進行治理，對于地面塌陷嚴重河段通過將河道改道至下伏泥質粉砂巖區結合河道底板硬化的措施進行治理。為解決河底沖刷、侵蝕問題及節約成本，可對整段河道實施分段底板現澆不同的混凝土厚度。

5 結論

本文以鐘祥市斑竹巖溶塌陷為例，從塌陷區的地質環境背景條件入手，詳細分析了斑竹地區巖溶塌陷發育特征和形成機理，結合巖溶塌陷發育現狀，得出如下主要結論。

（1）斑竹巖溶塌陷區主要分布在長龍河的河谷內，且其中85%的塌陷坑集中發育于古橋平橋一帶。

（2）造成斑竹地區產生巖溶塌陷的形成原因主要受自然因素和人為因素兩個方面共同影響，其中人為因素中的礦業活動為主要致災因素。

（3）斑竹地面塌陷為典型的巖溶塌陷，其塌陷的發生、發展受地形地貌、土體的結構和厚度、塌陷的空間、地下水活動性、地質構造、人類工程活動等綜合條件影響。

（4）地下水動力條件的改變是斑竹地區巖溶塌陷形成的誘發因素，簡單針對已形成的塌陷坑進行填平，不能達不到根本治理的目的。通過巖溶塌陷區地表水疏排圍改工程、地下帷幕注漿截水工程、鉆孔充氣防塌工程、反濾級配材料回填工程和局部跨越工程的綜合實施必將起到很好的治理效果。