邵東市城區(qū)地面塌陷發(fā)育特征及成災(zāi)機理研究

劉賢紅LIU Xian-hong；寧進錫NING Jin-xi；劉顯麗LIU Xian-li

（湖南省地球物理地球化學(xué)勘查院，長沙 410012）

0 引言

邵東市石膏礦產(chǎn)資源豐富，開發(fā)歷史悠久，隨著礦產(chǎn)資源開發(fā)利用規(guī)模加大，人類工程活動增強，對地質(zhì)環(huán)境造成了一定的破壞，不可避免地誘發(fā)了地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害。

邵東市城區(qū)是地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害最嚴(yán)重的地區(qū)之一[1]，地面塌陷現(xiàn)已造成3 人死亡，造成了人民生命財產(chǎn)的巨大損失，嚴(yán)重威脅了生態(tài)環(huán)境和社會穩(wěn)定，強烈制約了邵東市城區(qū)社會經(jīng)濟的發(fā)展。但本區(qū)并未形成系統(tǒng)全面的地面塌陷成因分析，影響地面塌陷形成因素尚不明確，地面塌陷問題難以得到有效控制。因此，正確認(rèn)識本區(qū)地面塌陷的發(fā)育特征，分析其成災(zāi)機理[2]，積極開展本區(qū)地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)防，采取有效、可行的防治措施，對保障人民的生命財產(chǎn)安全，保護生態(tài)環(huán)境，規(guī)劃建設(shè)重大基礎(chǔ)設(shè)施具有重要意義[3]。

1 地質(zhì)背景

邵東市城區(qū)位于邵東市的西北部，屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和，四季分明，多年年平均氣溫16.8℃。區(qū)內(nèi)雨量充沛，多年年平均降雨量為1294.2mm，降水集中在春、夏兩季，且3～6 月降水集中，易于誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，7～9 月仍有短期災(zāi)害性暴雨發(fā)生。城區(qū)主要為剝蝕構(gòu)造地貌和溶蝕構(gòu)造地貌，出露地層有石炭系、二疊系、三疊系和第三系（圖1），巖性主要為白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r、硅質(zhì)巖、長石石英砂巖等，其中二疊系下統(tǒng)龍?zhí)督M上段含煤（含煤4～6 層），第三系含石膏礦（中部為深褐色泥灰質(zhì)粉砂巖及石膏巖）。區(qū)內(nèi)無巖漿巖出露。區(qū)內(nèi)北東向構(gòu)造較為發(fā)育。

圖1 邵東市城區(qū)地質(zhì)圖和地面塌陷分布圖

2 地質(zhì)災(zāi)害特征

2.1 地質(zhì)災(zāi)害類型

邵東市城區(qū)內(nèi)共發(fā)育地面塌陷5 處，均與石膏礦開采有關(guān)，為冒頂型塌陷。

2.2 地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特征

區(qū)內(nèi)地面塌陷規(guī)模有1 處大型，1 處中型，3 處小型。可見，礦產(chǎn)開采常引發(fā)規(guī)模較大的地質(zhì)災(zāi)害。

區(qū)內(nèi)采空塌陷分布范圍較廣，面積較大，主要集中分布在石膏礦礦界周邊。地形較為平坦的低丘寬谷地區(qū)，因石膏礦層的埋深一般較小，方便開采，集中發(fā)育地面采空塌陷。地面塌陷的主要形式是形成塌陷坑（表1），塌坑的形狀一般呈圓形、不規(guī)則形狀，面積一般在0.05～0.60km2之間，塌坑深2～20m，如宋家塘街道塌坑呈圓形，深度3～15m，面積約為0.15km2。

表1 邵東市城區(qū)地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特征表

2.3 地質(zhì)災(zāi)害危害特征

石膏礦開采引起的5 處地面塌陷中有3 處危害等級達到了特大型級別，2 處達中型級別。5 處地面塌陷共計造成3 人死亡，直接經(jīng)濟損失達8140 萬元。

3 邵東縣城及周邊地面塌陷

邵東縣城及周邊地面塌陷位于城區(qū)西部，屬宋家塘街道新輝、賽田、軟塘居委會，由原邵東縣礦和湖塘礦及其它小礦合并而成，周邊建筑、房屋密集，人口眾多，約15980人。該地面塌陷為邵東縣礦及其周邊小礦不規(guī)范開采石膏礦引發(fā)的中型冒頂型采空塌陷，塌陷區(qū)屬山間平原地形，覆蓋層為厚度3～9m 的紅粘土、次生紅粘土；下伏巖層為下第三系（E），三疊系下統(tǒng)大冶組（T1d），二疊系上統(tǒng)長興組（P2ch），龍?zhí)督M（P2l）等。下第三系（E）為含礦層位，自上而下分為泥鈣質(zhì)粉砂巖與粉砂泥灰?guī)r互層、石膏、粉砂巖、底礫巖。石膏礦開采方式為房柱式、巷道式。主采第三系石膏，已采深度為31.2～72m，采空區(qū)變形面積150000m2，塌陷坑3 個，并列分布，口徑在3.6～60m之間，部分塌陷坑仍在（圖2）。

圖2 邵東縣城及周邊地面塌陷陷坑

存在的具體問題有：開采淺，大多數(shù)在30～40m；采礦坑道斷面大，寬8～12m，最大17m，采高8～10m，最高15～24m；可作采空區(qū)頂板保護層的青膏層較薄或被采穿（0～4m）；礦區(qū)預(yù)留的礦柱過小（2～5m），而采空比大（40%～60%）。本礦區(qū)的不規(guī)范開采活動與地下水的長期侵蝕，使得礦柱軟化、垮塌，從而導(dǎo)致地面塌陷。該采空塌陷造成毀房18 間，毀田400 畝，毀路1000m，直接經(jīng)濟3080 萬元。

4 地面塌陷成因分析

根據(jù)調(diào)查區(qū)地質(zhì)災(zāi)害點的時空分布規(guī)律，分析其與地質(zhì)環(huán)境條件之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害的形成主要受以下因素的影響：

4.1 地面塌陷與巖土工程類型

覆蓋層的厚度及巖性是影響地面塌陷形成的重要因素[4]。采空區(qū)頂板圍巖主要為灰綠色至灰色青膏礦體，偶見棕褐色泥質(zhì)紅膏，上覆巖石主要為泥鈣質(zhì)粉砂巖。圍巖呈薄層狀產(chǎn)出，其抗壓強度及抗剪強度較低，層間牢固性欠佳，吸水極易膨脹。硬石膏為塑性巖石，具有對穩(wěn)定不利的不良特性，易風(fēng)化、膨脹、崩解、溶解等。且礦區(qū)上覆的風(fēng)化帶自然厚度較厚，不利于頂板穩(wěn)定，其中覆蓋層及圍巖強風(fēng)化帶厚度為12.0～38.5m，弱風(fēng)化帶厚度為21.0～53.5m[1]。

4.2 地面塌陷與水

①地下水與地面塌陷的形成有密切關(guān)系。在長期浸泡過程中，地下水可以降低巖體的力學(xué)強度，使巖石加速風(fēng)化，另一方面使得巖土體充分飽和，加大巖土體容重，減少有效應(yīng)力，因此地下水是地面塌陷形成的重要影響因素。地下水在水壓作用下沿裂隙侵蝕、帶走裂隙中松散物，加速惡化巖體的性質(zhì)，造成采空區(qū)失穩(wěn)，從而誘發(fā)地面變形、塌陷等災(zāi)害。

②地表水回灌。地面塌陷后可使采礦坑道與地表發(fā)生直接的水力聯(lián)系，如在光華、二水礦部周圍引發(fā)農(nóng)田冒泡現(xiàn)象。地表水灌入采礦坑道中極易導(dǎo)致巖體的力學(xué)強度降低，發(fā)生崩解、溶解、膨脹等現(xiàn)象，從而影響采空區(qū)頂板巖體的穩(wěn)定。

4.3 地面塌陷與人類工程活動

礦山的不規(guī)范開采是造成地面塌陷的主導(dǎo)因素。未開采礦體前，整個巖體的應(yīng)力場處于一種相對平衡的穩(wěn)定狀態(tài)，外力破壞巖體時，巖體的應(yīng)力場平衡被會被打破從而重新分配，開采礦體就是在打破原始的應(yīng)力場平衡。邵東市城區(qū)各石膏礦采空區(qū)，因無序開采，導(dǎo)致巖體的顯著變形和破壞，主要問題有：①礦區(qū)頂板保護層太薄或被采穿：本區(qū)采空區(qū)頂板圍巖主要為青膏礦體、紅膏礦體和泥鈣質(zhì)粉砂巖，其巖石單軸抗壓強度為青膏礦體＞紅膏礦體＞粉砂巖。但本區(qū)未根據(jù)太式自然平衡拱法預(yù)留頂板厚度，使頂板青膏層預(yù)留厚度不足，不足以支撐坑道保持穩(wěn)定。各礦山開采時，見礦開礦，致使頂板保護層太薄甚至采穿，頂板巖體失去支撐。②預(yù)留礦柱太小：礦柱是支撐頂板以上巖土體重量的支柱，必須保留足夠的礦柱，方能保持平衡而不導(dǎo)致垮塌，采空區(qū)內(nèi)礦柱布置不合理，尺寸偏小，形狀不規(guī)則，在長期的荷載作用下，因超過其允許強度而被壓破、壓斷。如邵東礦的礦柱壓裂，圓木壓斷；城東—兩市鎮(zhèn)礦的7 個紅磚柱發(fā)生壓斷；大水田礦、檀山和泡塘大部分礦柱細(xì)小，呈星點狀展布，相互獨立，均將導(dǎo)致地面沉降和塌陷。③礦區(qū)超寬超高開采現(xiàn)象嚴(yán)重[5]：采空區(qū)的高度與頂板的厚度直接影響采空的穩(wěn)定性，當(dāng)采寬越大時，頂板的厚度和預(yù)留的礦柱體積就應(yīng)該越大，才能保持采空區(qū)的穩(wěn)定，但邵東市城區(qū)的采空區(qū)多為超高超寬開采，極易導(dǎo)致頂板巖體塌落，誘發(fā)地面塌陷，如邵東礦173 水平采空斷面約300～350m2，寬約15～28m，高約15～17m，長約50m；湖塘礦的最大采寬達17.0m，高12m；聯(lián)合礦的最大采寬達16m 等。

4.4 地面塌陷與地表動靜荷載

本區(qū)地表荷載共有動、靜荷載兩種，在兩市鎮(zhèn)礦衡寶路段、湖塘礦、邵東縣礦、邵東礦等礦區(qū)均有較大的地表荷載影響，主要為大量的地表建（構(gòu)）筑物，公路上行駛的汽車，車間的機械振動等，使得采空區(qū)頂板上部的下沉重力增大。因此，地表的靜荷載和變化頻繁的動荷載是影響采空區(qū)穩(wěn)定的又一因素。

5 成災(zāi)機理研究

5.1 采空區(qū)變形及地面塌陷形成機制

邵東市城區(qū)石膏礦在未經(jīng)采動時，是處于一種自然應(yīng)力平衡狀態(tài)，但當(dāng)石膏礦的局部礦體被采出后，在巖體的內(nèi)部就會形成一定的自由空間，使周圍原始的應(yīng)力平衡狀態(tài)遭受破壞，從而使得應(yīng)力重新分布，巖層發(fā)生移動變形及破壞[6]。石膏礦層被開采后，采空區(qū)的頂板圍巖失去了下部礦層的支撐，在自重力和上覆巖層的壓力作用下，產(chǎn)生向下的移動、彎曲以及橫向的拉應(yīng)力，尤其是本礦層頂板為青膏、紅膏等塑性巖石，上覆巖石主要為泥質(zhì)粉砂巖等軟質(zhì)巖石，當(dāng)其內(nèi)部的拉應(yīng)力超過巖層的抗拉強度時，造成頂板巖層開始斷裂、破碎、相繼冒落，上覆巖層則以梁或懸臂梁彎曲的形式沿層理面法線方向移動、彎曲變形，進而產(chǎn)生斷裂、離層[7]。邵東市城區(qū)石膏礦開采主要為地下開采，但其預(yù)留的頂板薄（不足30m），礦柱小且形狀不規(guī)則，礦柱間開采寬度過大，極易導(dǎo)致礦柱變形，進而引發(fā)頂板的變形與塌落。又由于礦區(qū)內(nèi)地下水的長期浸泡及地表水的回灌，使得礦柱遇水軟化溶蝕破壞，破三帶（冒落帶、裂隙帶和彎曲帶）快速變形，以致垮塌形成采空塌陷。

5.2 地面塌陷防治對策

邵東城區(qū)這5 處采空區(qū)相應(yīng)的礦山均已關(guān)閉，現(xiàn)在的防治對策也就只能是對現(xiàn)有采空區(qū)和地表塌坑的治理和高危地段的避讓。因此，對于城區(qū)內(nèi)高價值地段空采區(qū)（邵東縣礦和湖塘礦、兩市鎮(zhèn)礦、邵東石膏礦之應(yīng)山村至曹家壩一帶），建議先行搬遷，再充填治理，治理后再繼續(xù)利用，地表塌坑進行回填治理。對于城市郊區(qū)采空區(qū)地段，即賽田村（C3）、勝利礦-檀山礦-聯(lián)合礦（C1）、泡塘礦-宏遠(yuǎn)礦-團結(jié)礦（C2）、梅嶺礦-二水礦、邵東石膏礦東部、大水田礦等地段，建議搬遷避讓，原則上禁止人口聚集的工程建設(shè)和房屋建設(shè)，如確為工程建設(shè)必經(jīng)之地，工程建設(shè)前必須進行充填治理；對于郊區(qū)的地表塌坑可以改造成人工湖養(yǎng)魚并豎立警示牌。此外，建議封閉有人區(qū)廢棄的斜井，封閉后不但可以避免地表水進入采空區(qū)，也可避免人員誤入造成的人員傷亡事故。

6 結(jié)語

本文通過對邵東市城區(qū)地面塌陷發(fā)育特征的調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)采礦區(qū)頂板圍巖主要為青膏、紅膏等塑性巖石，上覆較厚的風(fēng)化層等巖土體結(jié)構(gòu)類型，地下水的侵蝕及地表水的回灌等是引發(fā)本區(qū)地面塌陷的基礎(chǔ)；人類不規(guī)范的采礦活動是引發(fā)本區(qū)地面塌陷的主要原因。本文立足于對這些決定性因素的分析探討，研究了本區(qū)地面塌陷的形成機理，提出了地面塌陷防治對策，加強了對地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害的正確認(rèn)識，對有效防治地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害和保障人民生命財產(chǎn)具有重大意義。