淺析水文地質條件與巖溶塌陷地質災害的互相影響關系

［關鍵詞］水文地質；巖溶塌陷；潘家老屋

1. 引言

安徽省懷寧縣月山鎮潘家老屋地區位于懷寧縣月山鎮東北部，距安慶市區約20 km。區內人口稠密，由于礦山的疏干排水引起地下水位下降，改變了地下水的水力條件。自20世紀80年代末起，陸續產生巖溶塌陷，特別在20 世紀90 年代初，巖溶塌陷頻發，至今累計發生150 余起，巖溶塌陷引起房屋受損，破壞農田，同時毀壞部分公路、河道，造成的直接經濟損失巨大。近十年來，隨著安慶銅礦防治水工程的實施，巖溶塌陷偶有發生，2019年11月7日、12月12日在潘家老屋的東部發生兩起巖溶塌陷，因塌陷坑距房屋較近，引起了當地百姓擔憂，當地人民政府及相關部門對此高度重視[1]。

為保障當地人民人身財產安全。要求在充分分析前期工作的基礎上，通過進一步詳細勘查，查明巖溶塌陷的地質環境條件，重點調查2008年至今巖溶地面塌陷的發生情況及其規律，地下徑流場的變化特征，分析論證巖溶塌陷的發展趨勢。通過多期地下水的動態監測。查明地下水的徑流及其動態變化特征劃分巖溶塌陷危險區，提出防治對策，為下一步巖溶塌陷防治工程設計提供依據。

2. 巖溶塌陷的發育現狀

研究區內引起巖溶塌陷地質災害直接原因即安慶銅礦井下開采礦石，其為主副井和斜坡道聯合開拓的現代化礦山。1981年7月至1986年9月相繼進行副井、西風井及坑下-400 m 中段精密探礦，1987 年之后進行-280 m、-340 m中段及主井的采準施工，1991年開始試生產，礦山設計年采選能力115.5×104t。目前，安慶銅礦-400 m以上的礦體基本采完，現開采中段已下降到-580 m中段。下一步將進行設計開采-580 m以下中段及東馬鞍山段、馬頭山礦體段。安慶銅礦現在正進行深部探采開拓，開拓深度已達-720 m。同時對西側馬頭山銅礦體進行開拓，開拓深度約-500 m。隨著安慶銅礦開拓及生產，礦坑排水引起地下水位下降，礦坑周邊形成降落漏斗，由于地下水水力條件發生改變，引發了巖溶塌陷，1987～2020年6月研究區內共發生巖溶塌陷141處。

區內巖溶塌陷的平面形態主要為圓形或橢圓形，塌陷坑直徑在1～8 m之間，且以2～5 m為主，即以小型塌陷坑為主，次為中型，無大型以上塌陷坑，塌陷坑平面面積以3～50 m²為主。剖面形態主要有豎井狀、壇狀、漏斗狀及碟狀，塌陷坑深度在1～8 m之間，規模較大的塌陷坑主要分布在潘家老屋地帶（圖1）。潘家老屋塌陷區塌陷坑地面直徑0.5～4 m，以小于1.5 m為主，塌陷坑規模相對較大的主要分布在馬鞍河流床附近，塌陷坑深度以小于1.5 m為主。

3. 研究區水文地質條件

研究區位于月山河谷水文地質單元。北部為月形山、東西馬鞍山的丘陵地區，分布富水性弱-極弱的碎屑巖和巖漿巖裂隙含水巖組和富水性中等-強碳酸鹽巖裂隙巖溶含水巖組。南部為月山河谷，上部為富水性弱至中等的第四系松散巖類孔隙水[2]。

3.1地下水類型及含水巖組

（1）松散巖類孔隙水

水量極弱孔隙含水巖組：分布于山前坡洪積扇，含水巖性為第四系上更新統坡洪積的粉質黏土、黏土及含礫石粉質黏土，一般厚2～12.9 m，透水性極弱，地下水位埋深在2～8 m之間，地下水富水性極弱，單位涌水量＜0.03 L/s.m。因巖性主要為黏性土，一般視為透水性極弱的不含水層。

水量弱至中等的孔隙含水巖組：分布于月山河及馬鞍山河等支流河漫灘，含水巖性為第四系全新統沖洪積的礫卵石層，厚度3～8 m，局部可至15 m。巖性橫向變化大，富水性因地而異。月山河河漫灘巖性上部一般為粉質黏土或粉土、下部為砂礫層。富水性弱至中等，鉆孔單位涌水量q=0.2 L/s·m，滲透系數K=3.215 m/d，地下水化學類型為HCO₃^-·Ca型水，水溫18 ℃，礦化度M=0.195～0.334 g/L。

（2）碳酸鹽巖類裂隙巖溶水

三疊系中統月山組中段角礫狀大理巖含水巖組：該組由三疊系中統月山組中段角礫狀大理巖組成，厚52 m。巖性特點是原生晶洞發育，由于晶洞彼此之間往往連通，為地下水活動提供了良好的空間，該組巖溶發育較均勻，成層性特征明顯。巖溶形態以小溶孔、溶蝕裂隙為主，局部有溶洞，溶洞大小一般≤2 m，最大達20 m，洞隙率5%～20%，鉆孔溶洞能見率10%。巖溶一般發育在-100 m 以上，最深至-340 m 左右。鉆孔單位涌水量q=0.154～1.226 L/s·m，滲透系數K=0.214～1.204 m/d，富水性中等-強。

三疊系下統南陵湖組灰巖、大理巖含水巖組：該組由三疊系下統南陵湖組灰巖、大理巖組成，厚度＞420 m。巖溶發育，巖溶形態有溶洞、溶孔、溶蝕裂隙。巖溶分布不均勻，分布特點是：剖面上，淺部較深部發育，馬山口以南的外圍巖溶發育深度一般在-100 m以上，呈水平帶狀分布，鉆孔溶洞能見率54%，溶洞大小不等，最大37 m，一般0.5～5 m。淺部巖溶均有泥砂或黏性土充填，深部一般為空洞。在安慶銅礦巖溶隨深度增加而減弱，礦區內部深部可達-340 m。

（3）基巖裂隙水

碎屑巖類裂隙水：廣泛分布于研究區的北部。含水地層為三疊系中統的銅頭尖組，巖性為粉砂巖、細砂巖、粉砂質頁巖，總厚1735 m。該層裂隙發育，但多為擠壓閉合型，有效含水介質不發育。富水性弱至極弱，鉆孔單位涌水量q=0.0292～0.043 L/s·m，滲透系數K=0.0281～0.0419 m/d，礦化度＜0.5 g/L，地下水化學類型為HCO₃^-·Ca型水或HCO₃^-Mg型水。

巖漿巖類裂隙水：由燕山期月山巖體的閃長巖和總鋪巖體的閃長巖、閃長玢巖組成。閃長巖裂隙一般不發育，風化帶裂隙較發育。富水性弱至極弱，鉆孔單位涌水量q=0.001～0.0672 L/s·m，滲透系數K=0.0003～0.0405 m/d，地下水化學類型主要為HCO₃^-Ca·Na 型水，水溫17℃ ～18.5 ℃，礦化度M=0.29～0.475 d/L。安慶銅礦各中段均揭露該層[3-4]。

（4）構造帶含水特征

礦體與大理巖接觸帶：在大理巖一側，即外接觸帶，巖溶發育，地層破碎，含水豐富。例如安慶銅礦東部巷道開拓后，一般干燥無水，但超前探礦孔往往在大理巖與礦體接觸帶附近發生涌水。

3.2地下水補給、徑流、排泄

（1）地下水補給：天然狀態下地下水補給：主要是大氣降水補給，其次為地表水補給。在天然狀態下，降水入滲，垂向補給丘陵地區的裂隙巖溶水含水巖組、基巖裂隙水含水巖組與第四系覆蓋區的孔隙水含水巖組。后者間接補給下伏的裂隙巖溶水含水巖組和基巖裂隙水含水巖組。

（2）地下水徑流：天然狀態下地下水徑流：與地表水一致，分別由研究區的北部流向南部的月山河，地下水徑流緩慢。礦山排水狀態下地下水徑流：局部改變為流向礦坑，地下水的徑流速度加大。

（3）地下水排泄：目前研究區地下水的排泄與區內地下水的徑流場變化特征一致，包括礦坑排水和自然排泄，分水嶺以南地下水排泄于月山河谷，分水嶺以北地下水排泄于安慶銅礦礦坑。安慶銅礦礦坑排水與開采情況關系密切。1987～1992年，本礦基建期，礦坑面積和深度不斷擴大，排水量也由8000 m³/d增至約12000 m³/d，1992～1996年排水量有一個相對穩定期，約為12000～13000 m³/d，與當年相對穩定的開采期有關。1996～1999年排水量曲線波動較大，與突水事故、降雨周期性波動、人工治水以及坑道突水點增大有關，2004年至今，礦山涌水量有穩中減少趨勢。

3.3地下水水動力條件

（1）安慶銅礦疏干排水引起地下水動力條件的變化

據前期勘查成果，安慶銅礦疏干排水已形成了以礦坑為中心的降落漏斗，并向其東南方向、正南方向和西南方向擴展的相對穩定的降落漏斗，在研究區的北側外圍已形成了相對穩定的地下水分水嶺。在位于覆蓋巖溶區的降落漏斗之中產生了大量的巖溶塌陷，塌陷范圍隨降落漏斗的擴展呈同步向外推移。塌陷發生數量與礦坑排水特征緊密相關。

（2）降水、地表水因素對研究區地下水動力條件變化的影響

由于區內降水的不均，區內含水層水位動態變化，特別是在強降水或持續降水時，蓋層中地下水位迅速上升，入滲水流產生滲壓，使蓋層產生潛蝕破壞，研究區內的馬鞍河水位動態變化大，洪水期時，河水常淹沒兩岸農田，枯水期時河床大都裸露，河水水位的反復波動，引起近河岸地下水位同步變化，增強了地下水的滲透潛蝕作用及巖溶空腔的負壓吸蝕作用，引起近河岸地帶的蓋層中形成土洞，導致塌陷，從巖溶塌陷發生的時間上分析大都發生在3～7月豐水期，另在枯水期也有發生，塌陷發生時間與河水水位強烈變化緊密相關。

4. 地下水流場變化與巖溶塌陷關系

4.1礦山抽排水與巖溶塌陷關系

研究區巖溶塌陷與安慶銅礦礦山排水活動關系密切，巖溶塌陷主要發生在礦山開采的初期，特別與礦坑大的突水事件相關，采取地表、井下綜合防治水措施后，礦坑涌水量變化幅度不大，地面巖溶塌陷發生的頻率明顯減少，各時期巖溶塌陷形成及發展經過見表1。

4.2降水、地表水與巖溶塌陷關系

研究區巖溶塌陷與大氣降水、地表水關系密切，為便于分析和今后研究區巖溶塌陷預警工作的需要，本次在總體評價研究區巖溶塌陷與大氣降水的關系基礎上，分別對1998～2020年潘家老屋地區進行規律總結可以看出，研究區從1987年至今，巖溶塌陷的發生與大氣降水關系密切，潘家老屋地區巖溶塌陷主要發生在3～5、7月及10月至次年的1月，2月、6月、8～9月發生較少，3～5月占塌陷總數的24.43%，10～12月占塌陷總數的35.71%。巖溶塌陷主要發生在春季平水期及秋冬季的枯水期，河流水位下降、流量減少甚至斷流及農田無水。

5. 巖溶塌陷對地下水的影響

研究區馬鞍山河河床及兩岸為巖溶塌陷高發區，特別在1993年之前，馬山口內的河床及兩岸巖溶塌陷頻發，導致馬鞍山河出現多次斷流，影響下游農業灌溉，河水直接灌入井下，礦坑涌水量大增，礦山排水成本增加。1993年之后，馬山口地帶通過修筑人工河道，馬鞍山河發生斷流的次數明顯減少。由于對巖溶地下水的排采，地下水位下降，使排水漏斗內泉水干涸，水塘、民井水位降低至干涸，導致部分水稻田漏水改為旱地，另外，農田供水的不足也影響部分耕地收成。地下水位低還導致村莊居民飲用水困難。宣家屋北西側的宣灣水庫[5-6]，1995年之前還可供其下游的水田灌溉，由于水庫蓄水減少，不能滿足需要，現下游的水稻田改為旱地。

6. 結論

在充分分析前期工作的基礎上，認為研究區內地下水水動力條件的改變是巖溶塌陷形成的重要因素，礦山排水與降水變化導致水動力條件發生改變從而導致巖溶塌陷形成，地下水動力條件變化是巖溶塌陷形成的主要動力因素。巖溶洞隙中的地下水位急劇下降，使巖溶空腔中有壓水轉為無壓水時，形成真空負壓，負壓作用加劇了對土體的潛蝕作用，加速了土體的破壞和土洞的形成與擴展，進而產生地面塌陷。引起研究區地下水動力條件變化因素主要為安慶銅礦疏干排水及降水、地表水因素。