桐柏縣朱莊鄉(xiāng)小河灣村地面塌陷研究

曹 磊

(河南省地礦局第五地質(zhì)勘查院，河南 鄭州 450000)

桐柏銀礦位于桐柏縣城北約30 km，行政屬桐柏縣朱莊鄉(xiāng)管轄。礦區(qū)范圍東南起自新莊，西北至草帽嶺西南側分水嶺，面積1.875 9 km2。其中小河灣村調(diào)查區(qū)位于礦區(qū)南端，面積0.85 km2。2012年8月16日，桐柏縣朱莊鄉(xiāng)小河灣村東側60m林地中出現(xiàn)地面塌陷坑，同時村中多處房屋出現(xiàn)新裂縫。地面塌陷和房屋裂縫嚴重威脅著小河灣村居民的生命財產(chǎn)安全，給當?shù)鼐用駧砹丝只拧?/p>

1 地面塌陷調(diào)查及采空區(qū)勘察

1.1 地面塌陷分布與特征

桐柏銀礦開采一直都是當?shù)氐闹鲗Мa(chǎn)業(yè)，由于大規(guī)模的開采，形成了大面積的采空區(qū)，從而誘發(fā)了地面塌陷。重點調(diào)查區(qū)內(nèi)共發(fā)現(xiàn)3處地面塌陷。

1.1.1 1 號塌陷坑現(xiàn)狀

塌陷坑發(fā)生于2007年 1月，橢圓型，長軸(東西)長 18 m，短軸(南北)寬15 m(見照片 4－1)，面積 270 m2，塌陷深度5.3 m。位于小河灣村東北方向。

1.1.2 2 號塌陷坑現(xiàn)狀

塌陷坑發(fā)生于2007年3月，東西長15 m，南北寬12 m，面積180 m2(見照片4－2)，塌陷深度6.5 m。位于小河灣村東北方向。

1.1.3 3 號塌陷坑現(xiàn)狀

塌陷坑發(fā)生于2012年8月16日，位于小河灣東側。東西長 26 m，南北寬17 m，面積442 m2，塌陷深度11.7 m，并伴生有多處地裂縫。整個地面塌陷區(qū)周圍變形較強烈，其中地裂縫共有 9條，走向 5°～45°、270°～310°，長度 3～60 m，裂縫寬度1～15 cm。

1.1.4 塌陷坑展布規(guī)律

據(jù)210 m標高坑道統(tǒng)計，重點調(diào)查區(qū)內(nèi)裂隙節(jié)理的發(fā)育方向主要為:近東西向(約270～275°)。3處塌陷坑長軸、短軸的展布有一定規(guī)律，長軸方向為裂隙節(jié)理發(fā)育方向，近東西向;短軸方向跟礦層走向垂直。

1.2 伴生的地裂縫分布及特征

重點調(diào)查區(qū)內(nèi)地裂縫的分布范圍較廣。集中分布在塌陷坑四周林地、塌陷坑南端玉米地、塌陷坑西側30 m處和小河灣村中。小河灣村13戶均出現(xiàn)房屋或院落內(nèi)地坪裂縫。地裂縫的發(fā)育有幾個特點。

1.2.1 方向性

工作區(qū)內(nèi)的地裂縫主要分布于農(nóng)田、居民房屋地坪和居民院落的水泥地里(見照片4－5、4－6、4－7)。本次調(diào)查地裂縫共27處，其中地坪裂縫18處，農(nóng)田、林地、道路裂縫9處。地裂縫的走向主要為 5°～45°、270°～310°。見表 4－3、4 －4。

1.2.2 規(guī)模性

重點調(diào)查區(qū)內(nèi)農(nóng)田中地裂縫的延伸長度一般為10～60 m，寬度一般為2～15 cm，在房屋地坪上的地裂縫的延伸長度一般為 0.3～4 m，寬度約為 0.1～0.3 cm。

1.2.3 平面分布特征

據(jù)調(diào)查，在村莊內(nèi)，地坪裂縫的間距最小為7 cm(見照片4－9)，一般為1.2～4 m，最大為4 m。農(nóng)田中地裂縫間距為3～6 m。

1.2.4 空間分布特征

為了解地裂縫發(fā)育情況，分析其成因，選取農(nóng)田、林地中地裂縫開挖探槽。探槽中地裂縫隨著深度增加，出現(xiàn)新的地裂縫。開挖探槽的過程中發(fā)現(xiàn)地表出現(xiàn)的地裂縫及新發(fā)現(xiàn)的地裂縫隨著深度增加，寬度有一定的增加，呈上窄下寬特點。新出現(xiàn)地裂縫在發(fā)育上與地表地裂縫應是同時生成的，與地表裂縫走向近似，越往下，地裂縫越密集。

1.3 采空區(qū)現(xiàn)狀

針對本次地面塌陷應急調(diào)查工作的緊迫性和必要性，對重點調(diào)查區(qū)內(nèi)的105 m標高、140 m標高、175 m標高主巷道、穿脈巷道進行了實地調(diào)查，結合物探解譯結果，了解了采空區(qū)的分布與規(guī)模。調(diào)查結果得知桐柏銀礦70 m標高以上的礦體已采空，留下多處大面積采空區(qū)，尤其是105 m標高開采中段形成的采空區(qū)已達小河灣村下部。

2 地面塌陷現(xiàn)狀分區(qū)

經(jīng)過地面調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前該村塌陷影響范圍(產(chǎn)生地面和房屋裂縫區(qū)域)分為兩個區(qū)，即地面塌陷危害程度大區(qū)、地面塌陷危害程度小區(qū)。

2.1 地面塌陷危害程度大區(qū)威脅區(qū)域

經(jīng)調(diào)查分析可知，東西長約100 m，南北寬約240 m的區(qū)域，分布面積約24 000 m2。危害程度大區(qū)地下采空區(qū)離地面較近，北端出現(xiàn)2處塌陷坑，面積分別為170 m2、280 m2。南端出現(xiàn)1處塌陷坑，面積442 m2，并伴生有多處地裂縫，走向 5°～45°、270°～310°，長度 3～60 m，裂縫寬度 1～15 cm。該塌陷區(qū)主要威脅居民居住和出行安全，塌陷威脅全村7戶、人口50人，房屋56間。

2.2 地面塌陷危害程度小區(qū)威脅區(qū)域

分布于危害程度大區(qū)的外圍，面積約150 000 m2。危害程度小區(qū)地下采空區(qū)離地面較遠，調(diào)查過程中未發(fā)現(xiàn)地質(zhì)災害。塌陷威脅全村7戶、人口45人，房屋50間。

3 地面塌陷成因分析及其發(fā)展趨勢

3.1 成因分析

依據(jù)資料綜合分析，該區(qū)塌陷主要由地層、降水、人類工程等條件三部分構成下面就各上述三方面條件進行分析。

3.1.1 地層因素

調(diào)查區(qū)出露地層主要為下古生界歪頭山組及零星分布的新生界第四系。屬于歪頭山組上部(Pz1w3)的第二巖性段(Pz1w3

2)。巖層走向:320°～340°，傾向南西，傾角 25°～80°不等。厚132～222 m，兩端皆有變薄趨勢。此巖性段為礦區(qū)的主要含礦層位。礦層開采形成的大面積采空區(qū)為塌陷的形成提供主要場所。

3.1.2 降水

近年氣象條件極不穩(wěn)定，降水是發(fā)生地面沉降的主要誘因之一。雨季時期上部松散土體處于臨界狀態(tài)，使土體飽和、軟化增荷，巖土體工程地質(zhì)條件惡化，從而加速失穩(wěn)，引起塌陷。

3.1.3 人類工程活動

人類工程活動主要是采礦，采礦形成的大面積采空區(qū)也是主要誘因。調(diào)查和室內(nèi)綜合分析，重點調(diào)查區(qū)內(nèi)從2007年1月至2012年8月16日發(fā)生的3個地面塌陷坑，均為桐柏銀礦開采造成，其中1號塌陷坑位于140、175標高采空區(qū)(采空區(qū)1－1、2－1)上部，2號塌陷坑位于175標高采空區(qū)中1－2采空區(qū)上部，3號塌陷坑位于140標高采空區(qū)(采空區(qū)2－4、2－5)上部，。目前，桐柏銀礦70 m標高以上的礦體已采空，留下大面積采空區(qū)，尤其是105 m標高開采中段形成的采空區(qū)已達小河灣村下部。因此，小河灣村及周圍仍有發(fā)生地面塌陷的可能。

3.2 塌陷范圍預測

通過礦井下調(diào)查，重點調(diào)查區(qū)內(nèi)105 m、140 m、175 m標高開采中段均存在大面積采空區(qū)，其中T1號塌陷坑北壁下的采場區(qū)離地面僅7.7 m，小河灣村陳遠華住戶北20 m處民采洞口可通往175 m標高主巷道，T2號塌陷坑下的采空區(qū)離地面約20 m，采空區(qū)離地面如此之近，是導致 T1、T2號地面塌陷坑形成的主要原因。

采空區(qū)地面塌陷范圍可近似利用圍巖崩落角法圈定。根據(jù)礦巖的物理力學性質(zhì)、礦體厚度、傾角及選用的采礦方法等資料，結合類似礦山確定桐柏銀礦圍巖崩落角為:

γ=δ=65°，β =δ－0.65α

式中:γ為巖層的上山移動角;δ為巖層的走向移動角;

β為巖層的下山移動角;α為礦層傾角。

重點調(diào)查區(qū)松散層平均厚5.5 m，松散層移動角φ確定取45°。

采空區(qū)移動角指標選定為:

穩(wěn)固巖層沿走向移動角 δ=65°;上山移動角 γ=65°;

下山移動角 β=36°;礦層傾角 α=45°。

計算105 m標高中段以上采空區(qū)崩落范圍，劃定地面塌陷范圍，面積為54 043 m2。見附圖6。

3.3 地面塌陷預測危害程度分區(qū)

(1)地面塌陷預測危害程度大區(qū)。面積為54 043 m2。通過監(jiān)測資料分析，重點調(diào)查區(qū)內(nèi)塌陷和裂縫最近期間有繼續(xù)變形跡象，說明該塌陷區(qū)仍處于不穩(wěn)定狀態(tài)。隨時可能發(fā)生新的地面塌陷和地裂縫災害。威脅該村居民人身安全及財產(chǎn)安全。

(2)地面塌陷預測危害程度小區(qū)。重點調(diào)查區(qū)內(nèi)預測危害程度大區(qū)以外區(qū)域為地面塌陷預測危害程度小區(qū)，面積為95 956 m2。

4 結論與建議

4.1 結論

(1)對一般調(diào)查區(qū)開展了環(huán)境地質(zhì)調(diào)查，基本查清了地質(zhì)災害發(fā)生的地質(zhì)背景。區(qū)內(nèi)地表水系不發(fā)育，地貌類型單一，按其形態(tài)屬于低山丘陵區(qū);地質(zhì)環(huán)境條件一般，區(qū)內(nèi)出露的地層主要有新生界第四系粉質(zhì)粘土及下古生界歪頭山組炭質(zhì)絹云石英片巖，小河灣后溝分布有砂礫石。

(2)該區(qū)災害表現(xiàn)為塌陷和裂縫兩種災害類型。塌陷:共發(fā)現(xiàn) 3處塌陷坑，深 5.3～11.7 m;面積 180 m2～442 m2;為不規(guī)則狀，長軸、短軸的展布有一定規(guī)律，東西長軸方向跟礦層傾向近似，南北短軸方向跟礦層走向近似。裂縫:地面分布多處裂縫，走向 5°～45°、270°～310°，長度 3 ～60 m，裂縫寬度1～15 cm。人類工程活動主要為采礦，采空區(qū)已分布在小河灣村與小河灣后溝之下，人類工程活動成為誘發(fā)地質(zhì)災害的重要因素。由于銀礦的開采，重點調(diào)查區(qū)是地面塌陷地質(zhì)災害的易發(fā)地區(qū)發(fā)生地面塌陷及地裂縫地質(zhì)災害后，損壞道路一條、受損房屋(裂縫)14戶，其中地面塌陷危害程度大威脅區(qū)中7戶，房屋56間，地面塌陷危害程度小威脅區(qū)中7戶，房屋50間。

(3)桐柏銀礦70 m標高以上的礦體已采空，留下大面積采空區(qū)，尤其是105 m標高開采中段形成的采空區(qū)已達小河灣村下部。據(jù)計算105 m標高中段以上采空區(qū)理論崩落范圍，劃定地面塌陷范圍，面積為54 043 m2，覆蓋整個小河灣村。地面塌陷影響14戶，房屋106間。

(4)通過短期監(jiān)測資料分析，地面塌陷危害程度大威脅區(qū)內(nèi)塌陷和裂縫野外工作期間有繼續(xù)變形跡象，說明該塌陷區(qū)仍處于不穩(wěn)定狀態(tài)。隨時可能發(fā)生新的地面塌陷和地裂縫災害。通過災害現(xiàn)狀和預測結果可知重點調(diào)查區(qū)內(nèi)都屬于災害易發(fā)區(qū)，威脅該村居民人身安全及財產(chǎn)安全。

4.2 建議

(1)桐柏銀礦175 m、140 m兩個開采中段形成的采空區(qū)離村莊較近，105 m開采中段形成的采空區(qū)已達小河灣村下部，采空區(qū)距地表分別為25 m、60 m、95 m左右。T1號塌陷坑和T2號塌陷坑附近的民房伴隨地面塌陷又出現(xiàn)了新裂縫，表明地面塌陷已影響到了民房。地面塌陷范圍預測表明，整個小河灣村均位于地面塌陷預測范圍內(nèi)，因此，從長遠考慮，建議小河灣村整體搬遷。

(2)小河灣村周圍桐柏銀礦屬合法的礦山生產(chǎn)企業(yè)，礦山開采屬正常的生產(chǎn)活動，而礦山開采易誘發(fā)地質(zhì)災害。因此，建議小河灣村應結合當前新農(nóng)村社區(qū)建設進行整體搬遷，但新的選址應進行地質(zhì)災害危險性評估。

［1］劉永貴.靖宇縣三道湖鎮(zhèn)馬當村地面塌陷成因分析及發(fā)展預測［D］.吉林大學.2010.

［2］董震雨.黃陵礦區(qū)采煤工作面地面塌陷特征及覆巖破壞規(guī)律研究［D］.西安科技大學.2010.

［3］鄭小戰(zhàn).廣花盆地巖溶地面塌陷災害形成機理及風險評估研究［D］.中南大學.2010.

［4］劉繼東.物探方法在河北灤縣地面塌陷勘查中的應用研究［D］.中國地質(zhì)大學(北京).2007.

［5］劉秋生.山東泰安地區(qū)地面塌陷現(xiàn)狀與對策［D］.合肥工業(yè)大學.2006.

［6］張玉中.錫鐵山礦山地面塌陷控制因素及其地表穩(wěn)定性分析［D］.昆明理工大學.2005.

［7］李振興，高宗軍.棗莊底閣石膏礦區(qū)地面塌陷特征與防治［J］.地質(zhì)災害與環(huán)境保護.2011(02).

［8］李振興，高宗軍.棗莊底閣石膏礦區(qū)地面塌陷特征與防治［J］.地質(zhì)災害與環(huán)境保護.2011(02).

［9］席莎.內(nèi)蒙古自治區(qū)煤炭礦區(qū)地面塌陷嚴重程度分析［D］.中國地質(zhì)大學(北京).2012.

［10］邱有鑫.溝壑切割淺埋區(qū)開采塌陷災害形成機理研究［D］.西安科技大學.2012.

［11］王欽軍，陳玉，藺啟忠.礦山地面塌陷的高分辨率遙感識別與邊界提取［J］.國土資源遙感.2011(03).

［12］巴岱，李濤，李輝，馬長慧.新疆巴楚縣工業(yè)園區(qū)地面塌陷工程地質(zhì)條件分析與治理［J］.西部探礦工程.2011(07).

［13］張?zhí)?，周愛國，馮小銘，等.南京市地面塌陷發(fā)育特征及防治對策［J］.中國安全科學學報.2011(03)

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