湖南某煤礦地區(qū)巖溶塌陷成因機制分析

高翔 李大雁 龍慶 張小亮 郭勇 吳昆明

摘要：隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人們對礦產(chǎn)資源的開采量不斷增大，在其開采過程中對地質環(huán)境的破壞也愈發(fā)嚴重，各類地質災害伴隨而來，給人民的生命財產(chǎn)安全及社會經(jīng)濟發(fā)展帶來不利影響.綜合考慮水文地質單元、災害發(fā)育程度、地層巖性、地質構造及礦山抽排水等因素，結合巖溶發(fā)育規(guī)律，對煤礦區(qū)內(nèi)巖溶塌陷的成因機制分6個區(qū)來進行了分析，得出巖溶發(fā)育與礦井大量抽排水是該地區(qū)巖溶塌陷發(fā)育的最重要原因，研究成果可為該區(qū)域內(nèi)巖溶塌陷的主要發(fā)展趨勢預測和預防治理提供依據(jù)。

關鍵詞：地質災害；巖溶塌陷；成因機制；趨勢預測

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人們對礦產(chǎn)資源的開采量不斷增大，在其開采過程中對地質環(huán)境的破壞也愈發(fā)嚴重，各類地質災害伴隨而來，給人民的生命財產(chǎn)安全及社會經(jīng)濟發(fā)展帶來不利影響。湖南某煤礦地區(qū)地質災害發(fā)育，共調(diào)查各類地質災害561處，其中巖溶塌陷398處，不均勻沉陷110處，地裂縫47條，滑坡6處。其地質災害主要以巖溶塌陷為主，其他類型的地質災害發(fā)育程度相對較低，對該區(qū)域內(nèi)巖溶塌陷的成因機制進行分析，可為巖溶塌陷地質災害的防治工作提供借鑒。

1巖溶發(fā)育規(guī)律分析

巖溶發(fā)育的控制因素主要是地質構造，巖石性質和地下水交換的天然條件。其中地質構造的控制作用更明顯，而人類工程活動因素則對其起到了一定的促進作用，本區(qū)域溶巖發(fā)育有以下規(guī)律：

1）平面分布上，該區(qū)域巖溶發(fā)育主要集中在五個地下水主徑流帶和連河沖涌泉山?jīng)_溝一帶，其中大成橋、洋泉湖、賀石橋最發(fā)育，地面塌陷規(guī)模大，破壞嚴重。

2）垂直方向上，該區(qū)域巖溶發(fā)育具有明顯的分帶性。根據(jù)鉆孔揭露情況（見表1），溶洞發(fā)育帶主要集中于標高-200m以上，鉆孔見溶洞率相對較高，且溶洞一般全充填，此帶突水突泥后，地面塌陷影響大；溶洞裂縫帶標高為-200m至-400m，鉆孔見溶洞率0.10%～0.14%；裂縫發(fā)育帶一般在-400m以下，發(fā)育程度低，且充填較好，富（導）水性弱。而本區(qū)煤層多數(shù)賦存在-400m以上，開采-400m以下煤層引發(fā)巖溶地面塌陷的可能性和影響范圍將降低。

3）從區(qū)域地質構造上來看，本區(qū)域背斜軸部巖溶相對發(fā)育（見圖1）。軸部張裂隙發(fā)育，且開口向上，地下水活動強烈，礦井下易產(chǎn)生突水突泥而引起地面塌陷。

4）本區(qū)域高角度正斷層帶巖溶發(fā)育，特別是斷層交會處巖溶發(fā)育強，規(guī)模大。部分逆斷層或正斷層被切割，在斷層帶處當?shù)V層與含水層相接觸時容易發(fā)生穿水，引發(fā)地面塌陷。

5）旱、雨季地下水位反復交替升降的區(qū)域，地面塌陷發(fā)生較為頻繁。

6）表面巖溶塌陷多發(fā)區(qū)域位于煤礦開采活動強烈的位置（見圖2）。

由此可見，地質構造、水文條件是該煤礦區(qū)域巖溶發(fā)育的主要影響因素。而巖溶塌陷區(qū)域分布還受到了礦山開采等因素的影響。

2巖溶塌陷成因機制分析

該區(qū)域碳酸鹽巖分布廣，厚度大，巖溶發(fā)育。礦山排水導致地下水位大幅下降，在巖溶化斷裂帶，地下水交替頻繁處巖溶塌陷發(fā)育。以下根據(jù)巖溶塌陷分布位置，對其成因機制劃分6個區(qū)域分別進行分析。

1）大成橋巖溶塌陷區(qū)。該區(qū)位于大成河一帶，為河谷平原地貌，處于白堊系百花亭組底部礫巖和二疊系茅口組中下部地層的不整合接觸面附近。在地下水交替升降過程中，由于受到接觸面以及棲霞組灰?guī)r中黑色泥巖的阻力，會產(chǎn)生緩沖渦流形成沖刷作用。加之淺層地下水對茅口灰?guī)r中部灰?guī)r的侵蝕作用強，因而巖溶發(fā)育，發(fā)育深度主要在-80m以上。另外，由于該區(qū)域內(nèi)五畝沖礦井不斷強排疏干，地下水流運動遭遇人為改造，水位大幅下降。通過對區(qū)域內(nèi)1975年與2008年地下水等水位線圖對比，大成橋一帶地下水位由70m下降至-40m，作為排泄區(qū)的大成河漸變?yōu)檠a給源流補灌礦區(qū)，形成過水通道對充填物進行沖刷搬運，則導致地面蓋層薄弱部位不斷出現(xiàn)失穩(wěn)塌陷。

2）賀石橋巖溶塌陷區(qū)。該區(qū)沿群英河一帶分布，屬河谷平原地貌。該區(qū)位于煤炭壩向斜北部，背斜東南翼，受構造影響強烈，其核部隔水層埋深約200m，阻止了西北方向地下水向礦床的大量充水。此外，沙子坡斷層通過本區(qū)，該斷層導水性好，形成了地表地下水與西峰侖礦井以及躍進煤礦礦井間的導水通道。隨著礦區(qū)的不斷強排疏干，地下水流運動受到人工作用的加強和改造，地下水位下降顯著。根據(jù)圖3對比，地下水位最大下降達到170m。

另外，本區(qū)位于賀石橋徑流帶，群英河與地下水通過沙子坡斷層源源不斷地補給礦區(qū)，河水漏失量達到1000m3/h。這些地表水轉化為地下水后對溶洞中的充填物和上覆松散土層的潛蝕和沖蝕作用增大，造成礦井突泥突水現(xiàn)象嚴重，致使溶洞中的充填物和覆蓋層中的松散土層逐漸被沖刷帶走，當溶洞較大，充填物被遷運，地面蓋層薄弱的部位就突然產(chǎn)生巖溶塌陷。另外，當巖溶空洞形成一個封閉的環(huán)境時，產(chǎn)生真空吸蝕作用，溶洞頂部蓋層在負壓作用下失穩(wěn)產(chǎn)生塌陷。

3）歐家大沖巖溶塌陷區(qū)。該區(qū)位于歐家大沖與顏家沖交匯一帶，出露地層巖性為二疊系棲霞組上部硅質灰?guī)r夾硅質巖、茅口組巖上部灰?guī)r以及少量石炭系灰?guī)r和白云巖，富水性強，巖溶發(fā)育。礦井下常引發(fā)突水、突泥，本區(qū)構造復雜，由于大量斷層帶存在，顏家沖徑流帶與礦區(qū)之間形成良好的導水通道。當采礦對地下水強排疏干時，因地下水位急劇下降以及降落漏斗的擴大，使顏家沖和歐家大沖的地表水由顏家沖徑流帶和導水斷層補給礦井。由于此處處在巖溶發(fā)育帶，又有斷層的切割、溝通，當開采深度延深時，隨著礦山排水量增加，水力坡度和流量增大，溶洞裂隙中充填物受沖刷流失強度也隨著增大，當充填物被沖蝕后，部分溶洞洞頂覆蓋層厚度變薄，在滲透水頭和巖土體自重作用下，無法滿足拱頂穩(wěn)定而失穩(wěn)產(chǎn)生塌陷。

4）洋泉湖巖溶塌陷區(qū)。本區(qū)位于礦區(qū)東部，主要分布地層為白堊系百花亭組底部礫巖和二疊系茅口組灰?guī)r及硅質灰?guī)r。據(jù)相關勘探資料，該巖組巖溶發(fā)育，連通性好，主要分布在-200m以上，大部分無充填，且空洞較大，最大洞高達到6m。本區(qū)受構造影響大，賀家灣正斷層從本區(qū)通過，其透水性好，地下水流動性強。礦區(qū)開采對該區(qū)域造成了較大影響，礦區(qū)開采前，該區(qū)域內(nèi)常年有泉水，但隨著竹葉堂等煤礦的開采，大量抽排地下水，致使地下水位大幅下降，目前地下水位在-190～-200m之間波動。竹山塘煤礦強排疏干，使洋泉湖一帶地表水和地下水通過洋泉湖徑流帶和賀家灣斷層補給礦井，沿線溶洞被疏通擴大，在水流沖刷和自重作用下，失穩(wěn)產(chǎn)生塌陷。

5）回龍鋪巖溶塌陷區(qū)。本區(qū)位于礦區(qū)南偏東、溈水以北、左家河徑流帶以東的平原地區(qū)。該區(qū)地勢平坦，面積較廣，災害分布較平均。表層沖洪積物發(fā)育，下伏基巖為二疊系棲霞組上部的硅質灰?guī)r、硅質巖，中下部的泥灰?guī)r、泥質頁巖和石炭系壺天群的灰?guī)r、白云質灰?guī)r。棲霞組上部地層和壺天群地層巖溶發(fā)育，連通性好，棲霞組中下部為相對隔水層。但溈水大斷層于左家河處橫過溈水河，隔水層斷失，使壺天群、棲霞與溈河水產(chǎn)生密切水力聯(lián)系。區(qū)內(nèi)巖溶塌陷主要發(fā)生在棲霞組上部灰?guī)r中，主要受左家河和溈水大斷層控制。礦區(qū)疏干排水使地下水位下降，溈水與地下水通過溈水大斷層連通左家河徑流帶補給礦井，原有溶洞受水流沖刷，充填物流失，在覆蓋層薄的部位洞頂失穩(wěn)產(chǎn)生塌陷。但因為該區(qū)離煤礦區(qū)較遠，因而地下水位下降幅度不大，所以巖溶發(fā)育深度也較淺。

6）涌泉山巖溶塌陷區(qū)。本區(qū)分布在喻家坳鄉(xiāng)連河沖以南涌泉山一帶的河谷平原區(qū)，本區(qū)出露地層巖性為二疊系棲霞組上部硅質灰?guī)r和硅質巖，巖溶發(fā)育，連通性好。本區(qū)位于煤炭壩背斜西翼的幾個次級向斜處以南，受周邊煤礦抽排水影響較大。這些礦區(qū)煤炭儲量不大，開采深度較淺，因而地下水降幅有限，產(chǎn)生巖溶塌陷的深度也不大，主要集中在-100m以上。這些煤礦采煤疏干排水后，地下水和地表水回灌礦區(qū)，沿涌泉山溝一帶，巖溶管道和溶洞長期被沖刷，充填物被掏盡，溶洞頂部蓋層變薄失穩(wěn)，產(chǎn)生巖溶塌陷。整個調(diào)查區(qū)從歷史采煤情況來看，各大礦井大部分有突泥、突水的災害發(fā)生，如2003年西峰侖煤礦在-350m水平就曾發(fā)生突泥達5000m3，井下小的突泥點也較多；又如1971年9月，五畝沖在煤層中掘進時底板突水，瞬時水量達2 900m3/h，造成地面下沉，水塘漏水，1958年至1986年突泥點達117個。這些突水突泥事件都是反映下部巖溶發(fā)育的直接證據(jù)，也說明巖溶發(fā)育與礦井的大量抽排水是整個煤礦地區(qū)巖溶塌陷發(fā)育的最重要原因（見圖4）。

綜合以上分析，結合巖溶塌陷現(xiàn)狀調(diào)查結果、本區(qū)域水文地質特征以及礦業(yè)活動等情況，預計各帶巖溶地面塌陷的均有加劇趨勢。六個分帶內(nèi)復塌、新塌的可能性大，沿斷層方向有外擴趨勢，地質災害危害嚴重。

3小結

1）通過對該煤礦區(qū)域巖溶發(fā)育規(guī)律的分析，得出地質構造、水文環(huán)境是影響該區(qū)域巖溶發(fā)育的主要因素，而礦山開采情況一定程度上影響了巖溶塌陷的發(fā)生和分布。

2）將該煤礦區(qū)域分為6個區(qū)分別對其巖溶塌陷成因機制進行分析，得出巖溶發(fā)育與礦井大量抽排水是該地區(qū)巖溶塌陷發(fā)育的最重要原因。

3）結合巖溶塌陷現(xiàn)狀調(diào)查結果、本區(qū)域水文地質特征以及礦業(yè)活動等情況，預計各分區(qū)巖溶地面塌陷的均有加劇趨勢，地質災害危害嚴重。