楊嘉橋鎮(zhèn)九江塌陷區(qū)形成機理研究

姚海鵬， 李旭杰， 王 瀟

(湖南省地質調查院，湖南 長沙 410116)

2004年，湘潭縣楊嘉橋鎮(zhèn)九江村中灣組發(fā)生地面塌陷，2011年開始進入盛發(fā)期。至今共出現(xiàn)塌坑17個，規(guī)模最大者達4 900 m2，總塌陷面積達8 113.03 m2，毀壞農田林地13.68畝，毀壞房屋40余間，房屋開裂20余棟，阻斷公路130 m，直接經(jīng)濟損失433萬元，間接損失不計其數(shù)，塌陷同時引發(fā)滑坡、崩塌等地質災害，嚴重威脅居民的生命財產(chǎn)安全。因此，需查明區(qū)內塌陷的致災機理及發(fā)展趨勢，為地方開展減災防災工作提供詳實的理論依據(jù)及技術支撐。

1 研究區(qū)概況

1.1 地形地貌

九江村屬灰?guī)r溶蝕-殘丘低崗地貌?？傮w地勢較平緩，地形起伏較小，地面高程64～96 m，相對高差<32 m。地形坡度為5°～15°，局部陡峻處可達25°，總體地勢南部低北部高。最高海拔點位于東部劉家祠堂山頂，標高96.4 m；最低海拔點位于西南部外稻田中，標高61.2 m(據(jù)1973年出版的1∶1萬楊嘉橋、雙板橋幅地形圖)。地表水體較發(fā)育，自然排水條件較好。

1.2 氣象水文

區(qū)內地處典型的亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)，具有明顯的季節(jié)性氣候特征：四季分明，降水充沛，盛夏高溫，冬季寒冷。據(jù)湘潭市歷年資料統(tǒng)計，年均降水量1 387.3 mm，4～7月降水較集中，日最大降水量143.6 mm，年最大降水量1 923.3 mm，年最小降水量1 046.2 mm。盛夏炎熱少雨，冬季嚴寒濕潤。區(qū)內水系為漣水，位于塌陷區(qū)北側3 km，水面寬度200 m，水面坡降0.066‰～0.072‰。塌陷區(qū)南、東部地表水體較發(fā)育，常年地表水體為稻田水、水塘水。

1.3 地質背景

區(qū)內地層出露簡單，為石炭系、白堊系及第四系地層，山體表層被第四系殘坡積物所覆蓋。石炭系壺天群組是區(qū)內的主要地層，出露于區(qū)內西、南西部，巖性為灰色厚層-塊狀泥粉晶灰?guī)r夾炭質頁巖，下部灰色厚-巨厚層狀粉晶白云巖，區(qū)域厚576 m。白堊系羅鏡灘及紅花套組出露于區(qū)內北東部，角度不整合于石炭系壺天群組之上，巖性為紫紅色厚層-塊狀灰質礫巖、砂礫巖夾泥質粉砂巖、粉砂質泥巖，區(qū)域厚1 863 m。第四系白沙井組主要分布于塌陷區(qū)南部沖溝，上部棕紅色網(wǎng)紋狀粉質黏土、砂質黏土，下部砂礫石層，厚度5～57 m。

九江村地處湘潭復合盆地與楊嘉橋褶斷帶交接處,區(qū)域地質構造較復雜，新構造斷裂發(fā)育。對區(qū)內影響較大的主要有瓦鋪子—青蓮庵斷裂及楊嘉橋逆掩斷裂，均為新構造斷裂，且規(guī)模較大。

區(qū)內地質構造較為簡單，為一走向近東西的單斜巖層區(qū)，傾向20°，傾角10°，褶皺、斷層較為發(fā)育。受外圍區(qū)域大斷裂影響，巖石中巖溶、節(jié)理、裂隙較發(fā)育。

1.4 水文地質條件

區(qū)內地下水類型主要為松散巖類孔隙水及覆蓋型碳酸鹽巖類裂隙溶洞水。松散巖類孔隙水主要賦存于第四系的粉質黏土、砂質黏土中，水位在0.5～4.5 m，碳酸鹽巖類裂隙溶洞水主要賦存于石炭系壺天群組石灰?guī)r中，水位大于15 m，巖溶較發(fā)育，巖溶率0.05%～3.48%，單井涌水量225.5 m3/d，富水性中等，地下水化學類型為HCO3—Ca及HCO3—Ca·Mg型；石灰?guī)r裂隙中有水滲出，并有黏土充填，局部可見溶蝕小溝和溶洞，區(qū)內礦山采坑內涌水量較大，一般涌水量<100 t/h，最大涌水量<150 t/h，雨季有較多的裂隙浸水。松散巖類孔隙水主要受大氣降水補給，碳酸鹽巖裂隙溶洞水則受大氣降水及松散巖類孔隙水的垂向補給。礦山開采期間，據(jù)礦山實地調查及井下作業(yè)人員的反映，一般情況下礦體頂?shù)装寮皣鷰r中有水涌出，礦場充水與大氣降水關系密切，季節(jié)性明顯，雨季礦場最大抽排水單日曾達30 m3/h。礦山開采至-10 m時，涌水量為50 m3/h左右。

1.5 人類工程活動

(1)礦業(yè)開發(fā)。該塌陷區(qū)南側原為一處露天采石場，解放前即有開采，開采方式為露天凹陷式采礦方法。2004年以前陸陸續(xù)續(xù)進行小規(guī)模開采，礦石種類主要為石灰石礦，現(xiàn)場可見一處較大采坑，深度達17 m，面積約9 000 m2。2004年11月，湘潭縣金鴻石灰石有限公司及湘潭縣芮希石灰石礦獲得礦山采礦權，改為地下斜井—平侗聯(lián)合開拓，年開采量10萬噸，開采標高為-10～+95 m，后因產(chǎn)生地面塌陷、沉降，先后于2014年、2015年閉坑。

(2)工農業(yè)活動。調查期間，塌陷區(qū)北東250 m處有一個湘潭縣玉橋化工有限公司，主要經(jīng)營氧化鋅的生產(chǎn)，其生產(chǎn)需要大量的水源。調查期間，該公司從金鴻礦業(yè)的廢棄采坑內抽水，水泵功率43 m3/h，日采水量達1 000 m3。塌陷區(qū)南側400 m處有一規(guī)模較大的湘潭縣頂呱呱黑斑蛙專業(yè)養(yǎng)殖合作社。調查期間，該公司自芮希礦業(yè)的廢棄采坑內抽水，日用水量達50 m3。其他則為當?shù)鼐用窳闵⒖购涤盟?，從塌陷坑及廢棄采坑抽水，估算日采水量30 m3。這三處地下水開采行為自礦山閉坑以來即進行，年采水量39.42萬立方米。

2 塌陷基本特征

我院于2017年12月至2018年8月對該塌陷區(qū)進行了實地調查，共發(fā)現(xiàn)塌陷坑為17個，塌陷發(fā)育標高61～90 m，平面形態(tài)主要為圓形，坑口規(guī)模最小為2.5 m2，最大4 900 m2，深度最小為0.68 m，最大超過20 m，變形面積2.5～8 000 m2，規(guī)模均屬小型。自2004年發(fā)生至今，已造成13.68畝農田林地損壞，40間房開裂，130 m公路阻斷，直接經(jīng)濟損失433萬元。

礦山大規(guī)模開采期間(2004～2015年)共發(fā)生塌陷13處，閉坑后發(fā)生塌陷4處。區(qū)內塌陷分布具以下特征：(1)塌陷多分布在石灰石礦采空區(qū)范圍內，17處塌陷有13處分布在其范圍內，占比76.47%，表明塌陷與采礦有直接聯(lián)系；(2)對塌陷坑的平面形態(tài)及變形特征進行分析，塌陷范圍多呈橢圓狀，其長軸方向呈線性分布，與采空巷道展布方向一致；(3)根據(jù)塌陷坑的發(fā)生時間分析，塌陷坑先于采空區(qū)范圍內發(fā)生，再擴散至外圍(南部)，全區(qū)塌陷坑呈圈狀向外輻射。

3 塌陷機理研究

3.1 土層條件

對野外鉆探資料進行分析，上覆土層的厚度在5～57 m之間，巖性為粉質黏土夾砂質黏土，局部見礫砂層。通過對土工試驗資料分析，粉質黏土天然容重1.87～1.97 g/cm3，壓縮模量5.0～7.9 MPa，內摩擦角20.3°～22.6°，黏聚力26～39 kPa，力學性質較差。砂質黏土土體結構松散，具強烈的水解分散性，礫砂層具強烈的透水性，滲透系數(shù)高，是形成土洞的基礎條件，也是地面塌陷發(fā)生的基礎條件。

3.2 巖溶發(fā)育條件

區(qū)內可溶巖廣泛分布，巖溶較發(fā)育，巖溶率0.05%～3.48%，發(fā)育的溶洞及溶隙是物質的儲存空間和運移通道，為地面塌陷的形成創(chuàng)造了條件。

3.3 水動力條件

區(qū)內的地下水有松散巖類孔隙水和巖溶水兩種。其中松散巖類孔隙水賦存于上覆土層中，根據(jù)鉆孔及野外調查揭露，水位埋深在0.5～4.5 m之間。巖溶水主要賦存于下伏白云巖內，水位埋深大于15 m，孔隙水及巖溶水之間有較大的水頭差。水頭差可導致松散巖類孔隙水的垂直入滲，對上覆土層進行不斷的潛蝕，加快了土洞及塌陷的形成。

2016年前，礦山開采期間的地下水疏干也為塌陷發(fā)展提供了巨大的水動力條件。對調查資料分析，礦山開采期間，旱季排水量在15 m3/h，雨季在30 m3/h，開采標高在-10 m處時，抽水量在50 m3/h。巨大的疏水量造成了區(qū)內巨大的降落漏斗，提供了巨大的水動力條件。

自2015年兩處礦山閉坑后，疏水行為仍未停止，玉橋化工廠、頂呱呱黑斑蛙專業(yè)養(yǎng)殖合作社及部分農業(yè)用水日采水量在1 080 m3，也提供了巨大的水動力條件。

3.4 采空條件

區(qū)內采礦活動導致區(qū)內較大面積的采空區(qū)，對塌陷的產(chǎn)生所起作用主要表現(xiàn)在兩個方面：一是采空區(qū)為塌陷提供巨大的物質儲存空間。自2004年～2015年，共采石灰石礦120萬噸，折算體積為44.78萬立方米；土洞、溶洞及塌陷坑內土體在松散巖類孔隙水的垂直入滲作用下，被潛蝕隨水流及重力作用下進入下方采空區(qū)，造成地面出現(xiàn)塌陷或塌陷擴大。二是采空區(qū)揭露了部分溶洞，采礦導致部分地段頂板較薄，上方土體通過土洞、溶洞、溶隙與下方采空區(qū)連通為一個完整的通道，土體更易隨流水沿通道進行運移。

3.5 塌陷成因分析

根據(jù)區(qū)內土層條件、巖溶發(fā)育條件、地下水動力條件及采空條件綜合分析，區(qū)內上覆土層較薄，力學性質較差，容易隨地下水潛蝕破壞；區(qū)內的溶洞、溶隙為地面塌陷提供了物質儲存及運移空間(圖1)。孔隙水及巖溶水之間的水力差產(chǎn)生的垂直入滲作用對土層不斷進行潛蝕破壞，土體在入滲作用下進入溶隙、溶洞，在上覆土層形成土洞 (圖2)；進入溶洞中的土體又隨著地下水疏干等強徑流活動下隨溶洞、溶隙進入采空區(qū)內，土洞隨即不斷增大，在強降雨等因素下產(chǎn)生失穩(wěn)造成塌陷(圖3)；相鄰的塌陷坑在不斷加劇的水動力條件下(抽排水)繼續(xù)擴大，最終連成較大規(guī)模的塌陷坑(圖4)。

圖3 塌陷初發(fā)階段

圖4 塌陷盛發(fā)階段

4 塌陷發(fā)展趨勢

目前區(qū)內17處地面塌陷，13個塌陷仍處在持續(xù)變形的不穩(wěn)定狀態(tài)，部分塌坑更是塌了又塌，其中TX8287402、TX8297401、TX8317402、TX8287403經(jīng)過了填埋仍發(fā)生了新的塌陷，塌坑的大小和深度均不斷擴大，未經(jīng)填埋的部分塌坑與相鄰的塌坑經(jīng)過發(fā)展連成一片，形成了更大的塌坑(TX8317401)。長此以往，九江塌陷區(qū)將圍繞中心塌坑(TX8297401)形成一個巨型塌坑。

金鴻礦業(yè)、芮希礦業(yè)雖已停采閉坑，但地下水位遠未恢復，且有玉橋化工廠、養(yǎng)殖場及周邊居民仍進行大規(guī)模的地下水開采活動，形成較大規(guī)模的降落漏斗。周邊地下水不斷向漏斗中心匯流，不斷對覆蓋層進行潛蝕。采空區(qū)提供的巨大物質儲存空間仍無法消除，同時區(qū)內兩層地下水存在的水頭差伴隨強烈的垂直入滲作用在短期內仍無法消除。區(qū)內仍存在發(fā)生塌陷的基礎條件，仍有具備發(fā)生地面塌陷的可能性。

5 結論

(1)楊嘉橋鎮(zhèn)九江村覆蓋層薄、力學性質差、基巖巖溶發(fā)育、水動力條件強烈是發(fā)生地面塌陷的內在因素；金鴻礦業(yè)及芮希礦業(yè)礦區(qū)進行地下水疏干造成巨大的降落漏斗，使水動力條件更加強烈，加快了地下水的潛蝕、掏蝕作用，促進了土洞的形成，是地面塌陷形成的主要誘發(fā)因素。同時采空區(qū)提供了巨大的儲存運移空間，也加快了土洞及塌陷的形成。

(2)采礦進行的地下水疏干活動導致的降落漏斗仍然存在，孔隙水及巖溶水間的垂直入滲作用強烈，同時礦區(qū)閉坑，采空區(qū)頂板、溶洞封堵因無人管理將失效；區(qū)內的地下水開采活動仍在進行，本區(qū)地面塌陷的發(fā)生可能會更加頻繁和劇烈。