四川省達川區大埡地面塌陷成因及防治措施

周高非

（四川煤田地質一三七總公司，四川 達州 635006）

近年來，四川省達州市達川區景市鎮大埡村寨一帶形成一系列的地面塌陷坑。雖然塌陷規模不大，但是由于村寨人口密度較大，受到威脅的村民達128戶，563人，目前已造成毀壞房屋167間，造成直接經濟損失1050萬元，間接經濟損失150萬元。因此，研究該地區地面塌陷的成因，對其防治工作有著十分重要的意義。

1 塌陷區地質環境條件

1.1 地形地貌

大埡地面塌陷位于景市鎮柳樹灣村、寨子村，石板鎮金剛村共二十個社，地理坐標：東經 107°29′43″～107°31′53″，北緯31°00′15″～31°02′59″，面積約15km2。地面塌陷區位于構造剝蝕低山地貌區，相對高差約300m，地形起伏大。

1.2 地層巖性

區內出露地層繁多，主要為侏羅系中下統自流井組（J1-2z）、下統珍珠沖組（J1zh）地層，另有第四系坡殘積層（Q4dl+el）及侏羅系中統下沙溪廟（J2xs）、新田溝組（J2x）及三疊系上統須家河組（T3xj）、中統雷口坡組（T2l）、下統嘉陵江組（T1j）地層。坡殘積層由粉質粘土、粘土組成，可塑狀～軟塑狀，稍濕～濕，松散～稍密，多為耕植土。侏羅系中下統自流井組（J1-2z）、下統珍珠沖組（J1zh）地層巖性為頁巖夾粉砂質頁巖、灰巖，頁巖、粉砂質頁巖巖石強度較低，易風化，遇水易軟化，屬較軟質巖，侏羅系中下統自流井組大安寨段灰巖巖溶較發育。區內巖體受構造的影響較為破碎。

圖1 大埡地面塌陷剖面圖

1.3 地質構造

塌陷區位于中山背斜的軸部及兩翼（圖1），區內構造發育，除中山背斜外另發育有天耕梁背斜、金剛寺向斜及大埡口背斜，區內另發育有大大小小的斷層50余條。

1.4 水文地質

1.4.1 氣象特征

塌陷區屬亞熱帶濕潤型季風性氣候區，氣候溫和，雨量充沛，無霜期長，日照充足，四季分明，大陸型季風性氣候顯著。據達川區氣象站觀測資料，達川區年平均氣溫17.3°，多年極端低溫-4.7，極端高溫42.3℃；年有霜日1～23d，平均8d，最大積雪深度 40mm，相對濕度 80%。年降雨量在840.9～1476.6mm，平均1044mm；月平均降水量220～260mm，最高可達 577～773mm；最多連續降雨日為21d，最長無降雨日為34d，降雨多集中在5月～9月，約占全年降雨量的75%。區內多年降水等值線見圖2。

據相關資料，近年來的百年一遇的幾次強降雨主要有：2004年9月3日～5日（“9.5”洪災），72小時降雨量達467mm，2006年6月30日（“7.8”洪災）12小時最大降雨量達180mm，2007年7月2日～8日（“7.5”洪災）最大日降雨量則達169mm；2010年7月16日17時至18日18時（“7.17”洪災），達川區全區普降暴雨，局部地區過程降雨量達400mm以上。據統計，達縣50年一遇最大日降雨量為158mm、20年一遇最大日降雨量為110mm、10年一遇最大日降雨量為75mm。

1.4.2 水文特征

圖2 達川區多年平均降雨量等值線圖

達川區境內水文網較密集，河流屬長江流域嘉陵江支流的渠江上游的巴河水系和州河水系，鐵山為兩個水系的分水嶺（除鐵山的西南段申家鄉外）。鐵山北西屬巴河水系，鐵山東南屬州河水系。巴河、州河主要沿構造線方向發育，次級河流如明月江、銅缽河則以橫穿構造線方向發育為主，再次一級河流及山溪，以構造線方向和斜交構造線方向發育為主，分布密集，多呈樹枝狀。河流切割一般較深，洪期都具有猛漲速落的動態特征，對地下水的補給、徑流、排泄等有重要影響。

區內地表徑流量與徑流深的年內分配差主要隨降水量變化。最大徑流出現在6～9月，占全年70%左右。1～4月降水量少，基本無形成地表徑流的條件，山區常年性溪流及河流主要靠地下水補給維持其徑流。區內多年平均年徑流深492.5mm，其中北部低山區510mm，中南部平行嶺谷區495mm，西部丘陵區465.5mm。

由于區內降雨豐富，地下水補給、循環條件較好，加之區內各鄉鎮及居民聚居點的生產生活用水主要來源于地表泉水、河流等，人工開采地下水的情況較少，其開采強度一般輕微，對地質災害的影響不大；但在區內各背斜近軸部地帶，分布有煤層，在數十年的煤礦開采中疏排了大量地下水，從而導致了采空型、巖溶型地面塌陷的產生。

1.4.3 主要含水層

1）第四系孔隙潛水含水層。主要分布在塌陷區所處的斜坡地帶，厚度 1～20m，上部主要為坡殘積層，為砂土、碎塊石土，透水性較好，下部為粉砂質粘土，粘土，透水性較差；該層泉流量一般 0.01～0.1L/s，該層只含上層滯水，地下水位隨著季節變化而變化。

2）侏羅系、三疊系裂隙含水層。賦存于侏羅系下統珍珠沖組底部及三疊系上統須家河組第二、四、六段的砂巖中，由大氣降水、孔隙水補給，富水性中等。隨著煤礦的開采，該區地下水水位下降幅度很大，基本已經下降到煤層附近及以下，含水層中的泉點已部分干涸。

3）三疊系裂隙、巖溶溶洞含水層。主要賦存于侏羅系中下統自流井組第三段、三疊系中統雷口坡組、下統嘉陵江組的灰巖中，富水性強，地下水常以裂隙水、巖溶水、及暗河的形式排泄，流量一般在20～700L/s，該層中的地下水一般具有一定的承壓性質，在塌陷區地下水位一般在 1000m左右。該層巖溶現象較為發育，巖溶發育形式由垂向逐步轉變為水平發育為主。溶洞發育規模一般，面積在10～40m3。

1.4.4 相對隔水層

賦存于侏羅系中下統自流井組第一、二段，下統珍珠沖組上部，三疊系上統須家河組第一、三、五、七段中，為泥巖、粉砂質泥巖、煤層等，為相對隔水層。由于該區斷層較為發育，加之有些組段的地層厚度較小，局部可能被下伏灰巖地層的溶洞揭穿，使得上覆含水層和下伏含水層連通。

1.4.5 地下水補給、徑流和排泄條件

該區地下水的補給主要源于大氣降水，除水蒸發，植物蒸騰，人畜利用外，均入滲補給裂隙、巖溶水，入滲方式主要是通過淺部含水層裂隙、斷層、溶隙等直接補給，或經淺谷匯集后通過落水洞、陷落柱等集中點補給進入含水層，部分經層間徑流以泉的形式排泄，或經過垂向徑流補給深部巖溶溶洞含水層，在較遠、較深的地方以巖溶大泉或暗河的形式排出。

2 塌陷區的基本情況及分布特征

2.1 地面塌陷基本情況

區內共查明地面塌陷點51處，主要分布于柳樹灣村一～十社及寨子村一、五、六社及石板鎮金剛村一、二、四社，塌陷多位于居民房屋附近的第四系人工堆積層及坡殘積層上，塌陷點多呈漏斗狀，面積一般560～2175m2，陷落深度一般14～120cm。

區內調查地面開裂100條，廣泛分布于柳樹灣村及寨子村，裂縫多產生于房前曬壩地面，裂縫長2.3～25m，寬0.2～20cm，多數裂縫已回填，裂縫走向大多與斜坡走向一致或角度斜交。

2.2 地面塌陷分布特征

1）地面塌陷點多分布于煤礦及老窯采空區上方。

2）該區地面塌陷點多分布于巖溶發育強烈的純可溶巖及其與非可溶性巖接界的地帶。即自流井組、珍珠沖組與須家河組煤系地層交界處。

3）塌陷點多分布于褶皺構造和斷裂構造帶附近。即各背、向斜的軸部、翹起端、傾伏端及斷層裂隙集中帶。

4）塌陷點多分布于巖溶陷落柱的周圍。

3 地面塌陷的成因分析

3.1 地面塌陷產生的基本條件

通過對大埡地面塌陷的調查分析，認為其為一復合型地面塌陷，其形成與地層巖性、地質構造、人類工程活動及大氣降水密切相關。

1）區內出露地層主要為侏羅系中下統自流井組、下統珍珠沖組，巖性主要為頁巖、砂質泥巖夾粉砂巖、砂巖及灰巖。頁巖、砂質泥巖巖石力學強度較低，分層薄。其次為三疊系上統須家河組，呈線狀分布于區內各背斜的軸部及近軸部，巖性主要為巖屑石英砂巖、夾泥巖、頁巖、炭質頁巖、煤層等。由于須家河組地層含煤層，受采礦采空及疏排地下水影響，常形成大的地表變形，且變形速度快，形成采空塌陷。

2）區內斷層、褶皺的發育是地面塌陷形成的另一重要原因。區內地質構造以褶皺為主，其次為斷層。構造在宏觀上決定了地層的產狀、巖體的破碎程度等。在構造應力集中區，如背、向斜軸部（特別是背斜軸部）、斷層附近巖體較為破碎，各種節理裂隙發育。區內發育有褶皺4條，大大小小斷層50余條，斷層、褶皺的發育使巖體極為破碎，會促使地面變形加快，同時擴大地表變形區。

巖溶陷落柱發育。侏羅系中下統自流井組大安寨段灰巖埋藏較淺，巖溶發育。據《達竹煤電有限責任公司金剛煤礦礦山地質環境影響初步評價報告》，發育于該地面塌陷區的巖溶陷落洞 17個，陷落柱平面形態呈橢圓形、長條形、腰子形，長軸長12～174m，短軸長2～70m。塌陷區內51處塌陷點有35處分布于自流井組地層中，16處分布于珍珠組、新田溝組等地層中（圖3）。

三疊系雷口坡組和嘉陵江組的可溶巖受區域地下水補給和上覆須家河組構造裂隙的滲流補給，繼承古巖溶通道，在深部（侵蝕基準面以下)有條件的地段可形成規模巨大的溶洞。如達川市金剛井田，石油部門的雷一號鉆井，在陷落柱群鉆探，在雷口坡組膏鹽層遇多起溶洞（標高-200m）,鉆孔沖洗液漏失量達8674m3。

3）采礦活動加劇了地面塌陷的形成和發展。區內礦產資源較為豐富，尤以煤炭資源為多。連續數十年的礦產開采及大量疏排地下水，特別是以前小窯亂掘亂采未進行頂板管理，最終導致地面變形、巖溶塌陷、地下水位下降，井泉水干枯，溪溝斷流。采空區上部巖體的變形及放炮震動加速了上覆巖體完整性的破壞，使巖體更加破碎。本區現已發生的地面塌陷多為采空型地面塌陷。

圖3 該區陷落柱剖面示意圖

4）大氣降水是地面塌陷形成的主要外部因素。頁巖、砂質泥巖巖質較軟，大氣降水垂直入滲土體，使土體軟化、飽和、崩解，加速了地面塌陷的形成。在灰巖地區，巖溶較發育，水運移到土層與基巖接觸面，順裂隙、斷層破碎帶及溶洞、溶隙下滲，同時將溶洞、溶隙、裂隙、斷層破碎帶中的充填物帶走而形成空洞，加速地面塌陷的形成。

3.2 地面塌陷的形成機制

研究本區地面塌陷的成因問題比較復雜，僅就初步研討認為：該區地面塌陷主要為采礦和巖溶的雙重作用。

1）采空型地面塌陷。

該區煤礦和老窯眾多，采煤歷史悠久，采空區面積大。各煤層頂板巖性以砂巖及砂質泥巖為主，厚度 8～12m，且有厚層狀砂巖頂板存在，巖石碎漲系數小（1.02～1.10m），采后頂板難以垮落，形成大面積頂板隱患。隨著時間推移，在巨大上覆巖層重力和巖層應力的作用下，產生大面積頂板冒落，且常以切冒形式出現，瞬時波及地表。

2）巖溶型地面塌陷。

由于該區煤礦開采疏干排水，地下水位快速下降，必然減小地下水對上覆土體托力，大氣降水入滲過程中，淺部巖溶水的滲透壓力和流速都將增大。當水力梯度增大到可以使巖溶充填物遷移時，就產生潛蝕作用，使溶洞充填物逐漸被帶走、掏空，形成隱伏土洞。

在自然條件下，由于三疊系須家河組的煤層及其圍巖的存在，淺部（侏羅系自流井組）巖溶充填物基本上不會進入到深部（雷口坡組、嘉陵江組）巖溶中去。但由于采礦形成大面積采空區，使得淺部和深部巖溶的隔離層遭到破壞，淺部巖溶與深部巖溶在部分位置通過巖溶陷落柱直接連通，淺部巖溶的充填物由于重力作用直接進入深部巖溶中，而深部巖溶發育帶地下水活動強烈，暗河發育，不斷將其充填物進行搬運，使得淺部巖溶的充填物不斷進入深部巖溶，從而形成淺層隱伏土洞，隨著土洞規模的不斷擴大，上覆松散體的自重壓力超過其本身的極限強度，地表就發生塌陷。

4 地面塌陷的防治措施

大埡地面塌陷為一復合型地面塌陷，認識其發生條件。掌握其發展規律，對塌陷范圍進行有效預測，并采取一定的措施進行治理，顯得尤為重要，根據上述對地面塌陷的成因分析，提出以下防治措施。

1）加強煤層開采管理，建立科學合理的煤炭開采規劃，建立長遠的開采規劃和采后安排處理工作，保證煤炭開采和保護環境工作協調有序的進行。

2）對塌陷區附近村寨下部及周圍的地下采礦采空區進行回填。一是減少沉降的高度，二是阻斷塌陷區深部隱伏巖溶陷落柱通過采礦坑道和淺部隱伏溶洞的溝通。目前有兩種充填法：邊采邊充填、集中充填。對于區內地表沉陷較嚴重的建筑物、設施、人員等進行搬遷，減少對人類生命財產安全的威脅。

3）對溶洞、陷落柱、空洞、松散狀態的砂巖進行排水注漿。既可充填其溶洞、空洞等，又可膠結松散狀態下的砂巖，還可形成部分水泥漿帷幕，以減少、減緩大氣降水對地下水的補給。

4）植樹造林，減少水土流失，增加土層孔隙的儲水能力。

5 結論

1）通過對大埡地面塌陷的成因分析，初步認為：大埡地面塌陷主要為采礦和巖溶的雙重作用。厚層易溶的膏鹽層是形成巖溶塌陷的物質基礎；褶皺、斷層、構造裂隙與古溶洞是深部地下水循環的通道；大面積的采空區是誘因，加劇了地面塌陷的形成和發展；大氣降水是地面塌陷形成的主要外部因素。

2）防治方法包括：加強煤層開采管理；回填采空區；地面空洞澆注水泥漿；植樹造林等。

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