湖南省冷水江市梓龍鄉楊新村巖溶地面塌陷成因分析及防治建議

王開朗，黃 秋

（湖南省有色地質勘查局二四七隊，湖南 長沙 410129）

研究區塌陷自上世紀九十年代始發，2001年盛發，2005年開始減弱，至2013年每年仍有零星塌坑出現。影響面積0.23km2，目前仍處于不穩定狀態。研究區周邊居民和工礦企業較為集中，巖溶地面塌陷直接危及39戶200余居民的生命財產安全，同時給附近企業及大量基礎設施造成嚴重威脅[1]。為此，亟需查明研究區巖溶地面塌陷地質災害的形成原因、發展趨勢及范圍，并提出防治建議，為當地政府防災提供技術支撐，以達到防災減災的目的。以往對于巖溶地面塌陷國內外很多學者進行了大量研究[2-5]，本文根據巖溶地面塌陷理論對冷水江市梓龍鄉楊新村發生的巖溶地面塌陷特征進行研究總結外，同時分析了采空區對巖溶地面塌陷的影響。

1 研究區概況

1.1 地形地貌

研究區屬低山溶蝕丘陵地貌，多形成丘壟槽谷地形。部分地段峽谷深切，地勢險峻，域內地層巖性較復雜，斷層褶皺等地質構造發育，降雨集中。地面高程一般在237.8m～452.5m之間，溝谷切割一般深度不大，地面坡度一般20°～35°，草木植物較發育，周邊灌木喬木少量覆蓋。

1.2 地層巖性

研究區內出露的地層巖性較簡單，從新至老主要有：第四系（Q）、石炭系下統梓門橋組（C1z）、和石炭系下統測水組（C1c）。含煤巖系為測水組（C1c），屬一套海陸交互相含煤碎屑沉積建造（圖1）。

圖1 研究區地質簡圖

1.3 地質構造

研究區地質構造主要有毛易向斜、木瓜村～官溪村斷層、合林場～官溪村斷層（圖2）。毛易向斜：軸長約5.5Km，軸向NE，核部地層下統梓門橋組C1z，兩翼地層為下統測水組C1c，下統石磴子組C1s，傾角35°～45°，系含煤構造、含巖溶地下水；研究區整體位于毛易向斜的核部地段。木瓜村-官溪村斷層：走向NE30°，傾向NW，傾角70°，兩盤地層均為石炭系下統梓門橋組C1z、下統測水組C1c，逆斷層；主要出露于研究區北西方向200m～500m。合林場-官溪村斷層：走向NE30°，傾向NW，傾角72°，下盤地層為P1、C1c，上盤地層為C1c，逆斷層。

圖2 研究區構造綱要圖

1.4 水文地質條件

研究區內地下水類型有孔隙水、基巖裂隙水和巖溶裂隙水三類。孔隙水賦存于第四系殘坡積土層中，由于深部煤層開采，導致該層地面變形、下沉，成為長期供給深部含水層的儲水作用，起到臨時含水作用，無統一水位。基巖裂隙水賦存在非可溶巖層中，如石炭系下統測水組（C1c）的石英砂巖，粉砂巖夾煤地層，其補給來源為大氣降水和地表徑流的垂直下滲，含風化裂隙水，雨季可見間歇泉水，流量甚小，干旱干枯；無供水意義。巖溶裂隙水主要賦存在巖溶塌陷區的石炭系下統梓門橋組（C1z）的灰巖中，受礦山開采的影響，埋深較大，地表未見地下巖溶裂隙水出露，據鉆孔淺部注水資料，巖溶稍發育，巖石較完整，單位吸水量（q）0.024L/s.m～0.06L/s.m，單位涌水量（g）＜0.1L/s.m，富水性弱。經水質全分析結果得知：PH值7.06～7.10，總硬度213.63mg/L～244.14mg/L，總礦化度376.69mg/L～424.44mg/L，地下水化學類型為HCO3--SO42-—Ca2+-Mg2+。

研究區內地下水補給源主要為大氣降水和地表水補給。區內雨水充足，多年平均雨量1288.3mm/a、一般降雨量1000mm/a～2000mm/a，最大降雨量2126.9mm/a，因此，大氣降水為主要補給來源，區內梓門橋組灰巖和測水組砂巖出露，灰巖溶洞發育，砂巖裂隙發育；在基巖出露處尤為突出。地表水補給主要位于山區河流、溪流洼地、河流階地。區內地下水動態季節性變化明顯，其水量、水位在枯、豐水期的差值達數十倍以上。通過分析地下水的補給和排泄途徑及方式，影響最大的為通過煤礦的反復強排，導致巖溶水的升降，人工活動愈強烈，影響愈大；其次為氣候影響，長期的干旱天氣使地下水流失，暴雨使地下水水位上升。

1.5 巖溶發育特征

根據研究區巖性特征、地質構造、地下水活動等巖溶發育影響因素的基礎上[6]，結合鉆探、物探及其他收集資料綜合分析；以塌陷坑個數、線巖溶率和見洞率為劃分指標，線巖溶率和見洞率分級值根據研究區平均線巖溶率和見洞率而定。研究區4個鉆孔揭露大量溶孔、溶洞及溶蝕裂隙，其中，3個鉆孔遇溶洞、土洞，鉆孔遇溶洞土洞率高達75%；鉆孔線巖溶率最高16.19%，平均線巖溶率11.74%。高密度電法、淺層地震均反映出研究區內巖溶較發育。根據地面調查、綜合物探成果及鉆探資料分析，研究區巖溶發育。

1.6 人類工程活動

研究區的人類工程活動頻繁，主要表現在開采煤礦、水利工程、農民毀林建房。區內有兩個鄉鎮重點煤礦（更生二礦、富木山二礦），離研究區稍遠的煤礦有東北方向的更生一礦，西南方向的大建煤礦。煤礦開采開采過程中強排地下水，水位急速下降，誘發巖溶地面塌陷。研究區東北向有楊新水庫，西北向有柳溪河，柳溪河的水來自大型水庫-周頭水庫，水庫蓄水和渠道滲漏也是引起災害的重要因素。農民毀林建房，破壞了生態平衡，是造成地面塌陷的主要因素。

2 地面塌陷成因分析

2.1 與地形地貌關系

巖溶地面塌陷主要分布在可溶巖梓門橋（C1z）地層，研究區面積約占1.70km2，地形較平緩，坡度一般在8°～20°，該地形有利于巖溶發育，形成多形態類型溶蝕洼地、溶蝕漏斗、溶洞及溶蝕塌坑等，屬剝蝕一溶蝕低山地貌。

2.2 與巖土體類型關系

地表第四系土層，巖性以粉質粘土為主，厚度0.3m～5.0m，孔隙度較大，呈可塑狀，易吸收大氣降雨補給下伏溶巖水及各類植物生長用水，是人類活動最頻繁的場所，受人類改造與變形；巖體位于第四系土層下，煤礦爆破開采造成煤層上方隔水層砂巖泥巖等產生裂隙、裂縫；也造成巖溶上覆巖土裂隙產生和加大，甚至剝落。

2.3 與地質構造關系

研究區位于毛易向斜的核心地層梓門橋灰巖中，傾角35°～45°，8號逆斷層的東側，受地應力的擠壓，區內巖性破碎，巖溶發育，含中等巖溶地下水，遇礦山深部地下開采時，易引起地面變形等地質災害。

2.4 與水的關系（含大氣降水、地下水）

區域氣候溫暖，雨量充沛，且降雨量全年分配不均，這給巖溶發育、地質災害事件發生創造了良好的水動力條件；大氣降雨以各種不同的方式對地下水進行補給，根據月降雨量多寡分配不同，地下水位升降隨之發生變化，在可溶巖地段，引起對地下土層及溶洞、裂縫中充填的泥土，進行沖刷與掏空，易形成土洞及巖溶中的洞穴的形成。經水質全分析結果得知，區內水質對混凝土具微腐蝕。水質微腐蝕亦在巖溶地區容易形成溶蝕現象，加速了溶洞的形成。

2.5 與人類工程活動關系

研究區內礦業活動極強，分布于區內的煤礦有更生一礦、二礦，第二富木山煤礦，以及大建煤礦紅新井和北平井。目前，大建煤礦紅新井和北平井仍在生產中。根據本次調查工作，區內礦山采礦權范圍部分呈重疊形態，但開采標高各有不同，采礦巷道層層疊加，組合形成了大范圍的采空區。采空區范圍主要分布于楊新村4組-1組-大嶺上-孫家嶺等地區，占研究區總面積約2/3之多。區內的大建煤礦北平井和更生二礦采空區范圍分布最為廣泛，準采標高為+270m～+60m，根據開采巷道井下井上對照可知，采空區頂板最薄處厚度也在100m以上，但由于礦山采空區面積大，且采空區頂板穩定性較差，易產生冒頂工程地質問題，如冒頂規模稍大，引起地面采空塌陷的可能性較高；而本區內分布的塌陷坑和地面變形區部分在采空區范圍外，該類災害應非采空引發的地面塌陷，應與礦坑抽排水等人類工程活動關系密切。

區內礦山在其各允許范圍內不同地下深度布置采礦巷道進行采礦活動，且主采資源為煤礦，而煤層主要賦存于石炭系下統測水組地層中；測水組地層上部梓門橋組地層富含豐富巖溶水，且地層內巖溶發育，隨著區內礦山開采深度的加深，地下水更加集中向礦坑排泄，形成疏干降落漏斗，使得地下水位急劇下降，從而引發地表巖溶塌陷。

據本次調查收集的礦山資料顯示，礦山經多年開采已形成比較穩定的地下水降落漏斗，礦山抽排水引起區域范圍內的地下水位下降，并改變了其區域內地下水徑流方向；其次礦坑排水排出地表流入地表河，從而一定程度上改變了區域地表水的均衡。從區內塌陷坑的分布位置來看，塌陷坑主要出現在地勢低洼的中部，小溪及水庫附近，以及地表水徑流強烈的山前補給地段，而該類地段地表地下水活動強烈，且巖溶發育程度高，有利于巖溶塌陷的形成。

3 巖溶地面塌陷防治

3.1 發展趨勢及范圍

研究區人為地質災害是研究區防范的重點，礦山是引發地面變形的重點防范區，因為煤礦開采賦存于石炭系測水組砂頁中，硬質巖與軟質巖相間互層，在軟質巖地段，暴露地表易被水浸，產生膨脹，礦坑頂及兩邦易脫落或坍崩，嚴重的會引起地表變形下沉開裂；梓門橋組灰巖巖溶較發育，含巖溶地下水，開采隔水‘墻’厚度不夠，簡接或直接連通巖溶地下水涌入礦坑，由于礦山開采長期排放地下水，水位下降，降落漏斗向外延展，疏干范圍逐漸增加，在地下徑流條件良好地段導致地面下沉，形成災害[7-9]。

綜合本區地層巖性、地質構造、物探資料、巖溶發育強度、地下水水動力結構特征、現有巖溶塌陷地質災害發育程度、擾動土層及土洞發育程度及人口密度等因素分析，研究區內地質災害仍呈間歇性繼續發育階段，主要以地面變形及淺層巖溶塌陷為主，地面變形主要以礦山采空區范圍為主加強監測，淺層巖溶塌陷主要以楊新村4、1組-及新屋里等地段需加強監測。

3.2 防治建議

根據研究區塌陷現狀、成因分析、發展趨勢及范圍，對于楊新村4組、大嶺上一帶及新屋里-新屋后一帶人口密集居住區應作為重點防治區，建議進行道路工程、房屋或其它建筑物損壞程度中等以下的進行工程修復；開展應急治理，發現地面塌陷或地裂縫，及時填實；設置警示標志，對處于巖溶塌陷危險性大區內的主要交通干線進行排查，并及時設置醒目的警示標志；嚴禁采礦活動，禁止研究區內礦山大量抽排地下水，破壞區內地下水平衡；設置專業監測儀器，對重點防治區地面沉降現象進行監測；同時群測群防，指定群測群防責任人。對于孫家嶺-楊新村4組、1組及寺山排一帶應作為次重點防治區，建議生產、生活在這一地區的人們應當密切關注，提高安全意識；新建房屋以鋼筋混凝土整體框架為宜；建議對不能種植水稻的農田改種其它耐旱農作物；并進行群測群防，指定群測群防責任人。