廣東某凹陷式開采的礦山誘發地面塌陷研究

許世龍，何宏偉，盧藝開，周子智

（廣東省有色金屬地質局九四〇隊，廣東 清遠 511520）

廣東某地歷史上多次發生地面塌陷，塌陷發生時間段與當地露天礦山的凹陷式開采時間段相符，均發生在與采坑相距較近的耕地之中，造成土地損毀。由于采礦場已關閉十余年，消除了當地引起地下水波動的一個重要因素，至今約10年來亦未出現地面塌陷地質災害，目前整體處于穩定狀態。為判定在礦山關閉后，地面塌陷地質災害的發展趨勢和穩定狀態，采取以物探為主、鉆探為輔的工作方法，對該礦區內的地面塌陷進行調查研究。

1 地質環境條件

1.1 氣象、水文

研究區屬南亞熱帶海洋性季風氣候，雨量充沛，長年溫和濕潤、無霜期長。年平均降雨量在1744.1mm～2623.4mm之間。4～9月降雨量占全年的68%～86%，有明顯的雨季汛期。雨量分布山區多于平原。

研究區所處區域位于北東走向覆蓋型的盆地中，盆地內地表水系不發育，多分布縱橫交錯的人工渠網（見圖1），地下水位埋深較淺，一般0.2m～2m。區內出露巖溶上升泉，泉流量0.3L/s～1.5L/s不等，水質清澈透明，為當地居民生活及灌溉用水。現礦區東南側是原采礦場采坑充水形成的，地表水域面積分別為28856m2、47516m2。該礦區內開采的礦石致密塊狀，局部見條帶狀構造，風化層薄，裂隙不發育，采礦場內采坑積水主要是裂隙滲水，涌水量200m3/d，開采深度為40m～50m，因此推測水深40m～50m。

圖1 研究區范圍圖

1.2 地形地貌

從區域上來看，研究區位于北東走向覆蓋型盆地中，盆地長約10km，寬1km～6km，面積約35km2，盆地四周為低山丘陵地貌，海拔50m～329m，盆地與四周相對高差40m～300m，盆地內地貌類型主要為侵蝕堆積河谷平原，主要由河流的沉積堆積作用形成，為河床面上第一階地，地形平緩，地面標高一般在8m～12m。巖溶盆地東南側，侵蝕構造地形低山陡坡邊緣分布有小面積的河流沉積堆積第二階地，比第一階地高1m～3m，與其成階梯狀接觸。盆地內局部具有剝蝕堆積地形特征，地形上表現為低矮的丘陵，分水嶺非常不明顯，山頂光禿，圓包狀，山脊寬10m～50m不等，山頂一般等高，地形多呈腎狀或橢圓形，互不連接，組成微波狀起伏丘陵地形，坡度一般5°～20°，一般均為微凸形，如龜背狀，殘坡積覆蓋層較厚，厚1m～5m不等。

1.3 地層巖性

1.3.1 石炭系下統石磴子組（C1ds）

白云質灰巖、含炭質灰巖、白云巖，廣泛分布，局部出露于地表，大部分隱伏于第四系之下，呈淺灰色、深灰色、灰黑色，隱晶質結構，厚層狀構造，實測巖層產狀90°～110°∠15°～45°，裂面較干凈，有少量鐵質浸染，發育網狀方解石細脈，脈寬0.1cm～0.3cm，巖質脆硬，局部可見溶蝕現象，次生方解石脈較發育，呈乳白色不規則網狀穿插。

1.3.2 石炭系下統測水組（C1dc）

以灰色為主的雜色砂頁巖夾薄層炭質頁巖及劣質無煙煤，零星出露于研究區北西側及東側，地貌上表現為低矮的殘丘，上部已風化為殘積土，下部強—中風化層厚1m～20m不等，巖層節理裂隙發育，巖石較破碎，多被節理切割成塊狀，并受到強烈的風化作用成為半巖半土狀，巖質較軟，手折易斷。

1.3.3 第四系陸相河流第一階地沖積層（Qdal）

分布廣泛，土質較均一，該層主要由淺黃色、淺褐紅色粉質黏土組成，局部夾有粉砂、中粗（礫）砂，該層厚度變化較大，揭露厚度為2.80m～9.20m不等，平均5.49m。在水田區該層表部通常被改造成厚10cm～25cm的耕植土層，在居民區該層表部覆蓋有雜填土及素填土。

1.4 地質構造

研究區斷裂構造不發育，但其位于向斜之中，向斜中石炭統灰巖組成穩定的含水層組，砂頁巖為隔水邊界，構成一水量中等的覆蓋型巖溶盆地，盆地四周為低山丘陵，盆地與四周相對高差40m～300m，匯水條件較好，有利于地下水的富集，調查發現盆地內的上升泉群，流量可達19L/s。

1.5 水文地質

研究區內地下水按賦存介質的不同可劃分為松散巖類孔隙水、層狀巖類裂隙水及碳酸鹽巖類裂隙溶洞水（巖溶水）三類。其基本特征如下。

1.5.1 松散巖類孔隙水

研究區普遍分布，該類型地下水主要賦存在第四系松散沉積物的顆粒之間。分布于研究區沖積平原沖積物中，埋藏深度不大，受大氣降雨或地表水的補給，局部接受巖溶水的補給，分布不均一，且含水量小，通過孔隙向溝谷排泄或滲入基巖中，屬孔隙潛水性質，含水巖組主要由淺黃色、淺褐紅色粉質黏土組成，局部夾有粉砂、中粗（礫）砂，由于粉質黏土其孔隙細小，不利于地下水的賦存與運移，富水性及透水性均較差，屬水量貧乏的含水層或相對隔水層。根據鉆探揭露，第四系松散巖類含水層中測定的穩定地下水位埋深為0.4m～1.4m。

1.5.2 層狀巖類裂隙水

主要分布于研究區北西側及東側，含水巖組為石炭系測水組碎屑巖，主要為以灰色為主的雜色砂頁巖，節理及風化裂隙發育，形成風化裂隙潛水含水層，地下水賦存于節理裂隙帶中，水位埋深隨地形變化較大，富水性貧乏。

1.5.3 碳酸鹽巖類裂隙溶洞水

研究區裂隙溶洞水含水層為石炭系灰巖、白云質灰巖，主要隱伏于第四系地層之下，埋深較淺，區內碳酸鹽巖巖面埋深一般＜20m，在研究區所有鉆孔均有揭露。按含水層出露和埋藏情況，研究區為淺覆蓋型巖溶盆地，以覆蓋型巖溶區為主，局部為埋藏型。巖溶水主要賦存于碳酸鹽巖的巖溶裂隙與溶洞中，大泉流量19.164L/s～50L/s，富水性中等。一般情況下，淺部（埋深30m以淺）巖溶較發育，多為充填或半充填。

1.6 人類工程活動

研究區所處盆地人類工程活動活躍，但影響地面塌陷的人類工程活動主要為礦山開采及抽排地下水。

2 發育特征

根據本區的物探推斷其發育范圍及鉆孔揭露發育情況做以下特征分析：

（1）高密度電阻率測深法推斷的解釋斷面及不良地質體平面分布解釋基本反映了本區巖溶發育形態及規模。研究區其中等發育，主要表現為蜂窩型或溶隙型，亦有大規模發育帶，巖溶分布相對分散；

（2）研究區巖性略有差別，不同部位的巖溶發育強度不同，可溶巖中CaO/MgO比值大，雜質含量少，方解石成分含量多，白云石成分含量少的灰巖巖溶發育較強；

（3）巖面附近至巖面下15m范圍以內巖溶最發育，以充填—半充填溶洞為主；深度15m～30m發育半充填溶洞；深度超過30m巖溶局部發育，以小型溶洞和溶蝕裂隙為主；

（4）從鉆孔揭露的溶洞充填物看，個別溶洞底部會發現有一層結構致密的鈣質沉積物，上部為碎石、礫（粗）砂及黏土，說明新時期形成的溶洞充填物在古巖溶時期的沉積物基礎上迭加、充填、交替。

3 巖溶地面塌陷分布及發育特征

研究區已發巖溶地面塌陷共10處（見圖1），塌陷發生距今已有15～20年時間，均發生于采坑附近，陷坑以單體和群體形式出現，部分塌陷坑已回填，塌陷規模均為小型，未造成人員傷亡。

從地面塌陷的時期來劃分，均為新（現代）塌陷，平面形態多為近橢圓形，剖面形態多呈碟狀、漏斗及壇狀；采坑周邊塌陷單坑及群坑分布位置共10處，塌陷均為土層塌陷，塌陷層位為河流沖積層，屬土洞型塌陷，陷坑長軸長一般為4m～12m，陷坑軸向多為北西向，坑口規模一般為4m2～66m2，最大為66m2，塌陷影響范圍面積約0.01km2（＜0.1km2），規模為小型。

塌陷的分布受巖溶發育規律、發育程度的制約，同時，與地質構造、地形地貌、土層厚度等有關。研究區的地面塌陷主要發育規律為：

（1）塌陷分布區土層薄：研究區覆蓋層厚度一般為2.80m～9.20m不等，而塌陷均發生于土層當中；

（2）塌陷分布區地下水位埋深淺：區內地下水位埋深一般為0.2m～2m，基本上位于土層當中；

（3）塌陷均分布于凹陷開采石灰巖采坑周圍：塌陷點與臨近積水采坑中心相距115m～400m，平均241m，其中115m～250m距離段共發生塌陷7處，250m～400m距離段共發生塌陷3處。越靠近采坑中心，塌陷坑的數量與規模均呈上升趨勢；

（4）塌陷發生時間段與礦山開采時間段吻合：區內采石場自1998年開始對礦區范圍內石灰巖進行大規模開采，開采期間礦坑大量抽排地下水，導致周邊陸續發生地面塌陷。

4 巖溶地面塌陷形成機制

研究區巖溶地面塌陷的發生是在諸多因素的影響下形成的，包括自然因素及人為因素。具體包括以下幾個方面：

（1）地層巖性

研究區內可溶性巖石主要為石炭系石磴子組（C1ds）白云質灰巖、含炭質灰巖。根據對鉆探揭露的成果分析：鉆孔見洞隙率44.4%，鉆孔線巖溶率2.3%～14.1%，平均7.3%。區內巖溶發育中等。通過鉆探揭露，巖面溶蝕明顯，往往形成較多的溶隙，有利于地下水的流通，易形成溶洞或溶溝。當上覆蓋層為粉質粘土層時易被潛蝕，易發生地面塌陷。區內的石炭系石磴子組灰巖，是巖溶發育的物質基礎，是地面塌陷形成的基本條件之一。

（2）地質構造

研究區所處向斜核部較為平緩開闊，巖溶發育分布也較為廣泛，其坳陷深度較淺，可溶巖埋深小于侵蝕基準面，巖性主要為石炭系白云質灰巖，經地表調查及鉆探揭露，該巖性層巖溶不甚發育，但由于塌陷分布區所處構造部位為地下水強烈活動的場所，受外界擾動（如抽排水）易引起地下水的劇烈波動，促使覆蓋層中土體發生潛蝕作用破壞而流失。

（3）地形地貌

從區域地貌看，研究區位于巖溶盆地內，地勢低平，有利于地表水向盆地匯集及地下水的補給，由丘陵低山區東面和南面匯聚的基巖裂隙水由丘陵邊緣進入中部與松散層孔隙水和巖溶水匯集后向西部徑流，在地下水侵蝕作用下碳酸鹽巖緩慢溶解形成巖溶通道。

（4）地下水埋深

研究區地下水位埋藏淺，一般小于2m，基本上位于土層當中，且覆蓋層厚度薄，一般2.80m～9.20m不等，塌陷為土層塌陷，土體主要由粉質黏土組成，粉質黏土與下伏碳酸鹽巖直接接觸。覆蓋層薄，地下水潛蝕路徑短，土洞擴展到地面的時間短，較難達到應力平衡，易發生塌陷。

（5）發育程度

經物探調查有巖溶異常反映，鉆探亦揭露厚度不一的災害現象出現，且據1999年對兩個礦山的儲量簡測報告表明，礦山開采至-5m標高時發現灰巖風化層薄，風化裂隙不發育，也未發現溶洞，綜合上述資料表明隱伏區巖溶發育特征為灰巖面以溶溝、溶槽為主，灰巖內以溶隙、溶孔為主，溶洞次之，總體上研究區中等發育。

（6）采礦場礦坑抽排地下水

研究區周邊礦山開采的礦石抽排地下水，導致地下水水位劇烈波動是造成地面塌陷地質災害的直接誘因[1-3]。礦山開采期間礦坑大量抽排地下水，引起周邊區域地下水位下降，形成以礦坑為中心的地下水漏斗，最終導致周邊陸續發生地面塌陷。礦山關閉后，采坑充水后，周邊地下水位最近10年來都處于穩定狀態，未發生地面塌陷。

通過對該區地面塌陷的成因進行綜合分析，認為潛蝕致塌模式為本區巖溶地面塌陷發生最主要的致塌模式[4，5]。采石場礦坑強烈的抽排水使地下水位快速下降，水力坡度加大，水流速度加快，水流潛蝕、搬運作用加強，同時上覆土體在地下水的浸泡作用下，力學強度大為降低，水流沖擊后逐漸將土層顆粒帶走而形成土洞，水流的長期潛蝕作用導致土洞不斷擴展，最終破壞上覆土體原有臨界狀態或基本穩定狀態而塌陷（圖2）。

圖2 淺覆蓋型地面塌陷形成過程

5 地面塌陷發展趨勢預測

目前，石場關閉后停止了地下水的大量抽取，排除了干擾地下水的人為因素，地下水環境得到恢復，地下水環境處于相對穩定狀態，在沒有開采地下水的自然條件下，引發地面塌陷的可能性小，危害性小，但引發巖溶地面塌陷的自然因素在長期的自然演化過程中，某一時刻影響因素自然突變，地下水位劇烈波動也可能引發地面塌陷。

6 結論及建議

綜上所述，研究區地面塌陷是內外因素共同作用的結果，礦山開采抽排地下水加速了地面塌陷的發展，是形成地面塌陷的主要引發因素。

礦山關閉后，采坑內積水，周邊地下水位處于平衡狀態，地面基本穩定。通過對該區地面塌陷形成機制的分析研究，提出以下幾點防治措施建議：①采礦場內及周邊嚴禁大量抽排地下水；②礦區內布置少量監測點，加強地下水位動態監測；③當地村民新建、改建房屋建議做好巖土工程勘察工作；④加強研究區地面塌陷地質災害的巡查、監測及群測群防工作。