舒順平，舒仲?gòu)?qiáng)

（江西有色地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)院，江西 南昌 330001）

0 引 言

江西省因礦山開(kāi)采誘發(fā)的地面沉降變形現(xiàn)象較多，目前地面沉降總面積約135.44 km2，主要分布在萍鄉(xiāng)、樂(lè)平、豐城、高安、新余及九瑞成礦帶等圍巖灰?guī)r礦區(qū)，多數(shù)由礦坑抽排水誘發(fā)，開(kāi)采礦種主要為煤、銅、鎢礦。其中煤礦地面塌陷具可預(yù)測(cè)性，金屬礦山地面塌陷可預(yù)測(cè)性差。

江西省樂(lè)華錳鉛鋅礦位于樂(lè)平巖溶塌陷易發(fā)區(qū)，是華東唯一大型錳礦床，礦區(qū)資源豐富，找礦潛力大。由于受地質(zhì)環(huán)境條件的制約，早期錳礦地質(zhì)勘探抽水試驗(yàn)工作中，造成不同程度地地面開(kāi)裂、塌陷，影響眾埠街、方家等一帶居民財(cái)產(chǎn)安全，一直未能將資源優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)換為經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

研究開(kāi)展了深邊部找礦工作，勘查取得了重大突破，在錳礦層底部發(fā)現(xiàn)大中型鉛鋅礦床[1]。根據(jù)礦區(qū)復(fù)雜的水文、環(huán)境地質(zhì)條件，本文著重針對(duì)礦山建設(shè)開(kāi)發(fā)過(guò)程中易引起的地面巖溶塌陷問(wèn)題進(jìn)行研究，對(duì)其易發(fā)性進(jìn)行分區(qū)，進(jìn)而提出防治建議。

1 礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件

1.1 自然地理?xiàng)l件

江西樂(lè)華礦田位于江西省重要的有色貴金屬成礦帶。該區(qū)為低山丘陵侵蝕地貌，礦區(qū)四周為低山環(huán)抱，中央為低平的盆地地形，礦區(qū)位于盆地西側(cè)，地表水系發(fā)育，較大的河流有福泉河。

1.2 地質(zhì)概況

礦區(qū)地層出露有新元古界雙橋山群千枚巖、石炭系上統(tǒng)黃龍組灰?guī)r和三疊系安源組砂礫巖，山間盆地分布有厚層沖積粉砂質(zhì)黏土。雙橋山群千枚巖出露于礦區(qū)西側(cè)低山區(qū)，為錳礦的直接底板和鉛鋅礦的圍巖。中石炭系黃龍組灰?guī)r不整合于千枚巖之上，為錳礦的直接頂板，灰?guī)r之上覆蓋三疊系砂礫巖及第四系沖積粉砂質(zhì)黏土。

礦區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育，構(gòu)造上處于劉家塢向斜的西翼，主要發(fā)育NEE、NW向2組斷裂。礦區(qū)地質(zhì)概況見(jiàn)圖1。

1.3 水文地質(zhì)條件

礦區(qū)地下水類型有變質(zhì)巖裂隙水、碎屑巖裂隙水、碳酸鹽巖溶水和松散巖孔隙水，水位埋深1～6m。中石炭系黃龍組灰?guī)r是礦區(qū)主要含水層，含豐富的巖溶水。垂向上標(biāo)高-250 m上含豐富的巖溶水，標(biāo)高-250 m以下含溶蝕裂隙水。

礦區(qū)構(gòu)造富含構(gòu)造裂隙水，透水性強(qiáng)，在構(gòu)造有利部位巖溶發(fā)育，有可能形成大的溶洞與暗河。

礦區(qū)為正地形的構(gòu)造盆地，東南側(cè)裸露灰?guī)r直接受大氣降水補(bǔ)給，成為盆地地下水主要補(bǔ)給區(qū)段。巖溶化的灰?guī)r體既是地下水儲(chǔ)存場(chǎng)地，也是地下水運(yùn)動(dòng)的通道。礦區(qū)東部方家泉塘是該礦區(qū)地下水最主要的排泄通道，其位置決定了地下水的基本流向，西南部山區(qū)向北東流。

圖1 礦田地質(zhì)略圖Fig.1 Mine geological map

1.4 巖土工程地質(zhì)條件

從上至下，有第四系松散巖、堅(jiān)硬的碎屑巖、堅(jiān)硬的可溶鹽巖和半堅(jiān)硬的變質(zhì)巖，見(jiàn)圖2。

圖2 地質(zhì)剖面圖Fig.2 Geological profile map

第四系松散巖有沖積粉砂質(zhì)黏土，厚度5～15 m，受地形的影響，表現(xiàn)為礦區(qū)或盆地中心部位薄、兩端漸厚的分布態(tài)勢(shì)，具孔隙較大、天然含水率高、壓縮性較大、抗剪切強(qiáng)度低等特點(diǎn)。

堅(jiān)硬的碎屑巖有上三疊系的砂礫巖，厚度15～50 m，以礦區(qū)中心部位厚度最小，巖性較致密，力學(xué)強(qiáng)度較高，透水性較差，為下伏灰?guī)r含水層的相對(duì)隔水頂板。

堅(jiān)硬的可溶鹽為中石炭系黃龍組灰?guī)r，厚度一般自西向東、自北而南逐漸增大，垂直分布有一定的規(guī)律，據(jù)勘查鉆孔統(tǒng)計(jì)其標(biāo)高+15 m～-100 m巖溶率一般大于20%，為巖溶強(qiáng)烈發(fā)育帶；強(qiáng)烈發(fā)育帶的邊部為巖溶發(fā)育帶，巖溶率一般為10%～20%；-100 m～-250m巖溶率為0%～10%，為巖溶弱發(fā)育帶；-250m以下為巖溶不發(fā)育帶。產(chǎn)狀受變質(zhì)巖基底的控制，走向近南北向，傾向東，傾角西部平緩，一般為5°～35°，中部急陡至 55°～70°，再向東變緩，一般為 5°～35°。

半堅(jiān)硬的變質(zhì)巖為雙橋山群千枚巖，據(jù)最新鉆孔資料，巖性較致密堅(jiān)硬，RQD值一般為75%，巖體較完整，為灰?guī)r含水層的隔水底板，也是錳礦體的直接底板及鉛鋅礦圍巖。

2 地面塌陷的分布及形成條件分析

2.1 塌陷現(xiàn)狀

早期抽水試驗(yàn)過(guò)程中造成較嚴(yán)重的地面塌陷。先后產(chǎn)生塌陷91處，距抽水點(diǎn)最遠(yuǎn)的塌洞3.2 km，塌陷有一定的規(guī)律。

2.1.1 空間分布

由圖1可與看出，這些塌陷和開(kāi)裂相對(duì)較集中，根據(jù)野外探勘和地質(zhì)資料顯示，這些塌陷具有一定的規(guī)律和方向性。

（1）灰?guī)r與千枚巖接觸帶，地下水運(yùn)移受阻有可能加劇了可溶灰?guī)r的溶蝕，如眾埠街西側(cè)的塌陷及大鐵山東北角尾砂壩的塌陷均屬于此類（見(jiàn)圖1）。

（2）沿構(gòu)造破碎帶而產(chǎn)生的長(zhǎng)而寬的地表開(kāi)裂，主要有三個(gè)典型的線性塌陷帶：眾埠街-方家塌陷帶和圖1中的F1展布方向基本吻合，共有塌洞49個(gè),疏干過(guò)程中眾埠街見(jiàn)1條長(zhǎng)10 m，寬0.2 m的裂隙，方家附近產(chǎn)生連續(xù)的NW向線狀分布的塌陷、F3斷裂控制的NW塌陷帶、NEE塌陷帶和F2展布方向基本吻合。

（3）漏斗范圍內(nèi)的巖溶發(fā)育地段：如礦區(qū)中心部位，該方向上2～3 km的地方產(chǎn)生幾十個(gè)塌陷坑，距礦區(qū)南2 km方向?yàn)楸緟^(qū)塌陷最多的地方，此處地勢(shì)低洼，蓋層薄且疏松，又是地下水補(bǔ)給的方向，故易于產(chǎn)生塌陷。

（4）斷裂復(fù)合部位易產(chǎn)生塌陷，分析主要原因是不同構(gòu)造通道方向地下水流場(chǎng)作用形成的溶蝕較強(qiáng)，當(dāng)?shù)叵滤唤抵练凵百|(zhì)黏土層以下易產(chǎn)生壓力差，產(chǎn)生塌陷。

2.1.2 時(shí)間關(guān)系

地面塌陷多發(fā)生在地下水降落漏斗的初期。據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，從放水試驗(yàn)第10天開(kāi)始，沿北西向的構(gòu)造開(kāi)始出現(xiàn)地面裂縫，先在離井口較近的部位出現(xiàn)塌陷，隨著時(shí)間的推進(jìn)，在斷裂交匯部位及較早期的裂隙發(fā)展成地面塌陷，一段時(shí)間后塌陷趨于穩(wěn)定。試驗(yàn)結(jié)束的次年在南東方向的方家再次發(fā)生4處塌陷，現(xiàn)今都處于穩(wěn)定狀態(tài)。初步認(rèn)為是由于西部第四系黏土層厚度相對(duì)薄弱，又是地下水的主要排泄點(diǎn)，枯水期地下水位降低后，早期松動(dòng)的粉砂質(zhì)黏土層再次出現(xiàn)壓力差，故誘發(fā)了地面塌陷。

2.2 地面塌陷形成條件分析

前人對(duì)樂(lè)華錳鉛鋅礦田地面塌陷的影響因素及形成機(jī)理的研究表明，巖溶地面塌陷的形成是受多種因素共同作用的結(jié)果。結(jié)合本文所提出的研究區(qū)內(nèi)塌陷分布規(guī)律，我們認(rèn)為礦田地面塌陷可能受構(gòu)造控制，和巖土體結(jié)構(gòu)、地下水具有密切關(guān)系。

（1）地面塌陷具一定的線形分布規(guī)律，三個(gè)主要塌陷帶分別和礦區(qū)主要三條斷裂構(gòu)造方向基本一致，占塌陷的79%。主要原因是斷裂構(gòu)造導(dǎo)水性強(qiáng)，且水位變化幅度大，滲透潛蝕作用加強(qiáng)，構(gòu)造部位巖溶發(fā)育，有可能存在大的溶洞與暗河。故分析認(rèn)為構(gòu)造部位地下水下降較快，具備產(chǎn)生塌陷的壓力差條件，地面易產(chǎn)生塌陷。

據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，陡傾角、規(guī)模大的構(gòu)造塌陷強(qiáng)度大，關(guān)系列表1。

表1 構(gòu)造與塌陷強(qiáng)度關(guān)系Tab.1 The relationship between structure and collapses strength

（2）從與巖土體結(jié)構(gòu)、厚度分析，易產(chǎn)生地面塌陷。地面塌陷多分布于礦區(qū)的中心部位，占塌陷總數(shù)的60%以上。據(jù)數(shù)據(jù)分析，地面塌陷強(qiáng)度與砂礫巖厚度呈反比，同時(shí)與第四系黏土層厚度呈反比，相互關(guān)系見(jiàn)圖3。

主要原因：砂礫巖隔水層不穩(wěn)定，厚度小，隔水效果一般，該地段在大幅度水位變化時(shí)，垂向滲透潛蝕作用加強(qiáng)，灰?guī)r溶蝕較強(qiáng)，上部松散土體具備產(chǎn)生塌陷的壓力差條件，易產(chǎn)生地面塌陷。第四系含孔隙水，抽排地下水時(shí)，土層的托浮力減小，另地下水的潛蝕及下部真空的吸引力，土層下部逐漸脫落或掏空，較薄層處的第四系先出現(xiàn)變形塌陷。

灰?guī)r與千枚巖接觸部位，該地段由于地下水遇到相對(duì)隔水的千枚巖時(shí)運(yùn)移受阻，有可能加劇了可溶灰?guī)r的溶蝕，局部形成了強(qiáng)巖溶發(fā)育地段，為巖溶地面塌陷的發(fā)生發(fā)展提供了前提條件，在大幅度水位變化時(shí)，上部松散土體層厚度小，強(qiáng)度低，易產(chǎn)生地面塌陷。

圖3 塌陷強(qiáng)度與巖土體結(jié)構(gòu)關(guān)系Fig.3 The relationship between collapses strength and rock and soil structure

（3）礦區(qū)地下水位變化可能誘發(fā)巖溶地面塌陷。強(qiáng)排水是礦區(qū)地面塌陷的直接誘發(fā)因素，但不是決定因素，因?yàn)樵谕Ｖ钩樗囼?yàn)一年內(nèi)，方家一線仍然出現(xiàn)4個(gè)塌陷，分析認(rèn)為此時(shí)早先土洞壓力與地表壓力達(dá)到平衡，隨著一定時(shí)間地下水位的變幅，土洞壓力再次失去平衡從而發(fā)生塌陷。通常認(rèn)為地下水位下降到基巖面以下，可能會(huì)導(dǎo)致巖溶地面塌陷。

礦區(qū)構(gòu)造為強(qiáng)導(dǎo)水構(gòu)造，強(qiáng)排水過(guò)程中易快速形成局部降落漏斗，水力坡降大，滲透潛蝕作用加強(qiáng)，上部松散土體失去了水的浮托力，易產(chǎn)生地面塌陷。

分析塌陷發(fā)生的時(shí)間，豐水期向枯水期變化季節(jié)，地下水變幅較大，垂向滲透潛蝕作用有可能誘發(fā)地面塌陷。

3 地面塌陷易發(fā)性評(píng)估

3.1 易發(fā)性評(píng)價(jià)指標(biāo)因素

早期抽水試驗(yàn)，礦區(qū)周邊出現(xiàn)了地表開(kāi)裂及地面塌陷等現(xiàn)象，尤以礦區(qū)中部至東南方向最甚。分析認(rèn)為形成地面塌陷因素多，塌陷易發(fā)主要控制因素見(jiàn)表2。

表2 地面塌陷易發(fā)性評(píng)估指標(biāo)Tab.2 Evaluation index of collapse vulnerability

3.2 易發(fā)性評(píng)價(jià)量化指標(biāo)

礦區(qū)形成地面塌陷因素多，各種因素相互影響，關(guān)系復(fù)雜，據(jù)抽水試驗(yàn)形成的塌陷現(xiàn)狀，結(jié)合地質(zhì)環(huán)境條件及將來(lái)采礦活動(dòng)，按表3進(jìn)行綜合賦值。

表3 地面塌陷易發(fā)性評(píng)估分級(jí)表Tab.3 Evaluation grade form of collapse vulnerability

3.3 綜合評(píng)價(jià)及分區(qū)

設(shè)定各影響因子權(quán)重一致，綜合考慮塌陷強(qiáng)度及敏感性因素，將礦區(qū)開(kāi)采影響范圍各項(xiàng)因子得分相加為綜合分值。采用地理信息系統(tǒng)（GIS）進(jìn)行空間分析疊加，得分范圍0～3分為地面塌陷少易發(fā)區(qū)，4～8分為地面塌陷中等易發(fā)區(qū)，9～18分為地面塌陷易發(fā)區(qū)。

通過(guò)計(jì)算，樂(lè)華礦田除基巖外，預(yù)測(cè)塌陷易發(fā)區(qū)面積約8 km2，危險(xiǎn)性大；中等易發(fā)區(qū)面積約18 km2，危險(xiǎn)性較大；其他為不易發(fā)區(qū)，見(jiàn)圖4。

圖4 礦區(qū)塌陷易發(fā)分區(qū)圖Fig.4 Collapses susceptibility zonation map

4 防治措施

礦區(qū)水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)條件復(fù)雜，應(yīng)本著預(yù)防為主，防治結(jié)合，綜合治理的原則。針對(duì)構(gòu)造、巖土層、地下水位的變化實(shí)施的防治工程措施既要因地制宜，又要大膽創(chuàng)新，采用新術(shù)方法，提高防治工程的技術(shù)水平。

（1）未來(lái)礦山生產(chǎn)強(qiáng)力疏干，在降落漏斗的范圍內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一些沉降塌陷。建議將易發(fā)區(qū)范圍的居民搬遷避讓或?qū)ㄖ锘A(chǔ)進(jìn)行加固，礦山建設(shè)采用不均勻沉降的剛性圈梁，以保證建筑物的穩(wěn)定安全。

（2）采用超前鉆探測(cè)地下水體或暗河，選擇合理巷道施工方案，對(duì)于突水點(diǎn)，應(yīng)采用封堵突水點(diǎn)，并安設(shè)帶閘門導(dǎo)管，化突水為人工控制放水，防止誘發(fā)的快速地面塌陷。

（3）采用大型帷幕注漿工程既可以治理水害保護(hù)地下水資源，又可以減輕巖溶塌陷。選擇物探方法進(jìn)一步查明礦區(qū)斷裂、松散層厚度和巖溶發(fā)育情況，對(duì)主要導(dǎo)水?dāng)嗔炎{防滲，強(qiáng)巖溶發(fā)育地段，選擇較狹窄的過(guò)水?dāng)嗝?，設(shè)置灌漿帷幕截?cái)嗟叵滤瓤蓽p少疏排水量，又可把疏干降落漏斗限制在小范圍內(nèi)，避免或減少大范圍的塌陷。該方法在濟(jì)南張馬屯鐵礦、肥城礦務(wù)局陶陽(yáng)煤礦等礦區(qū)得到了成功應(yīng)用[8]。

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)礦區(qū)地面塌陷地質(zhì)資料的統(tǒng)計(jì)與分析，進(jìn)行了地面塌陷預(yù)測(cè)評(píng)估，提出了防治或減輕地面塌陷的危害措施。

（1）礦區(qū)地面塌陷呈線性分布，與構(gòu)造、巖土體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，強(qiáng)排水是直接誘發(fā)因素，地面塌陷多發(fā)生在漏斗形成的初期。

（2）據(jù)塌陷強(qiáng)度及敏感性分析，預(yù)測(cè)塌陷易發(fā)區(qū)面積約8 km2，危險(xiǎn)性大，應(yīng)加強(qiáng)預(yù)防。

（3）礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件復(fù)雜，合理選擇止水及灌漿帷幕方法，同時(shí)加強(qiáng)管理及變形監(jiān)測(cè)，有利于盡快轉(zhuǎn)資源優(yōu)勢(shì)變?yōu)榻?jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展。

[1] 段 梅.廣東珠海-坦洲地區(qū)地面沉降風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J]．中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2017，28（2）：69-76．DUAN Mei.Land subsidence risk assessment in Guangdong Zhuhai Tanzhou area [J].The Chinese Journal of Geological Hazard and Control，2017，28（2）：69-76．

[2] 袁 杰，高宗軍，馬海會(huì).論巖溶地下水位對(duì)巖溶塌陷形成的控制作用——以山東棗莊市巖溶地面塌陷區(qū)為例[J].中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2010，21（4）：95-98.YUAN Jie，GAO Zongjun，MA Haihui.Discuss on controlling and forming mechanism of Zaozhuang karst collapse[J].The Chinese Journal of Geological Hazard and Control，2010，21（4）：95-98．

[3] 顏 春．江西礦山開(kāi)發(fā)中的主要環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題及防治建議對(duì)策[J]．江西地質(zhì)，2015，16（1）：43-48．YAN Chun.Main environmental geological problems and countermeasures in Jiangxi mine development[J].Jiangxi Geology，2015，16（1）：43-48．

[4] 舒順平．江西樂(lè)華錳礦地面塌陷與構(gòu)造關(guān)系[J]．中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2004，15（3）：144-146．SHU Shunping.The relationship between land subsidence and structure in lohua manganese mine，Jiangxi [J].The Chinese Journal of Geological Hazard and Control，2004，15（3）：144-146．

[5] 高宗軍.巖溶地面塌陷形成機(jī)理與成因模式研究-以山東泰安為例[J]．中國(guó)工程科學(xué)，2008（4）：38-43．GAO Zongjun.Study on the mechanism and cause mode of the Karst collapse：taking Tai'an-Laiwu for exampleJ].Engineering Science，2008（4）：38-43．

[6] 郭新華.基于礦山工程特點(diǎn)的地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估[J]．中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2006，17（1）：112-118．GUO Xinhua.Risk assessment of geological hazards based on mine engineering characteristics[J].The Chinese Journal of Geological Hazard and Control，2006，17（1）：112-118．

[7] 劉運(yùn)江，吳子益.江西省樂(lè)平縣眾埠街錳鉛鋅礦花亭區(qū)段水文地質(zhì)中間性報(bào)告[R]．江西冶金地質(zhì)勘探公司十一隊(duì)，1975.

[8] 孫 波.濟(jì)南張馬屯鐵礦帷幕注漿堵水工程簡(jiǎn)介[J]．山東國(guó)土資源，2005，21（6）：89-91.SUN Bo.Introduction to curtain grouting and exclusion of water engineeer of Zhangmatun iron deposit in Jinan city[J]．Land and Resources in Shangdong Province，2005，21（6）：89-91.