張亞嬌

(上?？辈煸O(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司，上海 200093)

0 引言

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和對礦產(chǎn)資源需求的不斷增長，金屬礦山開采引起的地表塌陷、沉降、滑坡地質(zhì)災(zāi)害和由此帶來的環(huán)境問題對人民的生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅[1,2]。

本文以銅陵某銅礦區(qū)為例，結(jié)合該礦區(qū)內(nèi)地層、工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件，及本次工程勘探成果，分析了地表塌陷成因。

1 工程概況

2015年2月，銅陵某銅礦區(qū)散戶區(qū)發(fā)生了地面坍塌險(xiǎn)情，塌陷坑直徑約8 m，因塌陷損毀的居民房2間，塌陷面積約80 m2，塌陷坑深度約20 m，受直接影響住戶65戶、人數(shù)136人，無人員傷亡。同時(shí)，塌陷坑及周邊部分居民房屋產(chǎn)生坍塌或裂縫，居住功能喪失，附近道路還出現(xiàn)多處地表裂縫和下沉。

2 地質(zhì)環(huán)境條件

2.1 地形地貌

塌陷區(qū)位于巖溶高丘亞區(qū)。高丘走向北東向，地面坡度20°～50°，標(biāo)高200 m～250 m，相對高差100 m～150 m。塌陷區(qū)微地貌單元有中丘、殘丘、土崗、沖溝谷地，地勢北側(cè)和西北側(cè)低，南側(cè)高。塌陷坑位于南側(cè)中丘山腳下，地形坡度10°～20°，標(biāo)高32 m～40 m。

2.2 地層巖性

2.3 水文地質(zhì)條件

塌陷區(qū)地下水主要是第四系孔隙潛水和基巖裂隙地下水，地下水由大氣降水入滲補(bǔ)給。含水層特征及富水性如下：

1)第四系孔隙含水巖組：分布于地勢低洼地帶，主要由第四系殘坡積物組成，巖性為粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土夾碎石，碎石成分為風(fēng)化石英閃長巖、大理巖。單位涌水量為0.019 L/(s·m)～0.016 5 L/(s·m)，滲透系數(shù)3.93×10-6m/s，富水程度微弱。

2)碳酸鹽巖夾碎屑巖類溶裂隙含水巖組：為三疊系和龍山組(T1h)，巖性為鈣質(zhì)頁巖夾灰?guī)r及灰?guī)r夾鈣質(zhì)頁巖或互層，蝕變后角礫巖夾大理巖、矽卡巖夾角礫巖或互層。單位涌水量2.45 L/(s·m)，滲透系數(shù)1.46×10-5m/s，礦化度0.154 L/g，富水程度弱～中等。

3)巖漿巖類裂隙水含水組：地表地下均有分布，地表及其淺層風(fēng)化強(qiáng)烈，巖石呈砂狀～土狀，含弱的風(fēng)化裂隙水，中深部巖石新鮮完整，裂隙不發(fā)育。單位涌水量 0.11 L/(s·m)，滲透系數(shù)1.50×10-6m/s，富水程度弱，為相對隔水體。

2.4 采礦情況

區(qū)內(nèi)采銅歷史悠久，目前勘查區(qū)東側(cè)和西側(cè)均有銅礦生產(chǎn)區(qū)。其中，東側(cè)礦區(qū)開采歷史較長，早期存在無序開采和采空區(qū)未完全處理等問題，導(dǎo)致該銅礦的采礦范圍內(nèi)(覆蓋本項(xiàng)目的塌陷坑所在區(qū)域)-50 m以淺形成大量采空區(qū)，這些采空區(qū)曾經(jīng)引發(fā)過多次塌陷事故。西側(cè)礦區(qū)開采時(shí)間相對較短，采礦方法主要采用大直徑深孔采礦階段空場嗣后充填采礦法，盤區(qū)沿礦體走向布置，盤區(qū)內(nèi)分礦房礦柱兩步回采。采場垂直礦體走向布置，一步驟回采礦房，礦房空區(qū)采用尾砂膠結(jié)充填；二步驟回采礦柱，礦柱空場采用廢石或全尾砂充填。

3 地表塌陷及變形

3.1 塌陷坑

大塌陷坑直徑約8 m，深度約20 m，塌陷面積約80 m2。起初塌陷坑呈圓柱形，次日塌陷坑周邊土體崩塌，滑落向坑內(nèi)。本次實(shí)測塌陷坑外圍直徑東西向約20.0 m，南北向約20.0 m；內(nèi)側(cè)直徑東西向約9.0 m，南北向約6.0 m，呈不規(guī)則漏斗狀深坑。坑深從北側(cè)地表計(jì)算約3.0 m～5.0 m，坑深從南側(cè)地表計(jì)算約8.0 m～10.0 m，平均深度約4.5 m。估算塌陷總方量約1 430 m3(見圖1)。

3.2 周邊地道路和房屋變形

在大塌陷坑外側(cè)道路開裂，形成2條裂縫，裂縫最大寬度約5 cm，兩裂縫長度約9 m，間距約1 m，高差約0.4 m。根據(jù)66個(gè)路面沉降監(jiān)測點(diǎn)的垂直位移量監(jiān)測值，下沉最大點(diǎn)位移值為-3.00 mm，監(jiān)測點(diǎn)平均垂直位移量為-0.67 mm，平均變化速率-0.003 mm/d。

塌陷坑附近散戶房屋除塌陷損毀外，還有部分房屋因開裂無法居住。根據(jù)對房屋裂縫歷時(shí)半年的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，13個(gè)建(構(gòu))筑物7個(gè)監(jiān)測點(diǎn)無變化，6個(gè)監(jiān)測點(diǎn)變形最大值為0.3 mm，最大變化速率為0.001 7 mm/d，平均變化速率為0.000 4 mm/d(見圖2)。

4 工程勘探成果

4.1 物探成果

針對勘查區(qū)地球物理探測工作，選用了瞬變電磁法、視電阻率電法、充電法和跨孔電磁波CT成像。其中，瞬變電磁法和視電阻率測試探摸出平面異常區(qū)域，跨孔電磁波CT確定地下空洞位置，井中電磁波CT用以確定空洞的展布方向。

瞬變電磁剖面及平面成果推測出的3個(gè)主要低阻異常區(qū)，主要為基巖破碎和裂隙發(fā)展的反映。根據(jù)大塌陷坑底部物探充電法工作，測線一測點(diǎn)電位梯度值為0，解釋該測點(diǎn)與充電點(diǎn)(塌陷中心)為同一等位體，判定為同一空洞異常。后期經(jīng)鉆探驗(yàn)證，確定勘查區(qū)大塌陷坑下部存在空洞。同時(shí)結(jié)合電磁波CT和鉆孔信息，推測塌陷坑下空洞位置埋深約40.0 m，在向西延伸時(shí)與水平方向呈一定角度走形。

4.2 鉆探成果

本次結(jié)合地面裂縫、塌陷坑分布在物探反應(yīng)異常區(qū)共布設(shè)了14個(gè)鉆孔進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)鉆探成果，塌陷區(qū)范圍內(nèi)除表層填土和粉質(zhì)黏土外，以閃長巖和矽卡巖為主，勘探深度內(nèi)巖石風(fēng)化程度強(qiáng)，鉆探取芯呈砂、土狀，極破碎，巖石質(zhì)量差?？辈靺^(qū)地層分布如表1所示。

在鉆探過程中，部分鉆孔出現(xiàn)了埋鉆及漏水嚴(yán)重等現(xiàn)象，同時(shí)在該鉆孔內(nèi)經(jīng)井下攝像證實(shí)有空洞存在，對應(yīng)鉆孔深度35.2 m～35.8 m，空洞下至40.0 m區(qū)間已被碎石、砂礫夾黏性土填充。塌陷坑區(qū)地段以矽卡巖為主，間夾閃長巖，上部基巖(約25.0 m～35.0 m)全強(qiáng)風(fēng)化，下部基巖中～強(qiáng)風(fēng)化(見圖3)。

4.3 工程勘探成果分析

綜上，勘查區(qū)塌陷坑下部存在空洞，根據(jù)塌陷的規(guī)模推斷空洞范圍較大，空洞走向推測為近東西向，由于基巖破碎、裂隙發(fā)育，空洞處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，在重力作用下失穩(wěn)、垮塌，在地表形成塌陷坑及地表裂縫。

5 塌陷成因分析

表1 勘查區(qū)地層分布表

1)塌陷坑分布范圍內(nèi)上覆第四紀(jì)覆蓋層較薄，厚度約5 m～15 m，大塌陷坑塌陷規(guī)模較大、深度深，現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)埋深-10 m～0 m標(biāo)高范圍內(nèi)有空洞(最大深度40 m)，可排除土洞塌陷所致。同時(shí)勘查期間大塌陷坑區(qū)域巖溶不發(fā)育，大塌陷坑區(qū)段鉆探過程中其揭露的和龍山組灰?guī)r受到變質(zhì)作用已矽卡巖化，巖芯未見到溶蝕的溶孔、溶隙和溶洞跡象，亦排除巖溶引起塌陷的可能。

2)結(jié)合本區(qū)銅礦開采歷史，遺留空洞可能性大。同時(shí)結(jié)合本次物探及鉆孔成果，綜合分析認(rèn)為，塌陷坑是采空空洞頂板破壞引起的地面塌陷。

3)本塌陷坑下方空洞上部基本由強(qiáng)風(fēng)化矽卡巖和全風(fēng)化閃長巖組成，巖體破碎、風(fēng)化嚴(yán)重；下部主要是中風(fēng)化矽卡巖，故塌陷坑采空基本上位于強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化矽卡巖(礦化體)中。塌陷區(qū)第四系覆蓋層土層厚度薄，結(jié)構(gòu)松散，利于大氣降水入滲及入滲過程中產(chǎn)生對土體顆粒的潛蝕、掏蝕、搬運(yùn)作用。在地表塌陷形成過程中，地表水、地下水為裂縫的擴(kuò)展、進(jìn)而演化為塌陷坑提供了必要的水動力條件[3,4]。同時(shí)，考慮到本場地破碎的裂隙巖體，周邊礦區(qū)的爆破累計(jì)效應(yīng)也予以考慮。

4)礦山地下開采形成的采空空洞是本次塌陷坑形成的主要因素，而地表水和地下水作用、周邊礦區(qū)爆破可能加速了其地面變形的發(fā)展。

6 結(jié)論與建議

6.1 結(jié)論

1)通過現(xiàn)場工程物探和鉆探證實(shí)，塌陷坑下方存在較大規(guī)模且深度深的空洞，由于基巖破碎、裂隙發(fā)育，空洞處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，極易發(fā)生失穩(wěn)和垮塌。

2)塌陷坑及道路和房屋變形主要由礦山地下開采形成的采空空洞，在地表水、地下水下滲和爆破振動作用，頂板巖土體“劣化—垮落”而形成漸進(jìn)式破壞模式引起的。其中采空空洞的存在是內(nèi)因，地表水、地下水下滲和爆破等外因加速了其地面變形的發(fā)展。

6.2 建議

1)建議對塌陷坑附近以及潛在可能產(chǎn)生地表塌陷區(qū)未搬遷的住戶盡快搬遷、安置。

2)開展本區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評估工作，對塌陷區(qū)災(zāi)情發(fā)展做進(jìn)一步論證，并制定綜合整治方案。

3)建議對勘查區(qū)塌陷坑及潛在可能產(chǎn)生地表塌陷的區(qū)域開展長期的變形監(jiān)測和預(yù)警工作，做好防災(zāi)減災(zāi)應(yīng)急預(yù)案。