许昌武庄铁矿区地面塌陷形成机理研究

2014-03-01高志俭梁坤祥谢山立袁广祥

地质灾害与环境保护 2014年4期

高志俭，梁坤祥，谢山立，袁广祥

（1河南省地矿建设工程（集团）有限公司，郑州 450007；2华北水利水电大学，郑州 450011）

1 引言

地面塌陷是一种突发性地质灾害，分为岩溶塌陷、采空塌陷及黄土湿陷三种类型［1]。近年来随着国家基础建设的高速发展，矿产资源需求迅猛增加，矿山开采规模越来越大，矿山开采引发的地面塌陷越来越多，造成的地质灾害和经济损失日趋严重［2]。如大冶铁矿东露天采场狮子山已形成长300 m，宽50～120 m，深20～35 m 的塌陷坑［3]；福建省安溪县剑斗地区发生的多处地面塌陷均与地下开采活动有关，其中2002年6月的地面塌陷造成10人死亡［4]。1950～2005年，全国由采矿引起的地面塌陷5 416处，影响面积2 511.01 k m2，经济损失40亿余元，死亡535人［5]。河南省152个主要矿山企业中，地面塌陷有252处，累计塌陷面积43 177.44 h m2，威胁或危害近20万人，直接经济损失超过11亿元［6]，如焦作市区因采空引起地面塌陷19处［7]；平顶山采空区地面塌陷185.4 k m2，影响土地1 739.9 h m2［8]。

2013年3月31日下午13时，河南省许昌县苏桥镇武庄村一村民家院内发生地面塌陷，造成居民4间房屋塌陷，一人遇难。初始形成的塌陷坑直径约3 m，由于周边土体不断掉入坑内，使坑中水出现波动现象，之后塌陷坑逐渐扩大。逐渐形成的塌陷坑近似椭圆形（图1），长轴长26 m、短轴长23 m、深度17.6 m。4月3日监测塌陷坑内水位距地面4.5 m，4月10日监测塌陷坑内水位距地面5.6 m，水位呈下降趋势。

2 地质环境条件

2.1 地形地貌

塌陷区位于许昌县和长葛市交界处的武庄铁矿范围内，属黄淮冲积平原，地势平坦，地貌单一。地面标高＋86 m～＋91 m，最大高差为5 m，河流最深切割4 m。

图1 许昌武庄地面塌陷形成的塌陷坑（镜像W）Fig.1 Ground subsidence pit

2.2 地层岩性

武庄铁矿区地层有新生界、太古宇登封群及古生界寒武系一套地层。

新生界包括新近系和第四系，在区内广泛分布。第四系（Q）为巨厚松散沉积层，厚度50～400 m左右，上部为亚粘土、亚砂土及少量的卵砾石组成的冰水、冲洪积及坡积物，下部为砂砾石、中粗砂、细砂、粉细砂、粉砂、亚砂土、亚粘土及粘土组成的冰碛及冰水沉积物。新近系（N）由粉细砂岩、中粗砂岩，含砾中粗砂岩泥质组成，厚度38.60～59.36 m。

基底岩层为寒武系灰岩及太古宇变质岩（图2）。寒武纪地层包括中统（∈2）的毛庄组、徐庄组灰岩和下统（∈1）的辛集组、馒头组灰岩，分布在塌陷区外围。太古宇登封群地层包括花杨组（Ar2h）和武庄组（Ar2w）。花杨组（Ar2h）以斜长角闪片岩或斜长角闪岩为主，厚度大于313 m。武庄组上段（Ar2w2）为区内主要含矿岩段，以黑云角闪（或角闪黑云）斜长变粒岩和黑云斜长变粒岩为主，厚13.74～206.02 m；武庄组下段（Ar2w1）上部以斜长角闪片岩或斜长角闪岩为主，下部以角闪斜长变粒岩、黑云斜长变粒岩为主，全段厚176～311.80 m。

图2 矿区地质剖面图Fig.2 Sectional view of the mining area

2.3 地质构造

大地构造上，武庄铁矿位于华北地台二级构造单元豫西断块与华北拗陷的邻接部位，三级构造单元的嵩箕台隆东部倾伏端，地质构造复杂。与武庄铁矿矿床有关的构造主要是近南北向草庙张背斜和北东向断裂构造。

2.4 水文地质条件

区内地下水可分为新生界松散孔隙水（In）、寒武系灰岩岩溶裂隙水（Ⅱh）和太古宇变质岩裂隙水（Ⅲ）（图2），各层之间的水力联系差。矿床内地下水主要补给方式为大气降水，其次是季节性河流的入渗补给和泉水补给。矿区范围内地下水以巨厚松散孔隙潜水为主，水量较大。其次为寒武系岩溶裂隙水和变质岩系的裂隙水，水量相对较小，矿床内断层发育，矿床水文地质条件属中等类型。

3 地面塌陷区异常现象

3.1 巷道坍塌

地面塌陷处于武庄铁矿范围内，根据矿方提供的图纸及相关资料对巷道进行了实地踏勘及精确测量，在武庄村地表塌陷坑垂向对应位置，沿－250 m中段巷道东西方向上自副井井口至巷道端头、南北方向均超过200 m的范围内的巷道进行了逐点检查。井下－250 m中段岩石破碎，塌方、冒顶、片帮比较严重，部分地段超高较大。井下－250 m巷道中段与地面塌陷坑边缘相对应位置及附近发现坍塌及巷道堵塞（图3）。坍塌处巷道内多处产生积水现象，且有较深的淤积物，调查时仍有小股水流在流动。

3.2 水温异常

－250 m巷道内测量太古界地层出水点水温为53℃，涌水量约0.5 m3／h，此地层温度异常，此温度代表此地层地下水温度，－250 m巷道与地面塌陷坑相对应坍塌处水温为28℃，与巷道出水点水温测量温度相差25℃，此现象说明极有可能此地层水与其他地层水发生混合，造成此处水温降低。

3.3 水质异常

－200 m水平巷道与－250 m水平巷道水质全分析结果显示（表1）：两处的水化学类型都为Cl·SO4－Na型水，化学成分相当，两处水样为同一地层水。说明－200 m水平与－250 m水平地下水已经串通。－250 m水平、－250 m水平坍塌处、地面塌陷坑水质分析对比结果见表1。通过水质分析对比表知：－250 m水平巷道坍塌处水样的Mg2＋、HCO－3、Ca2＋、F－、暂时硬度和总碱度数据介于－250 m水平巷道其他处水样和地面塌陷坑水样数据之间，这说明－250 m水平巷道坍塌处水与上部含水层的水出现了相融合。

3.4 物探异常

由物探成果100线（10 m点距）成果图（图4）可以看出：剖面上在塌陷坑下部－300 m左右视电阻率等值线变形，这种电性异常推测为该处的塌落带反映；在塌陷坑下部－100～－230 m附近视电阻率等值线变形，推测为中部的塌落带的反映。由此推断地面塌陷坑与深部塌落带是相关联的。采用瑞典的高密度反演软件“Res2dinv”对100剖面线进行了反演，由反演结果可以看出：在剖面上500～640 m之间深部存在明显的深蓝色低阻带，推测该低阻带与深部铁矿施工塌落有关。

表1 水质分析对比表（单位：mg／l）Table 1 Water－quality analysis and comparison（unit：mg／L）

图4 武庄村100剖面高密度电法视电阻率断面等值线图Fig.4 Contour map for resistivity section at the 100th section

4 地面塌陷成因机理分析

巷道坍塌引起的地面塌陷并不是即刻发生的，它是一个缓慢的过程，巷道坍塌后，上覆岩层产生垮落带、断裂带、弯曲带。据矿方反映，发生地面塌陷的下部－250 m巷道曾于2012年12月25日、2013年1月10日、2013年1月15日出现过三次坍塌，调查时巷道坍塌处仍有小股水流涌入巷道，且水体发混，出水量明显高于其他出水点水量，水温明显低于其他突水点。巷道坍塌导致下部塌落变形逐步向上扩展，当扩展到新近系地层时，出水量高于太古界地层出水量，坍塌处装满土石灰的编织袋堆积垒堰可能是由于与新近系水相通后巷道水量逐步加大，矿方开始采取的应急措施。随着时间推移和矿山施工放炮震动，坍塌变形进一步变化，当坍塌扩展到第四系含水层时，第四系含水层的水流携带着大量细颗粒沿着裂隙向下运移，久而久之，致使上部第四系形成较大的空洞，土体难以承受上部建筑物的荷载，最终导致2013年3月31日地面塌陷的发生（图5）。但由于上部粘性土逐步塌落封堵部分孔隙与裂隙，形成新的隔水层，使得上部第四系和新近系含水层中的水流入巷道的量逐渐变小，没有造成淹井事故。

图5 地面塌陷机理示意图Fig.5 Schematic diagram of ground subsidence mechanism

通过以上巷道坍塌、水文异常、水质异常、物探异常等现象的分析：由于武庄矿床地质构造复杂，岩体破碎，矿山进行井下巷道施工时曾发生过三次坍塌，坍塌导致巷道上部岩层破坏，与上部第四系松散岩类孔隙含水层串通后，上部的孔隙水由巷道坍塌形成的裂隙流入巷道，并将第四系松散层中的细颗粒带入下部巷道流走，在上部第四系松散层中形成了较大的空洞，导致了地面塌陷。