子陵铺石膏矿段地面塌陷分析与监测预警研究

卢开华, 苏 宏, 刘先武

(1.荆门市国土资源局,湖北 荆门 448000; 2.湖北省地质局 第八地质大队,湖北 襄阳 441002)

子陵铺石膏矿段地面塌陷分析与监测预警研究

卢开华1, 苏 宏1, 刘先武2

(1.荆门市国土资源局,湖北 荆门 448000; 2.湖北省地质局 第八地质大队,湖北 襄阳 441002)

荆门子陵铺石膏矿段面积3.54 km2,形成采空区1.202 km2,累计发生地面塌陷23次,塌陷面积达0.157 4 km2。通过对该矿段四干渠分水闸周边地面塌陷区的形态规模、变形特征、形成因素、破坏模式分析和发展趋势预测,提出该区域采空区综合治理和地面塌陷地质灾害防治监测预警的措施和方法,在实际运用中取得良好效果。

石膏矿;采空区;地面塌陷;监测预警

荆门市子陵铺石膏矿段总面积3.54 km2,采空区面积1.202 km2,累计发生地面塌陷23起,塌陷总面积0.157 4 km2,未造成人员伤亡。2010年石膏矿关闭后,地方政府采取“禁止居住、禁止通行、禁止耕种、禁止养殖、禁止生产”措施,对采空区实行全封闭管理,将地表65家农户和2家企业搬迁避让,开展了四干渠采空区地质勘查和分水闸塌陷区应急修复等工程,建立了完整的地面塌陷监测预警体系,地质灾害防治工作取得初步成效。

1 地质环境特征

1.1 地理位置

子陵铺矿段位于荆门市以北5～10 km处,属东宝区子陵铺镇辖区,为荆门城市近郊。矿段南北长3.5 km,东西宽1.9 km,东侧有焦柳铁路、207国道经过,乡村公路纵贯全区,交通便利。

1.2 地形地貌

矿段处于丘陵与汉江平原过渡地形带,属低缓丘陵地貌区,总体地势为西北高、南东低。区内沟谷宽缓,丘脊浑圆,丘高在15～20 m,边坡角一般<25°。地表植被较发育,主要以旱地农作物为主,少量林地及荒地。

1.3 气象水文

该区域属于亚热带温暖季风型气候,气候适宜,雨量充沛。区域年平均气温16℃左右,最低气温-14℃,最高气温40℃。境内雨量充沛,年平均降雨量987 mm,历年降雨量980～1 274 mm。

1.4 地层岩性

该区域属新华夏系第二沉降带—江汉盆地西缘,地层由老到新为泥盆系、石炭系、二叠系、白垩系、第三系及第四系,缺失侏罗系、三叠系[1]。第四系(Q)主要为场坡积物和冲积物等,由粉砂质粘土、含碎石粉质粘土、腐殖土及人工植土组成。第三系夹马槽组(Ejm)顶部为粉砂岩、细砂岩与粉砂质泥岩、泥质粉砂岩互层,具水平层理及交错层理;中上部以层状钙质长石石英砂岩为主,夹泥质粉砂岩及粉砂质泥岩;下部以粉砂质泥岩、粉砂岩、泥质粉砂岩为主,夹细粒长石石英砂岩。白垩系上统跑马岗组(K2p)分为革集亚组和木店亚组,革集亚组又分为石膏山段、桥坡段两个岩性段;石膏山段为矿区内主要含膏岩系,平均厚度171.86 m。

1.5 地质构造

区域构造主要为南漳—荆门断裂,断裂呈北北西向发育,长约170 km,断层面倾向东,倾角约65°～87°,断裂性质较为复杂,属多期复合性断裂。该断裂构造大致从塌陷区西侧约3 km处经过,受其影响子陵铺矿段地层在近东西向压扭构造应力作用下,拖褶形变为一个平缓的向斜构造。

1.6 水文地质条件

区域为丘陵地形,沟谷宽缓,地表松散层全区分布,植被不发育,为降雨提供有利入渗条件。地下水主要由大气降雨补给,地表水入渗后沿岩石裂隙、构造带及巷道进入采空区。采空区底板为粉砂质泥岩,厚度较大、层位稳定、透水性差、矿山开采对底板岩层破坏较小、区域向斜构造易于采空区储水,矿坑内地下水生产期间以人工方式抽排至地表,矿山关停后矿坑地下水汇集后形成老窑积水。

2 矿山现状

2.1 矿山概况

子陵铺矿段石膏矿建于20世纪80年代初,生产期间主要开采Ⅷ、Ⅸ、Ⅹ膏层,埋深40～120 m,采用斜井开拓,房柱法采矿,预留石膏层为护顶层,矿房之间预留矿柱,爆破落矿。Ⅹ膏层矿房要素为:矿房沿走向布置,长40～60 m,宽6～8 m,矿柱为4 m×10 m不连续矿柱;采空区顶部预留1～3 m石膏层为护顶层,开采高度一般为6～12 m[2]。

2.2 采空区特征

子陵铺矿段采空区面积1.202 km2,占矿段面积的34%,采空区大致呈南北向分布于矿区中部及东北部一带,南北长约2 400 m,东西宽约1 500 m。矿山采空区规模如表1所示。

表1 矿山采空区规模一览表

3 地面塌陷

3.1 地面塌陷统计

子陵铺矿段累计发生地面塌陷23起。数据统计分析可见,石膏矿生产期间,塌陷8次,占塌陷面积15%;停产后2—3年为地面塌陷高发期,塌陷14次,占塌陷面积82%;后期地面塌陷逐步变缓。年度地面塌陷规模如表2所示。

3.2 典型案例分析

就2013年“10·23”新桥矿地面塌陷典型案例进行分析。

3.2.1 塌陷时间及位置

2013年10月23日,新桥矿四号井发生地面塌陷,塌陷区集中分布在漳河四干渠分水闸周边。

3.2.2 形态规模及特征

调查核定,塌陷区面积16 221 m2,属小型地面塌陷规模。塌陷区域以四干渠分水闸为中心,发育有3处塌陷坑(TX1、TX2、TX3)。

表2 年度地面塌陷区规模统计表

TX1塌陷区平面呈近东西向椭圆形,面积9 467 m2,沿分水闸及东干渠发育,受多条南北向拉张裂缝控制,东西长142 m;南北边界沿东干渠各向外延伸20～50 m不等,南北宽81 m。塌陷区南北向剖面呈现渠道两侧变形不均一性,北侧缓倾连续变形,南侧2级阶梯型地形跌落。变形特征表现为:

(1) 拉张裂缝。塌陷区外围分布有弧状拉张裂缝群,主要集中发育于东干渠东侧边缘及南干渠塌陷所处区范围内,裂缝一般延伸长约10～25 m,缝宽约0.2～0.5 m,最大可视深度>3 m。

(2) 建筑变形。塌陷中心点渠道南岸呈明显的梯级地形跌落及倾斜破坏,最外围跌落陡坎高差达3 m,造成磊鑫公司原民工居住房(已拆迁)部分倾倒损毁,面积约100 m2;塌陷造成分水闸附近渠道及桥梁产生裂缝12处,最大宽度约10 cm;塌陷区内村路、桥梁发生多处沉陷、拉裂等变形,变形受损段长约198 m(图1)。

图1 东干渠中心沉降区(TX1)Fig.1 Collapse area (TX1) of central settlement area of eastern main canal

TX2塌陷坑位于四干渠分水闸北25 m处,渠道中央形成一个近圆形塌陷坑,塌陷坑口直径约24 m,坑底直径约5 m,剖面形态呈漏斗状,塌陷变形影响范围约466 m2。塌陷深度约15 m,塌陷内壁倾斜角度>50°,坑底可见积水。塌陷坑南侧渠底形成5条牵引拉张裂缝依序向坑中央跌落,东侧靠近矿区公路部分塌落呈近直立状,对公路造成牵引变形(图2)。

图2 北干渠塌陷坑(TX2)Fig.2 Collapse crater (TX2) of northern main canal

TX3塌陷坑位于四干渠分水闸西约40 m处的农田中,塌陷坑呈圆桶状,直径约6 m,面积约20 m2,深度约10 m,坑壁呈直立状,塌陷坑内岩土体松散,初期处于不稳定状态(图3)。

图3 东干渠北侧塌陷坑(TX3)Fig.3 Collapse crater (TX3) of eastern main canal

3.2.3 成因及模式分析

(1) 影响因素。①采矿活动:根据勘查开采资料分析,塌陷区域开采高度8～12 m,距地表深度约85 m,采空区是引发地面塌陷的基础条件。②地层岩性:区域内矿层顶板主要以第三系及白垩系新近沉积地层为主,岩层胶结度较差,力学强度低,岩石含泥成分较高,自身工程地质条件较差,极易发生岩层变形。③地下水作用:由于石膏具遇水软化特征,采空区上覆岩层破坏后形成良好导水特征,矿山关停后矿坑积水,矿柱受到长期浸泡和软化,降低了矿柱本身支撑能力[3]。

(2) 模式分析。地面塌陷破坏形式大致可归纳为应力拱渐进式破坏及构造控制突发型破坏两种模式[4]。

① 应力拱渐进式破坏。采空区形成后覆岩应力作用主要集中于矿柱及围岩体上,形成复合应力拱结构。石膏矿关停后采空区充水,矿柱遇水软化,在长期承受 “内应力拱”传递的悬空顶板重力作用下,矿柱承载能力逐渐失效,“内应力拱”不断合并抬升直至与采场两侧围岩的“外应力拱”重合,导致采场上方覆岩沿内、外应力拱重合处断裂,形成地表塌陷。TX1正是属于此类破坏模式,该类型塌陷形成的塌陷区往往面积较大,中心区域整体沉陷,外围形成拉张裂缝群,塌陷深度相对较小。

② 构造控制型破坏。在岩石节理、裂隙较为发育的采空区域,当采空区发生小范围变形或受周边塌陷震动影响时,岩石节理裂隙结构面得到进一步扩张,岩石逐渐被切割,岩体间相互作用力降低,重力作用下切割岩体易形成整体塌落。该类型塌陷通常发育于单个矿房内,周边矿柱保存较完好,如此次发生的TX2与南侧TX3相隔最近仅6 m,却能保持两个变形范围相互独立。该类型塌陷往往突发性强、塌陷深度较大,地表形成破坏的面积相对较小,多形成单坑零星塌陷(TX3)或发育在塌陷区边缘一带(TX2),塌陷形态一般由表层厚度决定,厚度较大时形成漏斗状,厚度较小时形成圆筒状。

3.3 塌陷趋势预测

2012—2014年子陵铺矿段地面塌陷处于高发期,目前有所减缓。由于采空区形成时间较早,后期未充填处置,特别是矿山关停后采空区大量积水,矿柱浸泡软化,顶板应力重新分布,在长期重力作用下地面塌陷变形仍有较大的发展空间。对于四干渠分水闸段,矿山开采时留设了保安矿柱,后期对分水闸底部采空区进行了充填处理,预测后续残余变形对分水四干渠闸设施影响不大。

3.4 塌陷防治措施

3.4.1 防灾宣传

对周边群众定期开展防灾宣传和应急演练,发放“防灾明白卡”和“防灾避险明白卡”,告知群众临灾避险撤离路线和安全转移地点,提高广大群众防灾避险能力和水平。

3.4.2 巡查监测

石膏矿关停后,在矿山企业地质灾害防治责任主体缺失的情况下,区、镇两级政府承担了地面塌陷监测预警工作的主体责任。国土部门重新明确采空区巡查、监测及预警责任单位、责任人和监测员,组成专班定期开展采空区地面巡查。在塌陷区变形阶段和四干渠灌溉期间,实行24小时轮班巡查和值守,一旦发现异常,迅速预警并上报。

3.4.3 治理修复

针对2013年“10·23”地面塌陷,当地政府组织实施应急抢险修复治理工程。主要是先期对四干渠分水闸塌陷区裂缝进行处理,然后对地表进行回填和压实,再用粘土回填成梯形断面,铺设两布一膜进行防渗处理,表层现浇C20钢筋网片混凝土护砌,保障了四干渠春后正常灌溉。

4 监测预警

2012年子陵铺石膏矿段地面塌陷被纳入全省地质灾害重点隐患点管理,省厅下达了地质灾害防治专项补助经费,委托专业机构设计和施工,采用宏观监测与GPS位移监测方法开展监测预警工作。

4.1 宏观监测

宏观监测采用线路法、追踪法进行宏观巡查,在地表拉裂缝及建筑敏感部位设置简易观测点。

4.1.1 宏观巡查

宏观巡查由熟悉矿区且具备一定地质灾害防治知识、责任心强的人员,定期对矿山采空区展开巡查,对地表出现的异常变化进行观测;根据矿山采空区及塌陷区分布特点,兼顾整个矿山采空区巡查为原则,巡查主路线设定为3条,沿进入矿区的3条主干道进入监测区,线路以“S”形路线布置,将渠道和道路作为重点,兼顾周边民房进行巡查。宏观巡查人员分为三组,每组2人,分区段徒步进行巡查,设计巡查主线路长约15 km。

4.1.2 简易监测

重点区域建立简易观测点,采用追踪与区域搜寻的方法进行深度观察,主要采用皮尺、钢尺等简易测量工具开展监测,由专职监测人员完成。首先主要将近3年来未经回填处理的塌陷区边缘可视拉裂缝作为主要设点监测对象,观测裂缝选择塌陷区外缘1～2级裂缝为宜,测桩距离2～5 m。塌陷区裂缝监测视塌陷体规模大小及裂缝发育程度等综合布点,一般设计布点为1～3个裂缝监测点。其次对巡查过程中发现的新的地表拉裂缝进行监测,民房以墙体裂缝为重点监测对象。宏观监测设计塌陷区简易监测点40个(塌陷区监测点15个、地表建筑物裂缝监测点15个、新的裂缝监测点10个)。

4.2 专业监测

专业监测以GPS三维精密位移监测为主,根据采空区的分布特点及工程布控原则,建立区域平面监测控制网,采用GPS技术对各测点水平和垂直向量上的位移变化进行定时监测,将阶段数据汇总分析,对采空区变化趋势预测分析与预报[5]。

4.2.1 工作原理

采用双星双频GPS位移监测系统,实时接收各监测点的三维空间数据,系统自动计算GPS监测点三维坐标变化数值,从而获得测点的变形量。

GPS三维精密位移监测方法具有布点灵活、施测方便的特点,不受通视、气候等综合环境条件限制,全天候24小时进行实时数据采集。系统采用单历元高精度算法,解算过程无需人工干预,设备在输出原始数据同时备份循环存储,保证了数据安全。监测系统支持瞬变和徐变两种模式,兼容性强,高精度解算结果直接写入数据库,接收机支持远程访问、在线升级,操作和管理方便。

4.2.2 工程布置

专业监测由监测基准网及采空区地面变形监测网组成,采用GNSS实时动态监测方案,整个监测区布置1个基准点,基准点设置在采空区以外不小于200 m的稳定地段。根据监测对象的重要程度,监测点主要布置在四干渠及矿区道路周边,同时兼顾目前尚未塌陷的金陵矿大面积采空区,合计布置10个监测点,通过检测获取各测点的水平以及垂直变形量(专业监测点设置分布如图4所示)。

图4 子陵铺石膏矿段专业监测点分布图Fig.4 Distribution map of professional monitoring point of Zilingpu gypsum ore section

4.2.3 预警设置

(1) 一级预警值:水平方向上连续5天内日平均位移速率≥1 mm/d且位移方向基本一致;5日累计位移≥6 mm,期间日平均位移速率≥0.5 mm/d且位移方向一致并未见收敛。垂直方向上按水平方向的2倍值控制。

(2) 二级预警值:水平方向上连续5天日平均位移速率≥1.5 mm/d且位移方向基本一致;5日累计位移≥9 mm、期间日平均位移速率≥0.8 mm/d且位移方向一致并未见收敛。垂直方向上按水平方向的2倍值控制。

(3) 三级预警值:水平方向上连续5天日平均位移速率≥2 mm/d且位移方向基本一致;5日累计位移≥15 mm、期间日平均位移速率≥1 mm/d且位移方向一致并未见收敛。垂直方向上按水平方向的2倍值控制。

4.2.4 数据分析

监测系统设置完毕后,点击GNSS 主界面启动项,系统开始自动进行变形数据信息解算,形成各监测点的变形量曲线图,可实时读取各监测点的实时坐标数据和变化值。定期对监测数据汇总和分析,掌握各监测点所含区域的地面变形状况,预测区域变形发展趋势。

4.3 监测周期

4.3.1 宏观监测周期

根据目前地面塌陷逐步减缓的实际,设定常规宏观巡查周期为1次/5d,雨季适当加密;地面塌陷变形、四干渠灌溉期间1次/d。简易监测的周期宏观巡查周期同步。

4.3.2 专业监测周期

(1) 监测基准网由1个基准点构成,每半年复测一次,当对变形监测成果发生怀疑时,应随时检核监测基准网。

(2) 变形监测点的监测周期根据监测体的变形特征、变形速率、观测精度和工程地质条件等因素综合确定,监测期间可依据变形量适当调整。

4.4 结论建议

由于大面积采空区工程治理存在费用高、施工难、周期长等问题,子陵铺矿段采取的“监测预警+塌陷区应急修复”相结合方法进行地质灾害防治十分必要。监测预警工程采取宏观监测与专业监测并举方式,设计巡查线路15 km,简易监测点40个,专业监测点10个。监测预警工程是一个系统性项目工程,应建立完善的信息互通平台,确保行政部门、技术机构和实施单位等对监测数据信息及时整理分析和运用,使整个监测工程灵活机动,以便客观、科学的对子陵石膏矿采空区实行监测。

5 结语

子陵铺石膏矿段地处荆门城市近郊,地理位置优势明显。由于石膏矿开采历史久远,采空区面积大、危害程度高,严重制约了当地土地综合利用和城市空间的拓展。荆门市政府高度重视采空区综合治理工作,多方争取和筹措资金对四干渠等重点区域实施工程治理,积极开展采空区地面塌陷监测预警,既保障人民财产安全,又为该区域土地综合利用提供了技术保障。

[1] 徐明华,韩中央,潘晓官,等.荆门市革集—子陵铺矿区子陵铺矿段曾庙石膏矿地质普查报告[R].襄樊:湖北省鄂西北地质矿产调查所,2007.

[2] 刘可早,田继喜,许志东,等.荆门市新桥实业有限公司石膏矿开发利用方案[R].武汉:武汉理工大设计研究院非金属矿所,2006.

[3] 李海兵,陈红艳,常亮,等.荆门市东宝区子陵铺镇四干渠地面塌陷勘查报告[R].武汉:湖北省地质环境总站,2013.

[4] 李寅.荆门市东宝区子陵铺矿段新桥石膏矿四干渠分水闸地面塌陷应急调查报告[R].武汉:湖北省地质环境总站,2013.

[5] 李海兵.荆门市东宝区子陵铺石膏矿段地面塌陷监测预警设计[R].武汉:湖北省地质环境总站,2014.

(责任编辑：陈文宝)

Study of Surface Collapse Analysis and Monitoring &Early Warning of Zilingpu Gypsum Ore Section

LU Kaihua1, SU Hong1, LIU Xianwu2

(1.JingmenBureauofLandResources,Jingmen,Hubei448000; 2.EighthGeologicalBrigadeofHubeiGeologicalBureau,Xiangyang,Hubei441002)

The area of the originalmining area of Zilingpu ore section is 3.54 square kilometers.The area of goaf is 1.202 square kilometers.The cumulative surface collapse occurred 23 times,subsidence area reached 0.1574 square kilometers.Through shape scale length,deformation characteristics,forming factors,failure mode analysis and development trend prediction,the paper puts forward comprehensive treatment of goaf and measures and methods of geological disaster prevention and control of surface collapse,obtaining good results in practical application.

gypsum mine; goaf; surface collapse; monitoring and early warning

2015-08-04;改回日期:2015-08-17

卢开华(1967-),男,工程师,采矿专业,从事矿产资源和地质环境管理工作。E-mail:jmlkh@163.com

P642.26; TD327

A

1671-1211(2016)01-0080-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.201601014

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20151217.1333.030.html 数字出版日期:2015-12-17 13:33