湖南某煤矿地区岩溶塌陷成因机制分析

高　翔，李大雁，龙　庆，张小亮，郭　勇，吴昆明

(1. 核工业二三〇研究所，湖南　长沙　410007；2. 青海省核工业地质局，青海　西宁　810000；3. 江西省核工业地质局测试研究中心，江西　南昌　330002)



湖南某煤矿地区岩溶塌陷成因机制分析

高翔1，李大雁1，龙庆2，张小亮3，郭勇1，吴昆明1

(1. 核工业二三〇研究所，湖南长沙410007；2. 青海省核工业地质局，青海西宁810000；3. 江西省核工业地质局测试研究中心，江西南昌330002)

随着经济的发展，人们对矿产资源的开采量不断增大，在其开采过程中对地质环境的破坏也愈发严重，各类地质灾害伴随而来，给人民的生命财产安全及社会经济发展带来不利影响.综合考虑水文地质单元、灾害发育程度、地层岩性、地质构造及矿山抽排水等因素，结合岩溶发育规律，对煤矿区内岩溶塌陷的成因机制分6个区来进行了分析，得出岩溶发育与矿井大量抽排水是该地区岩溶塌陷发育的最重要原因，研究成果可为该区域内岩溶塌陷的主要发展趋势预测和预防治理提供依据。

地质灾害；岩溶塌陷；成因机制；趋势预测

随着经济的发展，人们对矿产资源的开采量不断增大，在其开采过程中对地质环境的破坏也愈发严重，各类地质灾害伴随而来，给人民的生命财产安全及社会经济发展带来不利影响[1～3]。湖南某煤矿地区地质灾害发育，共调查各类地质灾害561处，其中岩溶塌陷398处，不均匀沉陷110处，地裂缝47条，滑坡6处。其地质灾害主要以岩溶塌陷为主，其他类型的地质灾害发育程度相对较低，对该区域内岩溶塌陷的成因机制进行分析，可为岩溶塌陷地质灾害的防治工作提供借鉴。

1　岩溶发育规律分析

岩溶发育的控制因素主要是地质构造，岩石性质和地下水交换的天然条件[4]。其中地质构造的控制作用更明显，而人类工程活动因素则对其起到了一定的促进作用，本区域溶岩发育有以下规律：

1) 平面分布上，该区域岩溶发育主要集中在五个地下水主径流带和连河冲涌泉山冲沟一带，其中大成桥、洋泉湖、贺石桥最发育，地面塌陷规模大，破坏严重。

2) 垂直方向上，该区域岩溶发育具有明显的分带性。根据钻孔揭露情况(见表1)，溶洞发育带主要集中于标高-200 m以上，钻孔见溶洞率相对较高，且溶洞一般全充填，此带突水突泥后，地面塌陷影响大；溶洞裂缝带标高为-200 m至-400 m， 钻孔见溶洞率0.10%～0.14%； 裂缝发育带一般在-400 m以下，发育程度低，且充填较好，富(导)水性弱。而本区煤层多数赋存在-400 m以上，开采-400m以下煤层引发岩溶地面塌陷的可能性和影响范围将降低。

表1　岩溶发育钻孔揭露情况统计

3) 从区域地质构造上来看，本区域背斜轴部岩溶相对发育(见图1)。轴部张裂隙发育，且开口向上，地下水活动强烈，矿井下易产生突水突泥而引起地面塌陷。

图1　区域地质构造图

4) 本区域高角度正断层带岩溶发育，特别是断层交会处岩溶发育强，规模大[5]。部分逆断层或正断层被切割，在断层带处当矿层与含水层相接触时容易发生穿水，引发地面塌陷。

5) 旱、雨季地下水位反复交替升降的区域，地面塌陷发生较为频繁。

6) 表面岩溶塌陷多发区域位于煤矿开采活动强烈的位置(见图2)。

由此可见，地质构造、水文条件是该煤矿区域岩溶发育的主要影响因素。而岩溶塌陷区域分布还受到了矿山开采等因素的影响。

图2　煤矿开采与岩溶塌陷分布区域图

2　岩溶塌陷成因机制分析

该区域碳酸盐岩分布广，厚度大，岩溶发育。矿山排水导致地下水位大幅下降，在岩溶化断裂带，地下水交替频繁处岩溶塌陷发育。以下根据岩溶塌陷分布位置，对其成因机制划分6个区域分别进行分析。

1) 大成桥岩溶塌陷区。该区位于大成河一带，为河谷平原地貌，处于白垩系百花亭组底部砾岩和二叠系茅口组中下部地层的不整合接触面附近。在地下水交替升降过程中，由于受到接触面以及栖霞组灰岩中黑色泥岩的阻力，会产生缓冲涡流形成冲刷作用。加之浅层地下水对茅口灰岩中部灰岩的侵蚀作用强，因而岩溶发育，发育深度主要在-80 m以上。另外，由于该区域内五亩冲矿井不断强排疏干，地下水流运动遭遇人为改造，水位大幅下降。通过对区域内1975年与2008年地下水等水位线图对比，大成桥一带地下水位由70 m下降至-40 m，作为排泄区的大成河渐变为补给源流补灌矿区，形成过水通道对充填物进行冲刷搬运，则导致地面盖层薄弱部位不断出现失稳塌陷。

2) 贺石桥岩溶塌陷区。该区沿群英河一带分布，属河谷平原地貌。该区位于煤炭坝向斜北部，背斜东南翼，受构造影响强烈，其核部隔水层埋深约200 m，阻止了西北方向地下水向矿床的大量充水。此外，沙子坡断层通过本区，该断层导水性好，形成了地表地下水与西峰仑矿井以及跃进煤矿矿井间的导水通道。随着矿区的不断强排疏干，地下水流运动受到人工作用的加强和改造，地下水位下降显著。根据图3对比，地下水位最大下降达到170 m。

图3　区域地下水等水位线对比图

另外，本区位于贺石桥径流带，群英河与地下水通过沙子坡断层源源不断地补给矿区，河水漏失量达到1 000 m3/h。这些地表水转化为地下水后对溶洞中的充填物和上覆松散土层的潜蚀和冲蚀作用增大，造成矿井突泥突水现象严重，致使溶洞中的充填物和覆盖层中的松散土层逐渐被冲刷带走，当溶洞较大，充填物被迁运，地面盖层薄弱的部位就突然产生岩溶塌陷[6～7]。另外，当岩溶空洞形成一个封闭的环境时，产生真空吸蚀作用，溶洞顶部盖层在负压作用下失稳产生塌陷[8]。

3) 欧家大冲岩溶塌陷区。该区位于欧家大冲与颜家冲交汇一带，出露地层岩性为二叠系栖霞组上部硅质灰岩夹硅质岩、茅口组岩上部灰岩以及少量石炭系灰岩和白云岩，富水性强，岩溶发育。矿井下常引发突水、突泥，本区构造复杂，由于大量断层带存在，颜家冲径流带与矿区之间形成良好的导水通道。当采矿对地下水强排疏干时，因地下水位急剧下降以及降落漏斗的扩大，使颜家冲和欧家大冲的地表水由颜家冲径流带和导水断层补给矿井。由于此处处在岩溶发育带，又有断层的切割、沟通，当开采深度延深时，随着矿山排水量增加，水力坡度和流量增大，溶洞裂隙中充填物受冲刷流失强度也随着增大，当充填物被冲蚀后，部分溶洞洞顶覆盖层厚度变薄，在渗透水头和岩土体自重作用下，无法满足拱顶稳定而失稳产生塌陷。

4) 洋泉湖岩溶塌陷区。本区位于矿区东部，主要分布地层为白垩系百花亭组底部砾岩和二叠系茅口组灰岩及硅质灰岩。据相关勘探资料，该岩组岩溶发育，连通性好，主要分布在-200 m以上，大部分无充填，且空洞较大，最大洞高达到6 m。本区受构造影响大，贺家湾正断层从本区通过，其透水性好，地下水流动性强。矿区开采对该区域造成了较大影响，矿区开采前，该区域内常年有泉水，但随着竹叶堂等煤矿的开采，大量抽排地下水，致使地下水位大幅下降，目前地下水位在-190～-200 m之间波动。竹山塘煤矿强排疏干，使洋泉湖一带地表水和地下水通过洋泉湖径流带和贺家湾断层补给矿井，沿线溶洞被疏通扩大，在水流冲刷和自重作用下，失稳产生塌陷。

5) 回龙铺岩溶塌陷区。本区位于矿区南偏东、沩水以北、左家河径流带以东的平原地区。该区地势平坦，面积较广，灾害分布较平均。表层冲洪积物发育，下伏基岩为二叠系栖霞组上部的硅质灰岩、硅质岩，中下部的泥灰岩、泥质页岩和石炭系壶天群的灰岩、白云质灰岩。栖霞组上部地层和壶天群地层岩溶发育，连通性好，栖霞组中下部为相对隔水层。但沩水大断层于左家河处横过沩水河，隔水层断失，使壶天群、栖霞与沩河水产生密切水力联系。区内岩溶塌陷主要发生在栖霞组上部灰岩中，主要受左家河和沩水大断层控制。矿区疏干排水使地下水位下降，沩水与地下水通过沩水大断层连通左家河径流带补给矿井，原有溶洞受水流冲刷，充填物流失，在覆盖层薄的部位洞顶失稳产生塌陷。但因为该区离煤矿区较远，因而地下水位下降幅度不大，所以岩溶发育深度也较浅。

6) 涌泉山岩溶塌陷区。本区分布在喻家坳乡连河冲以南涌泉山一带的河谷平原区，本区出露地层岩性为二叠系栖霞组上部硅质灰岩和硅质岩，岩溶发育，连通性好。本区位于煤炭坝背斜西翼的几个次级向斜处以南，受周边煤矿抽排水影响较大。这些矿区煤炭储量不大，开采深度较浅，因而地下水降幅有限，产生岩溶塌陷的深度也不大，主要集中在-100 m以上。这些煤矿采煤疏干排水后，地下水和地表水回灌矿区，沿涌泉山沟一带，岩溶管道和溶洞长期被冲刷，充填物被掏尽，溶洞顶部盖层变薄失稳，产生岩溶塌陷。整个调查区从历史采煤情况来看，各大矿井大部分有突泥、突水的灾害发生，如2003年西峰仑煤矿在-350 m水平就曾发生突泥达5 000 m3，井下小的突泥点也较多；又如1971年9月，五亩冲在煤层中掘进时底板突水，瞬时水量达2 900 m3/h，造成地面下沉，水塘漏水，1958年至1986年突泥点达117个。这些突水突泥事件都是反映下部岩溶发育的直接证据，也说明岩溶发育与矿井的大量抽排水是整个煤矿地区岩溶塌陷发育的最重要原因(见图4)。

图4　矿井抽排水与岩溶塌陷关系示意图

综合以上分析，结合岩溶塌陷现状调查结果、本区域水文地质特征以及矿业活动等情况，预计各带岩溶地面塌陷的均有加剧趋势。六个分带内复塌、新塌的可能性大，沿断层方向有外扩趋势，地质灾害危害严重。

3　小结

1) 通过对该煤矿区域岩溶发育规律的分析，得出地质构造、水文环境是影响该区域岩溶发育的主要因素，而矿山开采情况一定程度上影响了岩溶塌陷的发生和分布。

2) 将该煤矿区域分为6个区分别对其岩溶塌陷成因机制进行分析，得出岩溶发育与矿井大量抽排水是该地区岩溶塌陷发育的最重要原因。

3) 结合岩溶塌陷现状调查结果、本区域水文地质特征以及矿业活动等情况，预计各分区岩溶地面塌陷的均有加剧趋势，地质灾害危害严重。

[1]曹楠，申太丽，罗水莲，等.西昌市地质灾害发育分布规律及防灾建议[J].中国地质灾害与防治学报，2010，21(1)：127-132.

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[3]李兴武，王艳萍.我国地质灾害的防治措施[J].中国减灾，2006，9：26-27.

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[5]刘庆军，万伟锋，王耀军，等.河口村水库岩溶发育特征及其对水库渗漏和防渗设计的影响[J].资源环境与工程，2010，24(5)：485-489.

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[8]徐卫国，赵桂荣.试论岩溶矿区地面塌陷的真空吸蚀作用[J].地质评论，1987，2：174-180.

(责任编辑：李丽)

The Cause Analysis of Karst Collapses in a Hunan Coal Mine of Hunan Province

GAO Xiang1, LI Da-yan1, LONG Qing2, ZHANG Xiao-liang3,GUO Yong1, WU Kun-ming1

(1. Research Institute No.230,CNNC,Changsha,Hunan 410007,China；2. Nuclear Industry Geological Bureau of Qinghai Province,Xining,Qinghai 810000,China；3. Jiangxi Nuclear Industry Geological Bureau Testing Center,Nanchang,Jiangxi 330002,China)

With the economy development at a faster speed, there is an increasing demand for mineral resources, which leads to not only the serious destruction to the geological environment and the simultaneous geological disasters, but also adds the adverse effects to people's lives and assets as well as to our social and economic development. With in mind the factors such as the hydro geological units, the degree of disaster development, formation lithology, geological structure and mining pumping drainage, etc, this paper makes an effort to analyze the cause of karst collapse in six zones in the coalmine to conclude that karst development, large-scale pumping and drainage are responsible for the karst collapse. What is found in this research can provide a reference for the prevention and control of geological disasters in this region.

geological disaster; karst collapse; genetic mechanism; trend forecast

2015-10-12

高翔(1986-)，男，安徽淮南人，工程师，硕士，研究方向：地质工程。

P642

A

1672-1098(2016)03-0053-05