江西乐华矿区塌陷易发性分区及防治研究

舒顺平，舒仲强

（江西有色地质矿产勘查开发院，江西 南昌 330001）

0 引 言

江西省因矿山开采诱发的地面沉降变形现象较多，目前地面沉降总面积约135.44 km2，主要分布在萍乡、乐平、丰城、高安、新余及九瑞成矿带等围岩灰岩矿区，多数由矿坑抽排水诱发，开采矿种主要为煤、铜、钨矿。其中煤矿地面塌陷具可预测性，金属矿山地面塌陷可预测性差。

江西省乐华锰铅锌矿位于乐平岩溶塌陷易发区，是华东唯一大型锰矿床，矿区资源丰富，找矿潜力大。由于受地质环境条件的制约，早期锰矿地质勘探抽水试验工作中，造成不同程度地地面开裂、塌陷，影响众埠街、方家等一带居民财产安全，一直未能将资源优势转换为经济优势。

研究开展了深边部找矿工作，勘查取得了重大突破，在锰矿层底部发现大中型铅锌矿床[1]。根据矿区复杂的水文、环境地质条件，本文着重针对矿山建设开发过程中易引起的地面岩溶塌陷问题进行研究，对其易发性进行分区，进而提出防治建议。

1 矿区地质环境条件

1.1 自然地理条件

江西乐华矿田位于江西省重要的有色贵金属成矿带。该区为低山丘陵侵蚀地貌，矿区四周为低山环抱，中央为低平的盆地地形，矿区位于盆地西侧，地表水系发育，较大的河流有福泉河。

1.2 地质概况

矿区地层出露有新元古界双桥山群千枚岩、石炭系上统黄龙组灰岩和三叠系安源组砂砾岩，山间盆地分布有厚层冲积粉砂质黏土。双桥山群千枚岩出露于矿区西侧低山区，为锰矿的直接底板和铅锌矿的围岩。中石炭系黄龙组灰岩不整合于千枚岩之上，为锰矿的直接顶板，灰岩之上覆盖三叠系砂砾岩及第四系冲积粉砂质黏土。

矿区断裂构造发育，构造上处于刘家坞向斜的西翼，主要发育NEE、NW向2组断裂。矿区地质概况见图1。

1.3 水文地质条件

矿区地下水类型有变质岩裂隙水、碎屑岩裂隙水、碳酸盐岩溶水和松散岩孔隙水，水位埋深1～6m。中石炭系黄龙组灰岩是矿区主要含水层，含丰富的岩溶水。垂向上标高-250 m上含丰富的岩溶水，标高-250 m以下含溶蚀裂隙水。

矿区构造富含构造裂隙水，透水性强，在构造有利部位岩溶发育，有可能形成大的溶洞与暗河。

矿区为正地形的构造盆地，东南侧裸露灰岩直接受大气降水补给，成为盆地地下水主要补给区段。岩溶化的灰岩体既是地下水储存场地，也是地下水运动的通道。矿区东部方家泉塘是该矿区地下水最主要的排泄通道，其位置决定了地下水的基本流向，西南部山区向北东流。

图1 矿田地质略图Fig.1 Mine geological map

1.4 岩土工程地质条件

从上至下，有第四系松散岩、坚硬的碎屑岩、坚硬的可溶盐岩和半坚硬的变质岩，见图2。

图2 地质剖面图Fig.2 Geological profile map

第四系松散岩有冲积粉砂质黏土，厚度5～15 m，受地形的影响，表现为矿区或盆地中心部位薄、两端渐厚的分布态势，具孔隙较大、天然含水率高、压缩性较大、抗剪切强度低等特点。

坚硬的碎屑岩有上三叠系的砂砾岩，厚度15～50 m，以矿区中心部位厚度最小，岩性较致密，力学强度较高，透水性较差，为下伏灰岩含水层的相对隔水顶板。

坚硬的可溶盐为中石炭系黄龙组灰岩，厚度一般自西向东、自北而南逐渐增大，垂直分布有一定的规律，据勘查钻孔统计其标高+15 m～-100 m岩溶率一般大于20%，为岩溶强烈发育带；强烈发育带的边部为岩溶发育带，岩溶率一般为10%～20%；-100 m～-250m岩溶率为0%～10%，为岩溶弱发育带；-250m以下为岩溶不发育带。产状受变质岩基底的控制，走向近南北向，倾向东，倾角西部平缓，一般为5°～35°，中部急陡至 55°～70°，再向东变缓，一般为 5°～35°。

半坚硬的变质岩为双桥山群千枚岩，据最新钻孔资料，岩性较致密坚硬，RQD值一般为75%，岩体较完整，为灰岩含水层的隔水底板，也是锰矿体的直接底板及铅锌矿围岩。

2 地面塌陷的分布及形成条件分析

2.1 塌陷现状

早期抽水试验过程中造成较严重的地面塌陷。先后产生塌陷91处，距抽水点最远的塌洞3.2 km，塌陷有一定的规律。

2.1.1 空间分布

由图1可与看出，这些塌陷和开裂相对较集中，根据野外探勘和地质资料显示，这些塌陷具有一定的规律和方向性。

（1）灰岩与千枚岩接触带，地下水运移受阻有可能加剧了可溶灰岩的溶蚀，如众埠街西侧的塌陷及大铁山东北角尾砂坝的塌陷均属于此类（见图1）。

（2）沿构造破碎带而产生的长而宽的地表开裂，主要有三个典型的线性塌陷带：众埠街-方家塌陷带和图1中的F1展布方向基本吻合，共有塌洞49个,疏干过程中众埠街见1条长10 m，宽0.2 m的裂隙，方家附近产生连续的NW向线状分布的塌陷、F3断裂控制的NW塌陷带、NEE塌陷带和F2展布方向基本吻合。

（3）漏斗范围内的岩溶发育地段：如矿区中心部位，该方向上2～3 km的地方产生几十个塌陷坑，距矿区南2 km方向为本区塌陷最多的地方，此处地势低洼，盖层薄且疏松，又是地下水补给的方向，故易于产生塌陷。

（4）断裂复合部位易产生塌陷，分析主要原因是不同构造通道方向地下水流场作用形成的溶蚀较强，当地下水位降至粉砂质黏土层以下易产生压力差，产生塌陷。

2.1.2 时间关系

地面塌陷多发生在地下水降落漏斗的初期。据观测数据，从放水试验第10天开始，沿北西向的构造开始出现地面裂缝，先在离井口较近的部位出现塌陷，随着时间的推进，在断裂交汇部位及较早期的裂隙发展成地面塌陷，一段时间后塌陷趋于稳定。试验结束的次年在南东方向的方家再次发生4处塌陷，现今都处于稳定状态。初步认为是由于西部第四系黏土层厚度相对薄弱，又是地下水的主要排泄点，枯水期地下水位降低后，早期松动的粉砂质黏土层再次出现压力差，故诱发了地面塌陷。

2.2 地面塌陷形成条件分析

前人对乐华锰铅锌矿田地面塌陷的影响因素及形成机理的研究表明，岩溶地面塌陷的形成是受多种因素共同作用的结果。结合本文所提出的研究区内塌陷分布规律，我们认为矿田地面塌陷可能受构造控制，和岩土体结构、地下水具有密切关系。

（1）地面塌陷具一定的线形分布规律，三个主要塌陷带分别和矿区主要三条断裂构造方向基本一致，占塌陷的79%。主要原因是断裂构造导水性强，且水位变化幅度大，渗透潜蚀作用加强，构造部位岩溶发育，有可能存在大的溶洞与暗河。故分析认为构造部位地下水下降较快，具备产生塌陷的压力差条件，地面易产生塌陷。

据统计分析，陡倾角、规模大的构造塌陷强度大，关系列表1。

表1 构造与塌陷强度关系Tab.1 The relationship between structure and collapses strength

（2）从与岩土体结构、厚度分析，易产生地面塌陷。地面塌陷多分布于矿区的中心部位，占塌陷总数的60%以上。据数据分析，地面塌陷强度与砂砾岩厚度呈反比，同时与第四系黏土层厚度呈反比，相互关系见图3。

主要原因：砂砾岩隔水层不稳定，厚度小，隔水效果一般，该地段在大幅度水位变化时，垂向渗透潜蚀作用加强，灰岩溶蚀较强，上部松散土体具备产生塌陷的压力差条件，易产生地面塌陷。第四系含孔隙水，抽排地下水时，土层的托浮力减小，另地下水的潜蚀及下部真空的吸引力，土层下部逐渐脱落或掏空，较薄层处的第四系先出现变形塌陷。

灰岩与千枚岩接触部位，该地段由于地下水遇到相对隔水的千枚岩时运移受阻，有可能加剧了可溶灰岩的溶蚀，局部形成了强岩溶发育地段，为岩溶地面塌陷的发生发展提供了前提条件，在大幅度水位变化时，上部松散土体层厚度小，强度低，易产生地面塌陷。

图3 塌陷强度与岩土体结构关系Fig.3 The relationship between collapses strength and rock and soil structure

（3）矿区地下水位变化可能诱发岩溶地面塌陷。强排水是矿区地面塌陷的直接诱发因素，但不是决定因素，因为在停止抽水试验一年内，方家一线仍然出现4个塌陷，分析认为此时早先土洞压力与地表压力达到平衡，随着一定时间地下水位的变幅，土洞压力再次失去平衡从而发生塌陷。通常认为地下水位下降到基岩面以下，可能会导致岩溶地面塌陷。

矿区构造为强导水构造，强排水过程中易快速形成局部降落漏斗，水力坡降大，渗透潜蚀作用加强，上部松散土体失去了水的浮托力，易产生地面塌陷。

分析塌陷发生的时间，丰水期向枯水期变化季节，地下水变幅较大，垂向渗透潜蚀作用有可能诱发地面塌陷。

3 地面塌陷易发性评估

3.1 易发性评价指标因素

早期抽水试验，矿区周边出现了地表开裂及地面塌陷等现象，尤以矿区中部至东南方向最甚。分析认为形成地面塌陷因素多，塌陷易发主要控制因素见表2。

表2 地面塌陷易发性评估指标Tab.2 Evaluation index of collapse vulnerability

3.2 易发性评价量化指标

矿区形成地面塌陷因素多，各种因素相互影响，关系复杂，据抽水试验形成的塌陷现状，结合地质环境条件及将来采矿活动，按表3进行综合赋值。

表3 地面塌陷易发性评估分级表Tab.3 Evaluation grade form of collapse vulnerability

3.3 综合评价及分区

设定各影响因子权重一致，综合考虑塌陷强度及敏感性因素，将矿区开采影响范围各项因子得分相加为综合分值。采用地理信息系统（GIS）进行空间分析叠加，得分范围0～3分为地面塌陷少易发区，4～8分为地面塌陷中等易发区，9～18分为地面塌陷易发区。

通过计算，乐华矿田除基岩外，预测塌陷易发区面积约8 km2，危险性大；中等易发区面积约18 km2，危险性较大；其他为不易发区，见图4。

图4 矿区塌陷易发分区图Fig.4 Collapses susceptibility zonation map

4 防治措施

矿区水文地质环境地质条件复杂，应本着预防为主，防治结合，综合治理的原则。针对构造、岩土层、地下水位的变化实施的防治工程措施既要因地制宜，又要大胆创新，采用新术方法，提高防治工程的技术水平。

（1）未来矿山生产强力疏干，在降落漏斗的范围内会产生一些沉降塌陷。建议将易发区范围的居民搬迁避让或对建筑物基础进行加固，矿山建设采用不均匀沉降的刚性圈梁，以保证建筑物的稳定安全。

（2）采用超前钻探测地下水体或暗河，选择合理巷道施工方案，对于突水点，应采用封堵突水点，并安设带闸门导管，化突水为人工控制放水，防止诱发的快速地面塌陷。

（3）采用大型帷幕注浆工程既可以治理水害保护地下水资源，又可以减轻岩溶塌陷。选择物探方法进一步查明矿区断裂、松散层厚度和岩溶发育情况，对主要导水断裂注浆防渗，强岩溶发育地段，选择较狭窄的过水断面，设置灌浆帷幕截断地下水，既可减少疏排水量，又可把疏干降落漏斗限制在小范围内，避免或减少大范围的塌陷。该方法在济南张马屯铁矿、肥城矿务局陶阳煤矿等矿区得到了成功应用[8]。

5 结 论

通过对矿区地面塌陷地质资料的统计与分析，进行了地面塌陷预测评估，提出了防治或减轻地面塌陷的危害措施。

（1）矿区地面塌陷呈线性分布，与构造、岩土体结构密切相关，强排水是直接诱发因素，地面塌陷多发生在漏斗形成的初期。

（2）据塌陷强度及敏感性分析，预测塌陷易发区面积约8 km2，危险性大，应加强预防。

（3）矿区地质环境条件复杂，合理选择止水及灌浆帷幕方法，同时加强管理及变形监测，有利于尽快转资源优势变为经济优势，促进当地经济发展。

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