徐州市地质灾害特征与防治研究

汤志刚, 闫士民, 蔡承刚, 王宏沛

(江苏省地质矿产局第五地质大队，徐州 221004)

0 引言

地质灾害是由自然或人为因素引发的、危害或威胁人类生命和财产安全及生存环境质量的不良地质作用和现象，包括崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地裂缝及地面沉降等[1]。

徐州市位于江苏省西北部苏鲁豫皖四省接壤地区，是江苏省三大核心都市圈和淮海经济区的中心城市，经济较发达，人口较密集，地质环境条件复杂，人类工程活动强烈，矿产资源和地下水资源开采历史悠久。资源开发造成了土地资源、山体资源、地下水环境等生态环境的破坏，并诱发了崩塌、地面塌陷、地面沉降等多种类型的地质灾害，给本地区经济建设带来了巨大损失，部分地质灾害甚至对人民生命、财产安全构成了直接威胁。

迄今为止，对徐州市地质灾害已经进行过一系列的调查、研究与评价。韩宝平等[2]及黄敬军等[3]对徐州市岩溶地面塌陷形成机理及防治进行了分析研究； 葛维琦[4]对煤矿采空地面塌陷的影响因素、特征和灾害治理等方面进行了评价； 闫士民等[5]、刘爱斌等[6]及周丹等[7]对邳北石膏矿区采空地面塌陷特征、稳定性及监测预警等进行了分析研究； 单以超等[8]及周丹等[9]对睢宁县城区地面沉降现状及稳定性进行了调查评价。本文在前人对徐州市地质灾害形成机理、灾害特征及稳定性等研究的基础上，分析了徐州市崩塌、地面塌陷、地面沉降地质灾害的现状特征及其发展趋势，并提出了相应的灾害防治措施。

1 地质灾害类型与形成机理

1.1 崩塌

崩塌是指高陡坡或陡崖上的岩土体离开母体下落的现象。崩塌按破坏模式可分为滑移式崩塌、倾倒式崩塌和坠落式崩塌[10]。徐州市崩塌主要发生在人工开挖形成的高陡边坡上，由于坡体构造裂隙发育，岩体较破碎，在降雨、大风、震动及人工干扰等诱发因素作用下，坡面危岩体发生位移，向坡下坠落，从而形成崩塌。

1.2 地面塌陷

地面塌陷为地表岩体或土体在自然作用或人为活动的影响下向下陷落，在地面形成凹陷、坑洞或裂缝的过程和现象，可分为岩溶地面塌陷和采空地面塌陷[1]。

岩溶地面塌陷是指岩溶洞隙上方的岩土体在自然或人为因素作用下发生变形破坏，并在地面形成陷坑的一种岩溶地质作用和现象，简称岩溶塌陷[1]。徐州市岩溶地面塌陷发生的原因主要是由于塌陷区岩溶水超采导致水位在基岩面附近作频繁升降运动，从而引发潜蚀、真空负压作用，导致土洞形成并逐渐扩大、上移，最终发生地面塌陷。

采空地面塌陷是指由于采矿形成地下空间，导致上部岩土层在自重作用下失稳而引起的地面塌陷现象[11]。徐州市采空地面塌陷主要与煤矿、铁矿和石膏矿等地下开采活动有关。

1.3 地面沉降

地面沉降是指由自然因素或人为活动引发松散地层压缩而导致地面高程降低的地质现象[1]。徐州市地面高程不断下降主要是由于含水层地下水的过量开采致使地下水水位下降、土层中孔隙水压力降低以及土层有效应力增大而导致的。

2 地质灾害特征

2.1 地质灾害成因

2.1.1 崩塌

徐州市位于鲁西南丘陵区，山体岩性主要为较完整灰岩，崩塌地质灾害主要发生在人工开采后形成的高陡边坡上。由于边坡岩体裂隙发育形成危岩体，在降雨、大风、震动等自然因素和人工干扰等诱发因素作用下，这些危岩体发生翻转、滑移或坠落，形成崩塌。依据崩塌形成机理和运动形式进行分类，徐州市崩塌多属于坠落式崩塌，滑移式崩塌和倾倒式崩塌数量则较少。

2.1.2 地面塌陷

(1)岩溶地面塌陷。通过分析徐州市岩溶地面塌陷点地层与地质构造条件、岩溶发育特征及岩溶水开采等因素可知，导致岩溶地面塌陷的原因主要有以下3点：

第一，徐州市岩溶地面塌陷多受废黄河断裂带及古河道控制。废黄河断裂带基岩裂隙和岩溶较发育，古河道沉积的砂性土层直接覆盖在寒武系—奥陶系可溶性碳酸盐岩上，当基岩中溶洞发育至基岩顶面后，基岩之上的松散-稍密状砂性土覆盖层便会随地下水流失而产生塌陷。

第二，徐州市岩溶地面塌陷多分布在超量开采地下岩溶水形成的降落漏斗内。徐州市岩溶水开采始于1941年，此后水位呈逐年下降趋势，并出现超采现象[12]，同时因季节降水量的不同，岩溶水位表现为多年趋势性下降和季节性频繁波动，导致孔隙水与岩溶水联系更加密切，加速了孔隙水向岩溶水的补给，所形成的较大水力梯度致使土洞发育并向上发展，最终导致地面塌陷。

第三，地面振动及强降雨加剧了徐州市岩溶地面塌陷的发生。已发生的岩溶塌陷中有4处位于铁路路基附近，火车的频繁振动导致洞顶失稳，同时地面振动及强降雨加剧了砂性土的流失，从而引发岩溶地面塌陷。

(2)采空地面塌陷。徐州市煤矿的采矿方式主要是走向长壁式，采空区的顶板管理大多为全部垮落法。煤层采出后，在岩体内部形成一定空间，其周围原有的应力平衡状态受到破坏，采空区顶板覆岩失去支撑而垮落，通过煤层顶、底板变形破坏来达到新的应力平衡。石膏矿、铁矿虽采用房柱式开采，留有矿柱用以支撑顶板岩层，但随着矿层顶、底板及矿柱在地下水和空气的作用下风化、变形，强度降低，在上覆岩层的自重应力和构造应力的作用下，矿柱可能会发生较大变形，遭受破坏，从而导致上覆岩层垮落。顶板岩层的变形破坏一般自下而上出现“冒落(垮落)、裂缝和整体移动(弯曲)”3个破坏带，当这3个带达到地表时，便会使地表产生移动和变形，即形成采空地面塌陷。

2.1.3 地面沉降

丰、沛、睢地区分布有大面积巨厚的未固结松散地层，颗粒较细，可压缩性强，为地面沉降提供了物质基础。由于长期过量开采地下水，区域性深层地下水位不断下降，土体的天然应力失去平衡，致使砂层中的孔隙水压力降低，土层的有效应力增大，含水层被压缩发生变形，进而引发地面沉降。丰、沛、睢地区地面沉降区主要分布于地下水开采强烈、水位下降幅度较大的区域(累计降幅大于30 m)，且与区内地下水位降落漏斗相吻合。

2.2 地质灾害空间分布

徐州市地质灾害主要包括崩塌、地面塌陷和地面沉降，各类灾害的空间分布情况见图1。

图1 徐州市地质灾害空间分布

Fig.1DistributionofgeologicalhazardsinXuzhouCity

2.2.1 崩塌

徐州市崩塌地质灾害主要分布于睢宁县、邳州市、贾汪区、铜山区和徐州市区剥蚀残丘山体周边人工开采宕口内。睢宁县、邳州市、贾汪区、铜山区崩塌点大多远离居民区，虽存在发生崩塌的物质条件和诱发因素，但由于人迹罕至，危险性较小； 而市区部分崩塌点多位于居民区、厂区或道路周边，威胁人口较多，危险性较大。

2.2.2 地面塌陷

2.2.2.1 岩溶地面塌陷

徐州岩溶地面塌陷主要分布于城市中心区黄河故道周边。徐州市最早的岩溶地面塌陷事件发生于1986年5月27日徐州市溶剂厂。此后，在新生里、民安巷、五交化商场、开明市场、朝阳路和下洪村等地先后发生岩溶地面塌陷14起，共20个塌陷坑(表1、图2)。

表1 徐州市岩溶地面塌陷地质灾害一览表

(续表)

图2 徐州市主要岩溶地面塌陷点分布Fig.2 Distribution of main Karst collapse points in Xuzhou City

2.2.2.2 采空地面塌陷

徐州市有130余年的采煤历史，多年开采造成采煤沉陷区广泛分布，涉及贾汪区、铜山区、泉山区、鼓楼区、沛县和丰县(图1)，总面积282.26 km2左右。目前,徐州市煤矿采空地面塌陷地质灾害隐患点有50余处。

徐州市地下开采铁矿矿山位于铜山区利国镇和沛县栖山镇、张寨镇，多年地下开采引发了数次地面塌陷地质灾害，对原始地形地貌造成了一定的改造与破坏。

徐州市石膏矿采空地面塌陷主要分布于邳州市北部。截至2018年底，邳州北部石膏矿区内共发生21处采空地面塌陷，基本特征见表2。按塌陷形成机理及形态特征，可将其分为面状地面变形、波状地面塌陷和点状地面塌陷3类。

2.2.3 地面沉降

地面沉降主要发生在丰、沛、睢城区及周边地下水强烈开采区，形成睢宁城区、沛县城区—大屯及丰县城区3大沉降漏斗。其中，丰、沛地区地面沉降发生时间较早，1988年已形成与开采区一致的沉降漏斗，最大累计沉降量达329 mm，至2006年，最大累计沉降量达821 mm，平均沉降速率为27 mm/a，根据地面沉降监测资料及地下水降落漏斗分布范围，推测目前该区累计沉降量>200 mm的区域面积达200 km2，累计沉降量>100 mm的区域面积达600 km2[13](图3)。睢宁城区地面沉降主要发生于城区西北部菁华学校一带及城区东部红旗桥—高作水厂一带，2009—2013年最大累计沉降量分别约为290 mm和250 mm[8](图4)。

表2 邳北石膏矿区采空地面塌陷基本情况一览表

(续表)

图3 1988—2018年丰、沛地区地面沉降等值线图Fig.3 Isogram of ground subsidence in Feng-Pei area from 1988 to 2018

图4 2009年—2013年睢宁城区地面沉降等值线图Fig.4 Isogram of ground subsidence in Suining urban area from 2009 to 2013

2.3 地质灾害发展趋势

2.3.1 崩塌

自2005年以来，徐州市共治理了57个废弃露采矿山，消除了多处崩塌地质灾害隐患。目前徐州市已完成全市范围露采矿山地质环境调查和崩塌地质灾害隐患点排查工作，后期将按规划开展崩塌地质灾害治理工作。崩塌地质灾害将逐步减少，危害性也将进一步减小。

2.3.2 地面塌陷

(1)岩溶地面塌陷。目前，岩溶区工程建设皆针对岩溶发育特征采取了相应的防治措施，从源头上防止了岩溶地面塌陷的发生。此外，徐州市已限采地下水，并充分开发利用骆马湖、南四湖等地表水源，对岩溶水位的稳定起到一定的促进作用，可进一步降低岩溶地面塌陷发生的风险。

(2)采空地面塌陷。目前，城市规划区煤矿已闭坑多年，区内既有采空区已达到基本稳定或稳定，后期地表变形进入残余变形期，发生地面塌陷地质灾害的可能性较小。但丰、沛地区煤矿企业大部分还处于生产状态，区内存在大量新生采空区，部分尚未发生地面塌陷的采空区地面变形会随着时间的推移而不断增加，极有可能发生地面塌陷。

目前，铜山区利国镇和沛县栖山镇、张寨镇地下开采铁矿矿山主要采用充填式开采，对地表及其建筑物造成的影响较小，因此，铁矿区地面塌陷主要由前期开采所引起。根据矿层开采特征和围岩结构特征，结合已发生的地面塌陷的特点，预计区内发生地面塌陷的可能性较小，主要形式为小型突发地表塌陷坑。

邳北石膏矿区现在处于停采状态，若未来进行规范开采，其开采深厚比将大于80，对地表及其建筑物造成的影响较小。由此说来，邳北石膏矿区地面塌陷主要由前期不规范开采所引起。目前，地面塌陷地质灾害仍时有发生，既有巷道顶、底板及矿柱将长期遭受水浸侵蚀，并不断剥落、片帮、塌落，最终失去强度，形成地面塌陷坑及地面裂缝，甚至还将引发大面积的地面塌陷。

2.3.3 地面沉降

与苏锡常及沿海等地面沉降严重区相比，丰、沛、睢地区地面沉降发生时间较晚，严重程度也较低，但近年来发展较快。不过，随着对丰、沛、睢地区地下水开采的控制，地面沉降趋势将有所减缓。

3 地质灾害防治

3.1 崩塌

目前，针对崩塌地质灾害的防治措施主要是开展露采矿山地质环境调查和崩塌地质灾害隐患点的排查工作，并在此基础上，对存在崩塌地质灾害隐患的宕口进行工程治理，消除地质灾害隐患。此外，还要加强地质灾害防治管理与宣传工作，提高公众的减灾、防灾意识，减少人员、财产损失。

3.2 地面塌陷

3.2.1 岩溶地面塌陷

目前，针对岩溶地面塌陷的防治措施主要有以下几个方面：一是进行岩溶塌陷易发区划分，在岩溶塌陷易发区内开展大比例尺专项地质勘查工作，在岩溶塌陷发育地段开展岩溶塌陷监测并建立岩溶塌陷地质灾害信息管理系统及相应的数据库； 二是在工程建设前对场地进行岩溶塌陷地质灾害危险性评估及岩溶专项勘察工作，针对场地岩溶发育特征，采取注浆或其他地基基础与结构工程措施。

3.2.2 采空地面塌陷

目前，针对采空地面塌陷的防治措施主要有以下几个方面：一是加强采空地面塌陷区工程勘察和建设用地适宜性评价工作，分区评价采空地面塌陷易发性和危险性，针对采空区特征采取注浆或其他地基基础与结构工程措施，从源头上预防并减少灾害； 二是加强管理，规范铁矿、石膏矿的开采，可采取充填式开采方法，保证地表变形量在可控、无害范围内。

3.3 地面沉降

目前，针对地面沉降的防治措施主要有以下几个方面：一是充分利用现有的地表水厂，开发新的地表水源地，加强地下水开采管理，实行地下水限采或禁采，减少对地下水的长期开采，把地下水开采量控制在合理范围内； 二是建立地下水监测系统与地面沉降监测网络体系，及时掌握地下水、地面沉降动态情况，适时调整地下水开采计划，实现对地下水资源的动态管理。

4 结论

通过对徐州市近年来地质灾害调查与防治工作的梳理归纳，得出以下结论:

(1)徐州市地质灾害的类型主要有崩塌、地面塌陷、地面沉降等，主要由人类开采矿产资源和地下水资源等工程活动引起。

(2)崩塌地质灾害主要分布于剥蚀残丘山体周边人工开采宕口内； 岩溶地面塌陷主要分布于城市中心区黄河故道周边； 煤矿采空地面塌陷主要分布于贾汪区、铜山区、泉山区、鼓楼区、沛县和丰县； 铁矿采空地面塌陷主要分布于铜山区利国镇和沛县栖山镇、张寨镇； 石膏矿采空地面塌陷主要分布于邳州市北部； 地面沉降主要分布于丰、沛、睢城区及周边地下水强烈开采区。

(3)随着崩塌地质灾害治理工作的推进，崩塌地质灾害将逐步减少； 由于工程建设中采取了相应的防治措施以及地下水控制开采措施，岩溶地面塌陷发生的风险将进一步降低； 采空地面塌陷主要由煤矿、铁矿和石膏矿的开采引起，后期新的煤矿采空区将引发大面积地面塌陷，铁矿、石膏矿地面塌陷主要由不稳定的老采空区引起； 由于地下水的控制开采，地面沉降将进一步缓解。

(4)地质灾害防治措施主要有控制地下水开采、采用矿山绿色开采方式、进行调查评价监测以及采取各种工程措施等。