铜陵某铜矿区地表塌陷成因分析

张亚娇

(上海勘察设计研究院(集团)有限公司，上海 200093)

0 引言

随着我国社会经济的快速发展和对矿产资源需求的不断增长，金属矿山开采引起的地表塌陷、沉降、滑坡地质灾害和由此带来的环境问题对人民的生命财产安全构成了严重威胁[1,2]。

本文以铜陵某铜矿区为例，结合该矿区内地层、工程地质与水文地质条件，及本次工程勘探成果，分析了地表塌陷成因。

1 工程概况

2015年2月，铜陵某铜矿区散户区发生了地面坍塌险情，塌陷坑直径约8 m，因塌陷损毁的居民房2间，塌陷面积约80 m2，塌陷坑深度约20 m，受直接影响住户65户、人数136人，无人员伤亡。同时，塌陷坑及周边部分居民房屋产生坍塌或裂缝，居住功能丧失，附近道路还出现多处地表裂缝和下沉。

2 地质环境条件

2.1 地形地貌

塌陷区位于岩溶高丘亚区。高丘走向北东向，地面坡度20°～50°，标高200 m～250 m，相对高差100 m～150 m。塌陷区微地貌单元有中丘、残丘、土岗、冲沟谷地，地势北侧和西北侧低，南侧高。塌陷坑位于南侧中丘山脚下，地形坡度10°～20°，标高32 m～40 m。

2.2 地层岩性

2.3 水文地质条件

塌陷区地下水主要是第四系孔隙潜水和基岩裂隙地下水，地下水由大气降水入渗补给。含水层特征及富水性如下：

1)第四系孔隙含水岩组：分布于地势低洼地带，主要由第四系残坡积物组成，岩性为粉质黏土、粉质黏土夹碎石，碎石成分为风化石英闪长岩、大理岩。单位涌水量为0.019 L/(s·m)～0.016 5 L/(s·m)，渗透系数3.93×10-6m/s，富水程度微弱。

2)碳酸盐岩夹碎屑岩类溶裂隙含水岩组：为三叠系和龙山组(T1h)，岩性为钙质页岩夹灰岩及灰岩夹钙质页岩或互层，蚀变后角砾岩夹大理岩、矽卡岩夹角砾岩或互层。单位涌水量2.45 L/(s·m)，渗透系数1.46×10-5m/s，矿化度0.154 L/g，富水程度弱～中等。

3)岩浆岩类裂隙水含水组：地表地下均有分布，地表及其浅层风化强烈，岩石呈砂状～土状，含弱的风化裂隙水，中深部岩石新鲜完整，裂隙不发育。单位涌水量 0.11 L/(s·m)，渗透系数1.50×10-6m/s，富水程度弱，为相对隔水体。

2.4 采矿情况

区内采铜历史悠久，目前勘查区东侧和西侧均有铜矿生产区。其中，东侧矿区开采历史较长，早期存在无序开采和采空区未完全处理等问题，导致该铜矿的采矿范围内(覆盖本项目的塌陷坑所在区域)-50 m以浅形成大量采空区，这些采空区曾经引发过多次塌陷事故。西侧矿区开采时间相对较短，采矿方法主要采用大直径深孔采矿阶段空场嗣后充填采矿法，盘区沿矿体走向布置，盘区内分矿房矿柱两步回采。采场垂直矿体走向布置，一步骤回采矿房，矿房空区采用尾砂胶结充填；二步骤回采矿柱，矿柱空场采用废石或全尾砂充填。

3 地表塌陷及变形

3.1 塌陷坑

大塌陷坑直径约8 m，深度约20 m，塌陷面积约80 m2。起初塌陷坑呈圆柱形，次日塌陷坑周边土体崩塌，滑落向坑内。本次实测塌陷坑外围直径东西向约20.0 m，南北向约20.0 m；内侧直径东西向约9.0 m，南北向约6.0 m，呈不规则漏斗状深坑。坑深从北侧地表计算约3.0 m～5.0 m，坑深从南侧地表计算约8.0 m～10.0 m，平均深度约4.5 m。估算塌陷总方量约1 430 m3(见图1)。

3.2 周边地道路和房屋变形

在大塌陷坑外侧道路开裂，形成2条裂缝，裂缝最大宽度约5 cm，两裂缝长度约9 m，间距约1 m，高差约0.4 m。根据66个路面沉降监测点的垂直位移量监测值，下沉最大点位移值为-3.00 mm，监测点平均垂直位移量为-0.67 mm，平均变化速率-0.003 mm/d。

塌陷坑附近散户房屋除塌陷损毁外，还有部分房屋因开裂无法居住。根据对房屋裂缝历时半年的变形监测数据，13个建(构)筑物7个监测点无变化，6个监测点变形最大值为0.3 mm，最大变化速率为0.001 7 mm/d，平均变化速率为0.000 4 mm/d(见图2)。

4 工程勘探成果

4.1 物探成果

针对勘查区地球物理探测工作，选用了瞬变电磁法、视电阻率电法、充电法和跨孔电磁波CT成像。其中，瞬变电磁法和视电阻率测试探摸出平面异常区域，跨孔电磁波CT确定地下空洞位置，井中电磁波CT用以确定空洞的展布方向。

瞬变电磁剖面及平面成果推测出的3个主要低阻异常区，主要为基岩破碎和裂隙发展的反映。根据大塌陷坑底部物探充电法工作，测线一测点电位梯度值为0，解释该测点与充电点(塌陷中心)为同一等位体，判定为同一空洞异常。后期经钻探验证，确定勘查区大塌陷坑下部存在空洞。同时结合电磁波CT和钻孔信息，推测塌陷坑下空洞位置埋深约40.0 m，在向西延伸时与水平方向呈一定角度走形。

4.2 钻探成果

本次结合地面裂缝、塌陷坑分布在物探反应异常区共布设了14个钻孔进行验证。根据钻探成果，塌陷区范围内除表层填土和粉质黏土外，以闪长岩和矽卡岩为主，勘探深度内岩石风化程度强，钻探取芯呈砂、土状，极破碎，岩石质量差。勘察区地层分布如表1所示。

在钻探过程中，部分钻孔出现了埋钻及漏水严重等现象，同时在该钻孔内经井下摄像证实有空洞存在，对应钻孔深度35.2 m～35.8 m，空洞下至40.0 m区间已被碎石、砂砾夹黏性土填充。塌陷坑区地段以矽卡岩为主，间夹闪长岩，上部基岩(约25.0 m～35.0 m)全强风化，下部基岩中～强风化(见图3)。

4.3 工程勘探成果分析

综上，勘查区塌陷坑下部存在空洞，根据塌陷的规模推断空洞范围较大，空洞走向推测为近东西向，由于基岩破碎、裂隙发育，空洞处于欠稳定状态，在重力作用下失稳、垮塌，在地表形成塌陷坑及地表裂缝。

5 塌陷成因分析

表1 勘查区地层分布表

1)塌陷坑分布范围内上覆第四纪覆盖层较薄，厚度约5 m～15 m，大塌陷坑塌陷规模较大、深度深，现场勘查发现埋深-10 m～0 m标高范围内有空洞(最大深度40 m)，可排除土洞塌陷所致。同时勘查期间大塌陷坑区域岩溶不发育，大塌陷坑区段钻探过程中其揭露的和龙山组灰岩受到变质作用已矽卡岩化，岩芯未见到溶蚀的溶孔、溶隙和溶洞迹象，亦排除岩溶引起塌陷的可能。

2)结合本区铜矿开采历史，遗留空洞可能性大。同时结合本次物探及钻孔成果，综合分析认为，塌陷坑是采空空洞顶板破坏引起的地面塌陷。

3)本塌陷坑下方空洞上部基本由强风化矽卡岩和全风化闪长岩组成，岩体破碎、风化严重；下部主要是中风化矽卡岩，故塌陷坑采空基本上位于强风化和中风化矽卡岩(矿化体)中。塌陷区第四系覆盖层土层厚度薄，结构松散，利于大气降水入渗及入渗过程中产生对土体颗粒的潜蚀、掏蚀、搬运作用。在地表塌陷形成过程中，地表水、地下水为裂缝的扩展、进而演化为塌陷坑提供了必要的水动力条件[3,4]。同时，考虑到本场地破碎的裂隙岩体，周边矿区的爆破累计效应也予以考虑。

4)矿山地下开采形成的采空空洞是本次塌陷坑形成的主要因素，而地表水和地下水作用、周边矿区爆破可能加速了其地面变形的发展。

6 结论与建议

6.1 结论

1)通过现场工程物探和钻探证实，塌陷坑下方存在较大规模且深度深的空洞，由于基岩破碎、裂隙发育，空洞处于欠稳定状态，极易发生失稳和垮塌。

2)塌陷坑及道路和房屋变形主要由矿山地下开采形成的采空空洞，在地表水、地下水下渗和爆破振动作用，顶板岩土体“劣化—垮落”而形成渐进式破坏模式引起的。其中采空空洞的存在是内因，地表水、地下水下渗和爆破等外因加速了其地面变形的发展。

6.2 建议

1)建议对塌陷坑附近以及潜在可能产生地表塌陷区未搬迁的住户尽快搬迁、安置。

2)开展本区地质灾害危险性评估工作，对塌陷区灾情发展做进一步论证，并制定综合整治方案。

3)建议对勘查区塌陷坑及潜在可能产生地表塌陷的区域开展长期的变形监测和预警工作，做好防灾减灾应急预案。