涟源市七星街镇洪源社区—茹草村地面塌陷特征分析

2020-07-09谢继明李常辉

资源信息与工程 2020年3期

谢继明，李常辉

(湖南省煤田地质局第六勘探队，湖南湘潭 411100)

工作区位于涟源市七星街镇境内，涵盖洪源社区、烟竹村、石珠岭村、茹草村，总面积7.20 km2，区内有煤矿2家，年产原煤9.0万吨。区内属低山～丘陵地形，碳酸盐岩分布广，岩溶发育。因采煤活动及强降雨影响，造成地下水水位大幅波动，使上覆岩土体失去浮托力，进而产生地面塌陷、房屋开裂变形。笔者在进行《涟源市七星街镇烟竹村8组、三角村2组、栏马村老屋组地面变形地质灾害补充调查》工作时，通过收集区域地质资料、水工环地质调查，结合物探、钻探及土工试验，对工作区内的地面塌陷地质灾害的地质环境条件进行了调查评价，对地面塌陷成因和形成机理进行了分析，并提出相应的防治建议。

1 地质环境条件

1.1 气象水文

工作区属亚热带气候，温暖湿润，雨量充沛，夏热冬寒，四季分明，年平均气温17 ℃，年平均降雨量为1 450.97 mm,集中降雨时间为4～6月，易诱发地质灾害。区内溪流主要有归水河、腊马溪，归水河属湘江水系涟水河支流湄江分支，流向为自北向南，常年有水，其流量一般在461.42 m3/s；腊马溪为常年性溪流。另区内分布有众多的山间小溪流和小型水库及山塘，较大的水库有文革水库与石珠水库[1]。

1.2 地形地貌

工作区总体地势为北高南低，向河谷逐步降低；属低山～丘陵地形，最高点位于北部大众排474.3 m，最低点位于西南部石溪桥142.2 m，区内主要地貌类型为侵蚀堆积地貌类型和溶蚀构造地貌丘陵沟谷。

1.3 地层岩性

区内地层有：第四系(Q)、三叠系下统大冶组(T1d)、二叠系上统长兴组(P2c)、二叠系上统龙潭组(P2l)、二叠系下统茅口组(P1m)。以碳酸盐沉积为主，主要的沉积建造类型为浅海相灰岩建造。二叠系下统茅口组(P1m)岩性为浅灰色厚-巨厚层状石灰岩，质纯，岩溶发育，溶蚀现象强烈，为区内地面塌陷发育主要地层。

1.4 地质构造

工作区位于桥头河向斜西北翼东北部，总体为单斜构造，地质构造条件简单。

1.5 岩土体工程地质、水文地质特征

区内岩土体工程地质、水文地质特征见表1、表2。

表1 工程地质类型及特征一览表

表2 地下水类型及富水性分级一览表

2 区内地面塌陷现状及特征

2.1 地面塌陷现状

地面塌陷为区内地面变形地质灾害主要类型。根据2017年地面变形补充调查项目的调查结果，区内共有地面塌陷48处，其中岩溶地面塌陷44处、采空地面塌陷4处，规模以小型为主，地面塌陷已损坏房屋100间，直接经济损失113.3万元，威胁人口500余人[1]。

2.2 分布特征

调查区内已发生的地面塌陷坑主要分布于岩溶强烈的覆盖型碳酸盐岩地区、采煤活动强烈地区、地下水主要径流区和排泄区。区内二叠系茅口组厚层状块状灰岩质纯，相对溶解速度较大，塌陷多分布在灰岩与煤系地层接界处。调查资料表明，区内塌陷坑多分布于地形低洼或地下水排泄区附近，其地貌类型为溶蚀构造地貌丘陵沟谷，少量塌陷坑位于山坡。

2.3 发育特征

区内地面塌陷共48处，其中岩溶地面塌陷44处、采空地面塌陷4处。规模：中型5处、小型43处；长列式19处、群集式29处；8处稳定、16处较稳定、24处不稳定。剖面形态呈碟状、锥状，深度为1.0～8.0 m。平面形态呈近圆形、椭圆形、长方形、不规则型，直径1.0～15.0 m不等，详见表3。

表3 地面塌陷坑特征统计表

续表3

编号发生时间地层平面形态剖面形态长轴/m短轴/m深度/m规模TX0072015.12P1m椭圆形锥状3.102.403.50小型TX0082008.3P1m圆形锥状5.00/3.00小型TX0092015.4P1m圆形锥状2.00/5.00小型TX0182013.1P1m圆形锥状4.00/8.00小型TX0192013.1P1m长方形碟状8.004.006.00小型TX0202013.1P1m圆形锥状3.00/5.00小型TX0212013.1P1m圆形锥状3.00/5.00小型TX0222012.4P1m圆形锥状1.00/1.00小型TX0232015.6P1m椭圆形锥状6.005.004.00小型TX0242015.5P1m不规则碟状10.00/3.00中型TX0252015.6P1m近圆形锥状2.50/1.00小型TX0262015.6P1m圆形锥状0.50/2.00小型TX0272014.5P1m椭圆形锥状3.502.002.00小型TX0282016.5P1m椭圆形锥状8.007.003.00小型TX0292014.5P1m不规则碟状7.004.003.00小型TX0302016.3P1m椭圆形锥状5.003.002.00小型TX0312016.3P1m不规则锥状2.001.002.00小型TX0322015.6P1m圆形碟状5.001.003.00小型TX0332014.3P1m圆形碟状4.00/3.00小型TX0342016.6P1m圆形碟状5.00/4.00小型TX0352012.5P1m圆形碟状2.50/1.00小型TX0362015.6P1m圆形碟状4.00/6.00小型TX0372006.6P1m圆形碟状1.50/1.00小型TX0102015.6P1m圆形锥状15.00/8.00中型TX0111990.1P1m圆形锥状4.00/6.00小型TX0122015.1P1m圆形锥状1.00/2.50小型TX0132015.1P1m圆形锥状2.80/4.00小型TX0142015.1P1m长方形碟状6.202.608.00小型TX0152015.1P1m圆形锥状3.50/3.00小型TX0161990.1P2l圆形锥状3.50/3.00小型TX0472017.3P1m圆形锥状10.00/5.00中型TX0482017.6P1m椭圆形锥状2.001.506.00小型TX0422016.3P1m近圆形碟状5.00/2.00小型TX0432016.3P1m不规则碟状4.00/1.50小型TX0442008.6P1m近圆形碟状2.50/1.50小型TX0452008.6P1m近圆形碟状5.50/2.50小型TX0462010.6P1m不规则碟状6.00/3.00小型TX0382014.12P2l不规则碟状7.00/1.50小型TX0392014.6P2l近圆形碟状10.00/6.00中型TX0402014.6P2l近圆形碟状10.00/4.00中型TX0412014.6P1m近圆形碟状4.00/1.50小型TX0172006.1T1d近圆形锥状2.50/4.00小型

2.4 物质特征

根据钻孔ZK2揭露，土层中局部发育土洞，一般大小为0.1～0.4 m。因地下水位上升，遇土层中粗颗粒、黏性差、胶结差的土体易造成其崩解，从而形成土洞。岩溶塌陷区上部为松散土体，下部为坚硬的二叠系茅口组P1m灰岩，为覆盖型岩溶区。岩溶发育强烈，溶洞呈串珠状，无充填，多为开口溶洞。

3 地面塌陷发生原因分析

3.1 矿山疏干排水产生的塌陷

区内煤炭资源丰富，有2家煤矿企业，含矿层位为二叠系上统龙潭组地层，探明资源储量279.5万吨，区内强烈的采煤活动是岩溶地区产生地面塌陷的主要因素。区内岩溶地面塌陷主要是由于矿山疏排地下水，使地下水位大幅度降低形成较大规模的地下水降落漏斗，使漏斗区内岩溶洞穴口上覆的岩土体失去地下水的浮托力致使地面产生塌陷。

3.2 矿山停产使地下水位恢复引发的塌陷

地下水位长期大幅度下降后，矿山停产使地下水位大幅度上升，造成岩溶洞穴口上覆盖的土体被地下水浸润饱和，土体自重增加，地下水再次产生潜蚀作用、散解作用及正压气爆作用，因而产生塌陷[2]。如青山煤矿2015年停产，地下水位逐渐大幅上升，使原来形成的降落漏斗基本得到恢复，水位恢复后产生了较多的地面塌陷。

3.3 暴雨引发的塌陷

区内雨量丰富，年平均降雨量为1 450.97 mm,集中降雨时间为4～6月。区内地面塌陷多数发生于降雨3～6月，降雨使原本松散不饱和的土体达到饱和状态，增加土体自重，并渗透补给岩溶水，加速土洞或溶洞充填物的潜蚀、搬运，造成细颗粒成分的流失使土洞或溶洞不断扩大，致塌力大于抗塌力从而产生地面塌陷。

4 地面塌陷形成机理分析

4.1 地层条件分析

据ZK01、ZK02钻孔等资料，塌陷区上部为第四系冲洪积物与残坡积物组成的松散土体，下部为二叠系下统茅口组灰岩，为覆盖型岩溶区。

上部松散土体：单层结构，力学性质差异较大。黏性土以可塑状为主，表部一般软～可塑，天然含水量ω为22%～37%,孔隙比e为0.6～1.1，液性指数Il为0.26～0.45，塑性指数Ip为9.3～22.2，压缩系数α1-2为0.23～0.40 MPa-1,内摩擦角φ为15.8°～22.6°，承载力特征值为100～200 kPa[1]。ZK01孔土层厚7.75 m，ZK02土层厚6.41 m。

第四系冲洪积层含砾黏土、碎石土土层孔隙发育，含孔隙潜水，该含水层透水性好，含水量低，力学强度高，抗塌力就大，相对难以产生塌陷。土体厚度较薄，塌陷从孕育到产生所需的时间就短，容易产生塌陷；相反，土体厚度大，土洞发展至地面的过程长，塌陷从孕育到产生所需的时间就长，相对不容易产生塌陷。所在冲洪积层区域的粉质黏土在压力作用下受地下水浸漫后，结构迅速破坏，土体下沉，发生土体湿陷现象。根据区内塌陷区土体的性质及特征，地面塌陷现象与土体的湿陷形成土洞有着一定的关联。

下部灰岩(P1m)：岩溶发育强烈，ZK01孔揭露基岩29.27 m，孔深12.5、17.92和25.1 m 3处出现溶孔及溶蚀裂隙；ZK02孔揭露基岩28.8 m，孔深6.5～6.9 m为土洞，孔深11.2～11.6 m、24.46～24.6 m为溶洞；ZK21孔揭露基岩34.9 m，孔深13.4～17.4 m为溶洞；ZK22孔揭露基岩26.3 m，孔深10.5～14.0 m、17.4～19.7 m为溶洞。钻孔见溶洞均为开口溶洞，洞高0.14～4.0 m，一般溶洞高2.0 m，一般为无充填物溶洞，溶洞具多层性，上下溶洞连通性较好。下伏可溶性碳酸岩基岩构成了本区岩溶地面塌陷的先决物质条件。

4.2 水动力条件分析

区内基岩二叠系下统茅口组灰岩岩溶发育，地下水丰富，矿山强烈的疏干排水使岩溶水位降低造成岩溶洞穴产生负压，增加第四系土体的水头压力，加速土体的渗透变形。土体的渗透变形破坏以土体中水位急剧下降时最强烈，地下水位稳定时变形速率变慢或趋于稳定，土体中水位回升恢复到原水位时，变形又加快，频繁变化可以加快土洞的形成[3]。

地面塌陷区具有双层含水结构。上、下两层地下水存在水力联系，如果存在能让砂土层产生扰动变形(或土洞)的水头差，且水头差的频繁变化将加快对土体的潜蚀、散解作用形成土洞。工程地质钻孔ZK01、ZK02均已揭露孔隙水含水层与岩溶水含水层，上部孔隙水水位埋深1.9～5.0 m，下部岩溶水水位埋深6.4～11.8 m，两者存在水头差1.4～9.9 m。由于裂隙、溶蚀裂隙、开口溶洞等的连通，岩溶水常年接受上部孔隙水的渗透补给。

地下水主要补给来源于大气降水，双层地下水的水位波动均受大气降水和地表溪流补给影响，致使上、下两层水的水头差不断变化。

4.3 地面塌陷机理分析

对现场调查结果进行分析，表明区内地面塌陷为强烈的人类工程活动(加载、矿山疏干排水)、暴雨等因素综合作用的结果。区内地面塌陷的形成过程可分为以下3个阶段：

(1)采煤活动疏干排水过程中，地下水水位急剧下降，地下水对地表覆盖层的浮托力减小，水力坡度增大，水流速度加快，水的潜蚀、搬运作用加强。溶洞充填物在水的潜蚀、搬运作用下被带走，土体松散层底部崩落、流失从而形成地下隐伏洞体[2]。

(2)隐伏洞体在地下水持续的动水压力及覆盖层的自重作用下，洞体崩落、迁移，洞体不断扩大，造成致塌力大于抗塌力，引起地面塌陷[2]。

(3)地下水不断潜蚀、搬运崩落体，洞体不断扩大向地表延伸，当地表土体的自重压力逐步接近洞体的极限抗剪强度时，地表沉降加剧，在张性压力的作用下，地面产生开裂与塌陷；当地表土体的自重压力超过洞体的极限抗剪强度时，地面产生塌陷，塌陷坑坑口周围伴生有地表拉张裂隙。

区内地面塌陷以岩溶地面塌陷为主，采空地面塌陷次之。区内二叠系下统茅口组灰岩是产生岩溶地面塌陷的内在条件，地下水动力作用是地面塌陷发生的主要因素。降雨和矿山疏干排水时，改变了地下水动力条件，降雨时地表水通过土体补给岩溶水，在地势较低的沟谷处岩溶水自然排泄补给地表水，矿山停产水位恢复上升和恢复生产强烈疏干排水造成地下水位急剧下降，对土层扰动带走土体细颗粒形成土洞及溶洞充填物被带走形成开口溶洞。在地下水侵蚀作用及土体自重作用下，造成地面塌陷。