某矿岩溶塌陷成因分析及治理方法研究

段伟强

（1.华北有色工程勘察院有限公司，河北 石家庄 050021；2.河北省矿山地下水安全技术创新中心，河北 石家庄 050021）

0 引言

岩溶地貌在我国分布广泛，尤其是碳酸岩形成的喀斯特地貌。岩溶的出现不仅与气候相关，更取决于岩石结构构造、地质构造和地下水运动情况。大气降水丰富、气候湿润地区，岩溶发育。岩层完整厚大的发育强烈，结晶颗粒粗大的岩石发育强烈，节理裂隙发育、密集处岩溶发育，正断层处岩溶发育，褶皱轴部岩溶发育，陡倾岩层岩溶发育，可溶岩与非可溶岩接触带岩溶发育，岩溶发育具有带状性、成层性。地壳强烈上升地区，岩溶垂向发育，地壳稳定地区，岩溶水平发育。地下水流冲刷剧烈、与岩石接触面大的岩溶发育[1]。

1 岩溶形成条件及成因

某金属矿尾矿库位于露天采坑中心南偏西约3.0km的山间洼地中，整个库区汇水面积约0.6 km2。主坝位于库区的东南沟谷中，初期主坝坝长90.0 m，坝高17.0 m，为均质土坝，坝体坐落在灰岩和砂页岩地基上。后期采用上游法尾矿筑坝，尾矿堆积边坡1∶4，总坝高44 m，现已堆积坝高32 m。自建成后，主坝东南侧一带累计发生塌陷近20余次。

1.1 自然因素

区内主要地貌类型为溶蚀洼地和不连续的残丘构成的低山丘陵，地势总体西北高、东南低。从地形地貌看，主坝位置为天然的地下水、地表水排泄口，利于岩溶发育。区内降水充沛，全年平均年降雨量1 500 mm左右。3～6月为雨季，约占全年降水的54%，其中5月份降水最多，12月降水最少。

塌陷在丰水期（4～5月）或枯水期初发生，以丰水期塌陷居多。降水使得区内地下水位发生剧烈抬升，短期内又迅速降低，集中强降水不仅降低了溶洞上覆土层物理力学性质，而且加剧了岩溶空腔对上覆土层的虹吸和潜蚀，诱发了地表岩溶塌陷。

1.2 地质条件

尾矿库主坝坝基地层主要为第四系和泥盆系锡矿山组上段（D3x2）砂岩和锡矿山组下段（D3x1）灰岩。坝基一带原生第四系地层极薄，厚度小于5 m，沟底堆积素填土，沟谷中间略厚，往两侧坝肩变薄，最大厚度15 m。锡矿山组上段（D3x2）砂岩呈深灰、浅灰色，可见灰白色条纹及斑块，矿物成分主要为石英质，中细粒结构，薄层状构造，泥质胶结，强中风化，分布在尾矿库上游及库区内；锡矿山组下段（D3x1）微风化灰岩呈深灰、灰白色，矿物成分主要为方解石，隐晶质结构，块状构造，岩层产状在4号背斜轴部走向近南北向，东翼向东，西翼向西，倾角60°～90°（图 1）。

图1 库区地层及构造分布Fig.1 Stratigraphy and structure distribution in the reservoir area

坝基位于4号背斜轴部，在背斜两翼，分布有非碳酸盐类的石英砂岩夹层（图2），非可溶砂岩阻隔了地下水流动，使地下水在灰岩和砂岩交界面汇集，且岩层倾角60°～90°，岩层陡倾，加剧了地下水对灰岩的溶蚀，交界面处岩溶发育。根据前期物探及钻探资料，灰岩向北东方向埋深依次加深，主坝东南方向灰岩埋深较浅，塌陷区地段岩溶发育形态主要以溶蚀裂隙、落水洞、漏斗等垂直岩溶形态为主。根据钻探揭露，其最大发育深度超过80 m，说明该地区地壳在上升，侵蚀基准面在下降，地下水在适应侵蚀基准面过程中强烈下切，形成垂直岩溶系统；但就其宽度而言，单个岩溶形态一般不超过5 m。

图2 库区褶皱剖面Fig.2 Fold section of the reservoir area

背斜轴部为锡矿山组下段（D3x1）灰岩地层，受东西向应力作用轴部节理裂隙发育，背斜轴部是产生张应力的地方，张节理发育、地表水或地下水沿这些节理裂隙作垂直运动，然后再向两翼或背斜轴线方向运动。由于受到东西向压力作用，垂直背斜轴两翼分布不同的张性裂隙，背斜核部形成较大空腔，随着地下水对裂隙的不断溶蚀拓展形成一个以背斜轴为强岩溶带，垂直背斜轴梳状分布的岩溶系统。

1.3 地下水特征

矿区主要含水层为碳酸盐岩、生物碎屑岩类裂隙岩溶含水岩组，该岩组自身透水性及富水性不强，除构造断裂带及其两翼影响带富水性及透水性中等外，其余含水岩组富水性均比较弱。但受区域构造及成矿作用影响，断裂构造极其发育，平面上形成纵横交错的网格状，垂向上浅表岩溶十分发育。依据已有水位资料和示踪试验结果，地下水主要接受大气降水入渗补给和尾矿库尾砂孔隙水下渗补给后，自西南向北东方向径流。受区域隔水地层和南北阻水断层影响，自成相对独立岩溶水文地质单元，单元汇水面积不大，且尾矿主坝总体位于单元补给区一带，接受大气降水补给有限。但尾砂孔隙水体位于坝基上游，孔隙地下水除补给库区两翼基岩裂隙水及上游灰岩地下水外，大部分向下游径流排泄，通过岩溶或塌陷天窗进一步补给主坝一带锡矿山下段岩溶地下水，补给水量可观。

塌陷区地段两翼岩层产状陡（倾角68°～90°），使地下水竖向径流流速大，水动力作用活跃，灰岩层向北东方向展布，与地下水水平径流方向一致，加剧了岩溶发育。灰岩层在地下水溶蚀下，形成的地下溶洞整体走向沿着北东方向从地表向地下深处发展，同时地下水沿着岩层界面、节理结构面、裂隙溶蚀，在各溶洞腔体之间形成了复杂的水力通道。

1.4 人为因素

建坝初期1973—1974年，尾矿砂不断堆积，共发生14处岩溶塌陷；1977年4～5月塌陷，致使排水渠断裂，发生塌陷后，均以尾粉砂或碎石、黏土对塌陷区进行了及时回填治理。1990年尾矿库暂停使用，暂未发生塌陷，一直到2012年启用后又多次发生塌陷。2016年塌陷4次，其中11月塌陷最严重，1号塌陷处短时间内塌陷深1.70 m，呈椭圆形，直径约3.00 m，塌陷方量约12.00 m3；2号塌陷处呈不规则形，宽6.00～8.00 m不等，长约30.00 m，短时间内最大塌陷深4.50 m，塌陷方量约820.00 m3。2019年5月，与原1号塌陷坑中心位置距离58 m，形成新塌陷坑，大小为6m×6m×5m，多次塌陷深度均超过5m，这与查明的空腔厚度一致。主要原因为尾矿坝堆积高度增高，库区水位抬升，塌陷区荷载增加，导致溶洞顶板破裂，第四系土层失稳诱发。

2 岩溶塌陷发展预测

场地大部分地段覆盖层厚度小于50 m，由上到下为尾矿砂①、尾矿砂②、粉质黏土、灰岩，灰岩层内存在溶洞，溶洞全充填尾粉砂、粉质黏土、碎石等（图3）；各地层物理力学参数按照现场原位试验、室内试验参数[2]，结合地区工程经验进行折减，场地内各地层物理力学参数如表1[3-4]。

图3 尾矿坝塌陷区地层剖面图Fig.3 Stratigraphic section of the subsidence area of the tailings dam

2.1 模型建立

使用某二维计算软件进行数值模拟，利用现状塌陷区剖面建立岩溶塌陷区地质模型（图4），使用表1参数进行计算，将计算结果与现状地表塌陷规律和塌陷范围进行比较，验证塌陷区地质模型的正确性。

图4 岩溶区地质模型Fig.4 Geological model of karst area

表1 地层物理力学参数值[3]Tab.1 Physical and mechanical parameters of formation

对岩溶区地质模型进行了整体计算，计算步长设置为1 500，收敛最大控制值0.001，在没有溶洞的情况下，计算收敛，主应力从上到下依次增大，符合地层重力分布规律，场地沉降最大值5 mm，水平均匀分布，符合地层倾角分布，说明该模型与实际相符合，满足计算要求。

图5是根据现状情况进行计算，计算过程中，模型计算不能收敛，说明现状情况下，地层已经发生了坍塌破坏。计算结果显示，从地表到溶洞顶部，变形依次增大，在溶洞顶部发生了坍塌，变形最大值3.80 m，地表最大变形值1.60 m。塌陷形成了塌陷漏斗，宽度101.21 m，地表变形从两边到中间依次增大，在正对溶洞顶部位置地表变形最大为1.60 m。模型计算的地表塌陷范围与现状情况下的塌陷范围一致，塌陷深度也一致。

图5 现状条件下计算成果Fig.5 Calculation results under current conditions

2.2 坝基后期塌陷预测

历史上发生多次岩溶塌陷，矿山均采用碎石和尾矿砂混合回填，然后再继续堆高坝体。该次塌陷发生后，矿山再次利用碎石和尾矿砂的混合物对塌陷区进行了回填，按照尾矿库设计，后期尾矿库还要继续堆高12 m后闭库，通过数值模拟计算对后期尾矿库坝体是否会发生岩溶塌陷进行预测。

图6 回填加高后岩溶塌陷预测图Fig.6 Prediction of karst collapse after backfilling and heightening

根据计算结果可以看出，后期尾矿坝坝基处于稳定状态，受到后期坝体继续堆高和水位抬升影响，地表出现了0.10 m的沉降，这主要是坝体的自重影响造成的。岩溶溶洞体积较小，被尾矿砂碎石回填，在塌陷区下方一定范围内形成了稳定充填区，但是尾矿砂碎石流动性极差，自然回填会形成自然休止角，在溶洞的延伸方向并不会形成连续的充填体，此次回填只会治理已经塌陷的区域，对于其他岩溶区及流通管道不会有明显的效果，这些区域随着坝体的增高和水位的抬升极大可能还会发生塌陷，塌陷坑回填只是一种被动的治理手段。

3 治理手段和方法

岩溶地面塌陷的治理，是为了保持地基稳定及地质环境均衡[5]，目前常用的方法主要分为地表封闭防渗加固[6]，地下溶洞充填加固及结构物跨越等三大类型的整治措施，针对本工程特点主要介绍三种治理手段，对比各自的优缺点。

3.1 上覆地层三重高压旋喷注浆加固

在基岩面以上的黏性土或砂土层一定的深度范围内，采用三重高压旋喷注浆，通过高压水切割黏性土或砂土层，水泥浆充填高压水切割形成的空区，形成水泥浆胶结体，在灰岩顶部形成一定厚度和较高强度的水泥浆胶结体板[7]。结合工程的实际情况，由于基岩面以上主要为黏性土层，其渗透性小，为弱透水地层，治理设计中对盖板整体性和强度要求较高[8]，三重高压旋喷注浆加固将在岩溶空腔上部形成稳定坚固的顶板。该方法施工工艺成熟，可提供较高的注浆压力，高压水切割地层能力大，范围广，浆液能控制，胶结板质量能保证。施工采用地面施工，不用进行大规模土方开挖和地下工程，在尾矿库地区尤为适用，安全性高[9]。

3.2 空腔充填碎石加固

根据矿区水文地质条件，岩溶腔体和岩溶孔洞是地下水联通通道[10]，在治理岩溶塌陷的同时，不能简单将地下水通道封堵，如果封堵，将会造成库区地下水位抬升，水压力增大，主坝浸润线抬升，主坝稳定性下降，造成溃坝的风险。同时别的副坝随着地下水位的抬升，也可能成为地下水排泄的出口，造成溃坝事故。

基于上述原因，岩溶孔洞充填碎石既能保留原有地下水通道，又能防止岩溶空腔顶板垮塌，同时也能隔绝上层含水层和岩溶腔体的水力联系，降低地下水位下降速度，达到防治岩溶塌陷和阻断水位下降对上覆地层的虹吸作用。首先利用钻孔充填碎石治理已经查明的岩溶腔体和孔洞，同时在岩溶区施工透气孔，减缓地下水下降速度，消除虹吸作用。碎石充填能从根本上消除岩溶塌陷，施工难度小，地面施工安全可靠，成本低，适合地下水流联系紧密地区及过水通道岩溶区的治理[11]。

3.3 下游透水坝治理

在确定的岩溶发育规律及地下水水流方向，采用在地下水流下游方向岩溶发育的区域，通过钻孔灌注碎石透水材料的方式，修筑一道地下透水墙体，拦截上游的细颗粒填筑材料，降低水流速度，同时在岩溶区施工透气孔，减缓地下水下降速度，消除虹吸作用。该方法能有效减缓岩溶区地下水流速，将上游塌陷区填筑的尾矿砂、碎石土等材料拦挡在透水坝前，防止填筑材料向岩溶下游及深部发育区运移，可以让填筑材料快速的充满岩溶腔体和通道，防止尾矿坝区域的岩溶塌陷。上游充填体采用了细颗粒充填物，有效解决了碎石充填体流动性差，难以形成连续密实充填带，接顶率低的问题，治理费用低。透水墙体本身就是填筑岩溶通道下游腔体形成的，不需要另外增加施工工作量，既节省成本，又有效消除岩溶腔体的塌陷隐患，同时还不阻断地下水流通通道，改变地下水流场[12]。

4 结论

尾矿库坝基水文地质和工程地质条件对岩溶发育有利，该区域岩溶发育强烈，严重影响尾矿库的稳定性，后期发生岩溶塌陷的可能性极大。通过边塌陷边回填的方法能在短时间内较为有效地治理该区域岩溶塌陷，但不能保证在别的岩溶区域不发生岩溶塌陷，这只是暂时的治标措施。符合工程实际的三种治理手段各有优缺点，可以根据业主的需求和目标进行选择。