内蒙某金矿区地面塌陷成因分析

陈 鑫，刘文芝，郭钰颖

（中色资源环境工程股份有限公司，北京 101304）

以内蒙某金矿区为例，据地方志记载及村民口述，矿山开采历史悠久，最早可追溯至清道光年间。该矿早期以私挖盗采砂金为主，后期开始浅井开拓开采，现今以开采急倾斜的薄脉状矿体为主，采用削壁充填法开采，开采深度+660m～-294m。

根据现有的调查访问，该矿区自20世纪60年代便存在地面塌陷问题，出现了塌陷坑、地面沉降、房屋裂缝等现象。近年来，地面塌陷现象愈演愈烈，对人民群众的生命财产和矿区生产建设安全造成了威胁。

1 地质环境条件

地形地貌：地貌以低山丘陵、沟谷为主，整体呈中切割地形地貌，坡度10°～30°。属典型半干旱大陆性气候，气温-30.7℃～38℃。土壤以黄绵土为主，土层厚0.5m～5m，土壤类型为沙壤质土。天然植被类型有羊草、披碱草、甜苣、苦菜、野生苜蓿等。

地层岩性：矿区出露地层有太古界建平群小塔子沟组（Arjnx）、侏罗系上统玛尼吐组（J3mn）、白垩系下统（K12）及第四系全新统（Q4）。岩性以粉土、粉质粘土、片麻岩、流纹质角砾熔岩，流纹岩，流纹质凝灰岩、沉凝灰集块岩等为主。各类侵入体主要分布在矿区的南侧，分属于印支-燕山期产物。矿区土壤类型以黄绵土为主，土层一般厚0.5m～5m，土壤类型为沙壤质土，土壤容重1.35g/cm3，PH值在7～7.5之间，有机质含量0.93%～1.12%。构造：总体构造格架是受深大断裂控制的基底断块和形成于其上的褶皱和各次级断裂。矿区发育有基底构造、构造盆地、穹状构造及断裂构造。断裂是本区的一种主要构造型式，时间上绝大多数形成于燕山期，按相对时间顺序排列有东西向-南北向-北西向-北东向次序。其中南北向及北西向断裂构造为本区的控矿、容矿构造。北东向构造为成矿后期构造，局部对前期成矿形成的矿体有破坏作用.

水文：矿区内无常年地表径流，地下水分为第四系松散岩类孔隙水、基岩裂隙水和构造裂隙水三个类型。区内构造裂隙水主要为断层控制，本区断裂构造大多为矿体、脉岩或泥质充填，不导水，仅在构造复合部位或受构造裂隙切割部位，有地下水呈点线状流出，偶有成股流出。故构造裂隙水在矿区内分布甚少。

气象：矿区内主要接受大气降水的渗入补给及两侧基岩山区的侧向补给，沿沟谷向下游径流，一部分以人工开采的方式、蒸发的方式进行排泄；大部分以断面流出的方式流出区外。区内年降雨多集中在7～9三个月，此时是地下水的主要补给期，此外3月～4月的冰雪融化对地下水也有一定的补给作用。

2 矿区开采现状

2.1 开采方式

矿区内矿体均属于急倾斜、薄-中厚矿体且斜深较大，矿山自建矿以来一直采用地下开采方式，并已形成大量的井巷工程。

2.2 开采顺序

矿床开采总顺序：矿体采用自上而下的下行式开采，中段矿块的开采顺序为后退式开采，同一水平的平行矿体应先采上盘矿体后采下盘矿体，在矿房中由下而上分层进行回采。

2.3 采矿方法

矿体围岩为斜长角闪片麻岩，属坚硬岩类，矿岩稳固；矿体倾角65°～85°，属急倾斜矿体；矿体厚度0.05m～2.84m，属薄-中厚矿体。本矿多年来一直采用削壁充填采矿法进行回采，开采回采率88%～90%、矿石贫化率45%～47%，回采率较高。

2.4 开拓运输方案

根据矿区地形地质条件、矿体赋存状态，加之矿山为生产多年的老矿山，开拓系统已基本形成，并考虑深部资源储量等情况，采用竖井+盲竖井联合开拓运输方案，并对其原有的盲竖井、盲风井等工程进行延深。

3 地面塌陷现状与分布规律

3.1 塌陷现状

（1）依据《县（市）地质灾害调查与区划基本要求》实施细则（2006年修订稿）中地面塌陷稳定性的定性评价标准进行野外定性评价，判断单体塌陷坑的现状稳定性。据对塌陷坑现状稳定性分析结果，多数塌陷处于基本稳定状态，部分处于不稳定状态。

（2）塌陷形状：在平面上多呈圆形、椭圆形及长条形（矩形）及少量不规则形态。其中，形态以圆形居多占比64.8%，矩形次之占比26.6%，椭圆形最少。

图1 圆形塌陷坑

图2 长条型塌陷坑

（3）塌陷深度：除部分调查深度不详外，其深度范围在0.3m～20m之间，平均深度约4.0m。

（4）分布面积：根据数据统计分析，塌陷分布面积在0.03m2～120m2之间，平均分布面积约13.4m2。

3.2 分布规律

3.2.1 地理空间分布规律

（1）在平面分布上，地面塌陷受控于采矿活动，塌陷严重区多位于采矿带周边，开采强度较大地段。其塌陷走向与金矿脉走向基本一致（图3）。

（2）在空间分布上，总体分布较密集，地面塌陷点多分布于沟谷及坡脚缓坡上，在山坡及坡顶则较少分布（图4）。

图4 地面塌陷空间分布规律图

3.2.2 时间分布规律

（1）按照地面塌陷时间进行划分，地面塌陷总体发生次数整体呈逐年增长趋势，近年来愈演愈烈。

（2）通过对塌陷发生月份进行统计可知（图5），地面塌陷多发生在3月份～10月份，11月份～次年2月份极少发生，其中在6月份～7月份发生的最多，4月份次之。同时，经统计6月份～9月份雨季发生地面塌陷的占比达到73.5%，而其他时间段分布相对较少。

图5 地面塌陷与月份关系图

4 成因分析

根据对本区地面塌陷的形成和发展综合分析，区内地面塌陷的可能诱发因素主要有采空区、地下水位波动、爆破振动、地质构造、不良与特殊地质体、人类工程活动等。

根据收集的《矿山开发利用方案》、矿山年检报告等资料。矿区巷道布置情况如下：3中段（+610m水平），4中段（+570m水平），5中段（+530m水平），6中段（+490m水平）。

3中段以上至地表区域，现存巷道多为老窿及民采巷道，所处地层多为第四系、全-中风化片麻岩地层。矿体顶、底板为全-强风化片麻岩，岩石多属软-较软类。根据调查及勘探情况，巷道高度多在0.8m～4.5m范围内，岩体结构主体为散体结构和块状结构，节理裂隙发育，稳固性差，遇水易崩解，易发生垮塌现象。

3中段至6中段井巷，根据收集、走访调查及现场勘查的相关资料，以中-未风化片麻岩地层为主。矿体顶、底板为斜长角闪片麻岩，岩石多属半竖硬—竖硬岩类。巷道尺寸多为2.0×2.4m2，局部采场范围相对较大。围岩顶底板处岩芯多呈微风化状态，紧邻顶底板处呈中风化状态，底板处局部可见溶蚀现象，风化深度约在0.5m范围内，裂隙发育，倾角多在40°～70°之间，多闭合，偶见泥质钙质充填，岩体较完整，大多数地段不需要支护，围岩稳定性总体上良好，但破碎带附近的坑道围岩稳定性较差，有小面积坍塌现象。

4.1 采空区因素

该区地面塌陷平面分布规律上，与采矿活动呈现一定的相关性。采空塌陷的形成和发育主要与采空区存在时间、矿层覆存条件、开采方法、重复采动等因素有关。

（1）采空区存在时间。由于矿区开采历史悠久，采空区形成时间各不相同。在荷载的长期作用下，随时间增长，岩体强度降低，变形增大，采空区整体稳定性降低，地表塌陷形成可能性变大。

（2）矿层覆存条件。开采厚度和采空区距地表的垂直深度等都是形成地面塌陷的重要影响因素，一般以深厚比来衡量。采深越浅或采厚越大，越易形成地表塌陷。3中段以上，矿层部分在基岩有露头出露，故易形成地表塌陷；3中段采厚约2m，地表至三中段深度在70m～100m之间，故深厚比为35～50，依据《工程地质手册》（第五版））采空区场地的适宜性评价，采空区深厚比小于30的地段，建筑场地适宜性较高。

（3）开采方法。工作面开采面积越大，回采率越高，则覆岩和地表的移动破坏就越严重，开采沉降引起的地面塌陷发生的可能性越大。3中段以上历史民采及偷挖盗采严重，多以单体的小竖井为主，且以人工开采为主，开采极不规范，根据本次物探解释资料和调查资料，下部还存在滞留采空区，极易形成地面塌陷。3～6中段巷道尺寸多为2×2.4m2，采用削壁充填法开采，顶板岩石碎胀系数1.4，崩落的围岩填充巷道，计算的导水裂隙带和垮落带必然远小于40m，巷道之间不会相互影响。同时地表距巷道较深，且顶底板多为微风化-未风化片麻岩，岩体结构完整，采空区井巷尺寸较小，一般不易引起地面塌陷。

（4）重复采动。当上部矿层开采后，其下方矿层再次开采时使得上覆岩土体受扰动程度加剧，进而使之破坏失稳。重复采动次数越多，采空区在空间叠置层数就越多，地面塌陷的危险性就越大。

4.2 地下水位波动因素

据地面塌陷时间分布规律，其与降水呈现显著的相关性。

（1）根据钻孔揭露资料，调查区的主要岩性以粉质粘土、粉土、砾石夹粉质粘土（砂砾石层）、全-强风化片麻岩、微风化片麻岩等。在垂向上，由粉质粘土~全-强风化片麻岩或粉质粘土~砾石夹粉质粘土~全-强风化片麻岩，其透水性总体呈增强态势。矿区含水层主要有包气带粉质粘土层、全-强风化片麻岩含水层等组成。

（2）调查区地下水的补给主要为大气降水补给，通过粉质粘土组成的弱透水层补给全-强风化片麻岩强透水层，全-强风化片麻岩层的地下水接收来自深层地下水的补给，此外，还接收4月冻融水的补给。排泄方式主要以蒸发为主。

（3）矿区采矿活动造成地下水位下降、地下水补排平衡状态破坏等。在大气降水、采矿活动引起的地下水位变化及动荷载的作用下，岩土体承受加荷与卸荷的不断变化。加荷作用条件下，由于孔隙水压力增大，有效应力下降，引起土体破坏，加荷周数愈多，其抗剪强度愈低，越易形成地面塌陷[1]。在前期地下水位下降阶段，第四系土体因失水固结及地下水位以上土体失托增荷，矿区地面表现为持续下沉；在雨季，由于地下水抽排和雨季大气降水补给地下水，造成地下水位在基岩顶板或土洞顶板附近上下强烈波动，其所形成的动压力作用在盖层土体之上，加速了土体的机械潜蚀破坏及崩解破坏[2]，从而形成地面塌陷。

4.3 爆破振动因素

本次评价范围主要为3中段以上浅层采空区和3～6中段采空区。以矿山提供的《爆破设计说明书》进行计算论证爆破振动对地面塌陷形成的影响。

爆破频率范围按地下浅孔爆破f=60Hz～300Hz之间选取，经实地调查，保护对象为地面塌陷点、民采点、毛石房屋、一般民用建筑物、矿山巷道等。

根据3～6中段巷道布置情况，按保护对象类别，计算井下爆破安全距离。对地面塌陷点、民采点、地面建筑物等按分布情况取距离放炮点最近距离，与井下爆破安全距离比较，综合评价井下爆破对各保护对象的影响，按影响程度评价其对调查区稳定性的影响。

据《爆破安全规程》GB6722-2014，爆破振动安全允许距离，按下式计算。

式中：R—爆破振动安全允许距离，m；本矿区保护对象为土窑洞、毛石房取0.9～1.5；为矿山巷道，取20～30；Q—炸药量，齐发爆破为总药量，延时爆破为最大单段药量，kg；V—保护对象所在地安全允许质点振速，cm/s；K，α—与爆破点至保护对象间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数，应通过现场试验确定在无试验数据的条件下，可参考表1选取。

表1 爆区不同岩性的K、α值

（1）3中段（+610m水平）至地面塌陷点、3中段至民采点、3中段至地表建筑物保护对象类别：地面塌陷点、民采点按土窑洞取值,地表建筑物按毛石房取值。

（2）4中段至3中段、5中段至4中段、6中段至5中段。保护对象类别：矿山巷道计算结果表明，距放炮点最近距离均大于爆破安全距离，爆破对地面塌陷点、民采点、地表建筑物、上部巷道的影响均较小。

4.4 地质构造因素

（1）地层。①第四系：基岩之上有厚层松散盖层存在时，盖层松散物质将充填、减缓地层移动产生的裂隙和破坏程度，使地表呈平缓移动，并且使移动盆地的移动变形范围加大。松散层厚度大，常引起地表塌陷的滞后效应。若松散盖层厚度小，则地表塌陷严重，滞后时间短[3]。据钻探揭示资料及物探解译资料,本区第四系盖层厚度0m～32.70m，部分区域松散盖层厚度小甚至基岩裸露地面，对地表塌陷的形成有一定影响。②围岩稳定性：3中段以上民采及老窿顶底板以全~强风化片麻岩地层为主，岩石坚硬程度为较软岩类。3-6中段顶底板岩性以中~微风化片麻岩为主，岩石坚硬程度为坚硬岩类。

故3中段以上民采及原有老窿顶底板稳定性差，易形成地表塌陷。

（2）构造。矿区位于古构造隆起上，基底相对稳定。自晚古生代，特别是燕山运动阶段以来，构造运动才变得越趋强烈，从而形成了以中生代构造盆地、构造穹隆和复杂断裂为主的构造框架。基底片麻岩为一单斜构造，局部可见小型紧闭褶曲。岩石节理、裂隙发育，片麻理走向近于东西，总体南倾，倾角60°～90°。断裂是本区的一种主要构造型式。据矿区地质资料及开采资料，东西向、南北向、北西向断裂基本不导水，仅北东向断裂可能存在构造裂隙带。

4.5 不良与特殊地质体因素

局部地区粉土具有湿陷性，受降雨入渗影响，土体力学性质减弱，稳定性降低。据计算，地基湿陷等级为Ⅰ级（轻微）非自重湿陷性场地，对地面塌陷的形成影响较小。

4.6 人类工程活动因素

该区地面塌陷空间分布规律上，与人类工程活动呈现一定的相关性。在塌陷演化过程中，人类工程活动加快了覆盖层土洞的扩展速度。本区人类工程活动较多，开挖基坑破坏了上覆粉质粘土相对隔水层，使降雨以垂直入渗补给为主，垂直方向的渗透力增加，加速土洞的快速扩展；矿山车辆、房屋、厂区设施、人类活动等地面动荷载加剧了地面塌陷。

5 防治总体思路及主要防治措施

按照地面塌陷现状及成因分析结果，结合稳定性、危害性评价结果，综合项目特点，提出防治思路及相对适宜的防治措施，给出应急防治建议。防治工程措施分如下四类。

（1）加强管理。规范矿山开采管理，严禁越层越界开采；加强地下水抽排管理等，以最大限度减轻、减少地质灾害的发生。

（2）科学避让。对于地下已探明存在老窿采空区，在相关因素的综合作用下，后续存在发生地面塌陷对地表构筑物、人员财产等造成威胁的可能性，根据现场实际情况建议采用科学避让。对于已发生地面塌陷，其塌陷是否进入休止期仍需进一步进行跟踪监测，在相关因素的综合作用下，后续仍可能存在继续塌陷可能性，建议采用工程治理与工程监测的综合防治措施，如仍存在变形、塌陷迹象，建议科学避让。后续镇、村居民点和重要工程设施应尽量避开地面塌陷影响区，特别是危险性较大区域。

（3）工程治理。①如果建筑物无法避开的地面塌陷和地裂缝，则应采取一些工程措施防止和减缓地裂缝对建筑物的危害，如加强建筑物基础的整体性，加强建筑物上部结构的刚度和强度，以抵抗差异沉降产生的拉裂等。②对于道路工程，一般只要在地面塌陷、民采、物探异常及其安全影响范围以内，建议采用预制块体铺设道路。③对于耕地中出现的地面塌陷和地裂缝，采用回填和夯实等土地复垦措施；对可能塌陷地段，做好地表排水设施，防止渗漏。④对于采空区，在“充”、“崩”、“封”等技术体系与技术方案中，寻求最佳的空区处理方法。如采用注浆法和非注浆法（开挖回填法和桥跨法）等。

（4）工程监测。在调查区范围内，做好地质灾害气象风险预警、群测群防、专业监测、治理工程监测等。

6 结论与建议

（1）综合以上因素，地面塌陷的直接诱因为采空区因素。特别是早期民采或老窿形成的采空区。地表水、地下水作用为地面塌陷提供了必要的水动力条件，人类工程活动加剧了地面变形和地面塌陷的进展。

（2）矿区通过瞬变电磁法、高密度电阻率法、地震映像法等物探方法结合钻探验证，推断采空区埋深一般在40m～70m，其中钻探揭露验证多个浅层采空区，采用“地表移动变形法”和“中小型采空区的稳定性评价”评价稳定性，但由于矿区历史悠久，开采活动为动态过程，同时本次调查受阶段精度所限和调查过程中存在人为等因素的影响，个别地区无法开展勘查验证工作，对这些位置的判断仍需进一步验证。