山东某铁矿区地面塌陷成因判别及其意义

高宗军，王庆兵，，段秀铭，吴丽莉

(1.山东科技大学，山东 青岛 266510;2.山东省地质环境监测总站，山东 济南 250014)

山东某铁矿区地面塌陷成因判别及其意义

高宗军1，王庆兵1，2，段秀铭2，吴丽莉2

(1.山东科技大学，山东 青岛 266510;2.山东省地质环境监测总站，山东 济南 250014)

山东省济南市东郊某在建铁矿，于2009年7月产生了严重的地面塌陷。通过环境地质调查发现，该矿区地面塌陷并非通常所说的采空区塌陷，而是岩溶地面塌陷。该结论为矿山地面塌陷防治提供了依据，更重要的是否定了第四系厚度大(大于35m)不能产生岩溶地面塌陷的已有认识，并预示隐伏岩溶发育地区，随着上覆松散土体厚度的加大，一旦产生岩溶地面塌陷，其规模和危害也将随之增大。

铁矿;地面塌陷;成因判别;岩溶水排放;山东省济南市

1 概述

2009年7月25日上午7点左右始，位于山东省济南市东郊的某铁矿区，产生了严重的地面塌陷，塌陷活动持续约2个小时。形成的塌陷坑呈椭圆形，南北宽约85m，东西长约95m，深约6.12m(水面以上)，塌陷区平面面积5866m2，塌陷坑底面积为4528m2。塌陷除了造成工业广场内停放的拖拉机及废弃铁架等坠入坑内及供电电线杆被折断外，还造成北侧围墙倒塌24.8m，部分路基受到破坏，没有人员伤亡。

在这么短的时间内产生强度、规模如此巨大的地面塌陷，在该地区尚属首次。对其防治及对其发展的预测等工作，都需要查明成因，因此开展了环境地质调查。

铁矿位于山东省济南市东郊，为一中生代燕山期接触交代(夕卡岩)型铁矿床。该矿始建于1999年6月，为在建矿山，至 2009年 7月，开拓巷道总长约620m，建有地下水水仓、主井、风井和东西盲井。

近十年来，矿井正常排水量约为300m3/d，最大排水量为600m3/d。通过排水管道进入工业广场外的排水沟进行排放，排水水质浑浊，夹带泥沙，致使排水沟淤积严重，需要不定期对排水沟清淤，以保证正常排水。由于清淤不及时，工业广场经常出现回水现象。

2 矿区地质环境背景

铁矿区地处暖温带半湿润大陆性季风气候区，多年平均年降水量640.1mm。区内地势较平坦，主要分布有奥陶纪马家沟组灰岩及第四系松散沉积物，矿区及附近区域内分布的岩浆岩是济南基性岩体的一部分，岩性为辉石闪长岩，经热液蚀变为蚀变闪长岩。第四系(Q)在区内广泛分布，厚度约为50m，呈二元结构，上部为粘质粉土，下部为粉质粘土夹砾石。石灰岩隐伏于第四系之下，分布于矿区的西北、东南部(图1)。受岩浆岩侵入影响，在与岩浆岩接触带附近，一般蚀变为白色至灰白色大理岩。灰岩岩溶发育，以孔洞和溶隙为主，连通性较好。

调查得知，矿区第四系松散岩类孔隙水水位埋深3～4m，单井涌水量为1.215L/s.m。岩溶水单井涌水量为2160～4320m3/d。地下水主要补给来源为大气降水入渗补给及农业灌溉回渗补给，地下水总体流向由东南向西北径流。人工开采、大气蒸发及向下游径流是主要排泄方式。

3 地面塌陷成因判别

3.1 采空区塌陷成因分析

3.1.1 地球物理探测结果

为了查清矿区地层分布及岩溶发育情况，根据矿体的走向并结合地面塌陷现状，采用瞬变电磁法，按垂直、平行矿体走向线和环绕塌陷坑布置五条剖面，探测深度为200m。综合解译结果显示，该场地各测线探测范围内浅部第四系分布相对均匀，但是石灰岩分布区内岩溶发育强烈;除正常巷道系统外，未见明显的采空区分布异常。

3.1.2 矿山井巷工程

根据矿山生产资料，截止到2009年7月25日，该铁矿一直处于基建状态，矿山采空区总体积约为9218m3。然而，矿区塌陷坑总体积为58665.8m3，远远大于采空区的体积。因而，排除了该铁矿区地面塌陷由采空引起的可能性。

3.1.3 地下水水位观测对比结果

地面塌陷发生后，及时进行矿区地下水水位动态监测。监测结果(表1):塌陷坑内的水面标高为24.82～25.26m，主竖井内的水位标高为-39.09～-37.99m，副竖井内的水位标高为-33.91～-32.27m，矿区西北侧赵仙庄第四系孔隙水水位标高为27.8～27.98m，北部冷水沟岩溶水水位标高为28.68～28.69m。说明①塌陷产生后，矿山主副井水位上升缓慢，且两者之间未取得水力联系，表明采空区尚未被充填;②区域岩溶水为承压状态，并高于第四系孔隙水的水位;③更重要的，竖井内的水位与塌陷坑内水面高差达到60m左右，矿坑水与塌陷坑水之间未发生水力联系，进一步证明地面塌陷非采矿采空区引起。

3.1.4 矿体及围岩工程地质性质

苏家庄铁矿为接触交代式矽卡岩型磁铁矿矿床，矿体顶、底板主要为闪长岩，局部矿体顶板为灰岩(大理岩)。矿石体重4.16t/m3，岩石体重2.8 t/m3，松散系数为1.5，矿石硬度系数为5，岩石厚度系数为8～12。按岩石强度分类，闪长岩、灰岩及大理岩为硬质岩石，整体性好，力学强度高。据井下现场调查，矿体及围岩工程地质性质较好，矿山巷道从矿层内建设，截面面积仅为2.5m×3.0m，同时对软弱带及时进行了支护处理。从矿体及围岩工程地质性质，结合矿层开采截面面积及处理措施分析，地面塌陷由采空塌陷造成的可能性小。

表1 地下水水位对比特征表Table 1 Characteristics for comparison of the groundwater levels

总之，根据物探结果、矿区井巷工程、地下水水位对比及矿体及围岩工程地质性质等进行综合分析，证明该矿区地面塌陷由采空引起的可能性是没有的。

3.2 岩溶地面塌陷成因分析

诱发岩溶地面塌陷产生的原因有多种，如气象条件、水文地质、工程地质、人类活动(抽水排水)及其它多种原因。岩溶地面塌陷产生的多因素成因，造成其塌陷的力学机制也是多方面的［1-2］，即多种力学机制同时作用或先后作用，或周期性作用，最后导致塌陷的产生。

3.2.1 地质环境条件

(1)地层结构

矿区及其附近区域普遍分布第四系松散层，下覆石灰岩或闪长岩。石灰岩主要分布在矿区的西北部及东南部(图1)，与上覆第四系松散层直接接触。

根据以往岩溶地貌塌陷资料［3-4］，均一的粘土抗塌性能相对较好，而二元或多元结构最易产生塌陷。该铁矿区覆盖层土体结构为二元结构(上部为粉质粘土，下部粉质粘土夹砾石)。因而从盖层土体结构分析，矿区存在产生岩溶地面塌陷的地质环境条件。

(2)岩溶发育程度

矿区位于济南岩体边缘地带，受岩浆岩穿插影响，石灰岩多蚀变为大理岩。根据《山东省济南市保泉供水水文地质勘探报告》，该矿区及其附近区域，大理岩的岩溶极为发育。岩溶以孔洞和溶隙为主，其中孔洞约占50.32%，溶隙约占41.17%，溶孔约占8.51%。调查发现矿区石灰岩岩溶发育，连通性好，可成为坍塌土体暂时储存场所和物质转移通道，具备岩溶地面塌陷产生的条件。

(3)松散盖层力学性质

上覆松散盖层是岩溶地面塌陷产生的物质基础，其力学性质、含水量与厚度等都是重要的影响因素。

(a)松散盖层抗剪强度

土体的抗塌力主要由摩擦阻力组成。根据区内工程勘察资料，粉质粘土抗剪强度(C)为 20～17(kPa)，内摩擦角(Φ)为 5.8°～18.1°，说明盖层土体抗剪强度低。

(b)松散盖层含水量

松散盖层含水量增加，将直接减小其抗塌力、增加致塌力、加大真空吸蚀作用，对地面塌陷十分有利。主要表现在:

①含水量增高，土体的粘聚力及内摩擦角减小，抗剪强度降低，抗塌力降低;

②含水量增加，土体天然容重增加，致塌力增大。

③含水量增高，使土体孔隙中水气比增加，土体透气性降低，封闭性增强，有利于形成真空负压，增大致塌力(图2)。

图2 含水量与真空负压关系图［5］Fig.2 Relationship between the water content and the vacuum subatmospheric pressure

该矿山矿坑排水过程中，经常发生矿坑水回流至工业广场现象;加之塌陷产生前雨量充沛，松散层地下水水位明显升高，矿区范围内松散盖层土体含水量升高，故对产生地面塌陷有利。

3.2.2 水动力条件

石灰岩裂隙水或裂隙岩溶水是矿床充水的主要来源，而矿区内隐伏石灰岩为岩浆岩侵入形成的不连续分布的捕掳体，故岩溶水与周围地区岩溶水源地联系较差。自1999年6月起，矿山一直进行井下疏干性排水，排水量约300m3/d，最大排水量约为600m3/d，造成矿区范围区内岩溶水位下降。枯水期岩溶水水位低于石灰岩顶板，丰水期岩溶水水位上升，高于石灰岩顶板，岩溶水水位在石灰岩顶板附近频繁波动，为岩溶塌陷产生创造了动力条件。

调查得知，矿山排水过程中，经常出现浑浊现象，需要不定期对排水沟进行清淤，才能确保矿山排水通畅。据矿主介绍，在塌陷发生前一段时间(约20余天)，地下水浑浊现象明显提高。说明排水过程中不仅排放了地下水，同时也在排放着由上覆松散盖层通过各种途径排放到岩溶空洞内的泥土。

通过岩溶地面塌陷的成因分析，认为矿山地面塌陷是由于矿山长期抽排岩溶水引起的岩溶地面塌陷。

4 结论与建议

4.1 结论

该铁矿属于中生代燕山期接触交代(夕卡岩)型铁矿床类型，铁矿位于奥陶纪石灰岩与燕山期岩浆岩的接触带上。奥陶纪石灰岩岩溶发育，岩溶水与上覆第四系孔隙水联系密切，矿山长期疏干性排放岩溶水，使得第四系孔隙水不断补给岩溶水，并伴有泥沙顺势流入岩溶空隙，并不断被排至地表，造成第四系空洞形成、蔓延，直至产生地面塌陷。

4.2 意义

通常，岩溶地面塌陷大部分发生在土层较薄的地区，尤以小于 15m 的地方为多［3，6］。但是在该铁矿区，第四系厚度相对较厚，约为50m，仍然产生了岩溶地面塌陷，且规模之大、危害之大十分惊人:近椭圆形地面塌陷长短轴分别达到95m和85m，在山东省内尚属首次，应该引起高度重视。

该事实不仅否定了第四系厚度较大(大于35m)不能产生岩溶地面塌陷的既有结论，同时也提醒大家，在隐伏岩溶发育地区，随着上覆松散土体厚度的加大，一旦产生岩溶地面塌陷，其规模将也会随之增大;由于土体厚度较大，由产生土洞到发展到地面塌陷的时间就较长，即产生地面塌陷的潜伏期增长，因此其危害性就更大，这是非常可怕的。

4.3 建议

鉴于厚度较大的第四系松散沉积物也可以产生岩溶地面塌陷的事实，建议今后在岩溶发育的隐伏灰岩区，无论其上覆第四系松散沉积物的厚度有多大，都应该进行地面塌陷的预测研究;在矿山地质环境评价中，也必须重视隐伏灰岩岩溶地面塌陷问题。

［1］高宗军，张富中，鲁峰.山东泰安岩溶地面塌陷前兆及其预测预报［J］.中国地质灾害与防治学报，2004，15(3):149-150.

［2］程星著.岩溶塌陷机理及其预测与评价研究［M］.北京:地质出版社，2006，10:3-9.

［3］高宗军.岩溶地面塌陷形成机理与成因模式研究—以山东泰安—莱芜为例［J］.中国工程科学，2008，10(4):38-43.

［4］高宗军.泰安岩溶塌陷形成机理与防治对策［J］.中国地质灾害与防治学报，2001，12(4):73-76.

［5］贺可强，王滨，杜汝霖.中国北方岩溶塌陷［M］，北京:地质出版社，2005，11:47-48.

［6］王滨，贺可强，高宗军.岩溶塌陷发育的时空阶段性分析［J］.水文地质工程地质，2001，28(5):24-27.

Causes discrimination of land collapse in a iron mine in Shandong Province and its significance

GAO Zong-jun1，WANG Qing-bing1，2，DUAN Xiu-ming2，Wu Li-li2
(1.Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266510，China;2.Geo-environment Monitoring Station of Shandong Province，Jinan 250014，China)

Severe land collapse happened in a constructing iron mine on July，2009，which is in eastern suburbs of Jinan City，Shandong Province.It is proved by environmental geological survey that the land collapse is not commonly referred as collapse of mined-out area，but karst collapse.The conclusion can provide basis for prevention and control of mine land collapse，and more importantly，it is negative for the existing theory that thick Quaternary(greater than 35m)can not produce Karst collapse，futhermore，it indicates that，in hidden karst area，with the increase of overlying loose soil thickness，once karst land collapse happens，its extent and damage will be even greater.

iron mine;land collapse;causes discrimination;discharge of karst water;Jinan City，Shandong Province

1003-8035(2010)02-0055-04

P642

A

2009-11-09;

2010-03-05

国家自然科学基金(40772145)

高宗军(1964—)，男，教授，主要从事水工环教学与研究工作。

E-mail:gaozongjun@126.com