淮南煤矿区岩溶塌陷现状及形成条件分析

高锡擎 王来斌 许光泉 沈金山

（安徽理工大学地球与环境学院，安徽省淮南市，232001）

淮南煤矿区岩溶塌陷现状及形成条件分析

高锡擎 王来斌 许光泉 沈金山

（安徽理工大学地球与环境学院，安徽省淮南市，232001）

以淮南矿区为例，结合区域地质条件，介绍了矿区岩溶塌陷现状，并对岩溶塌陷形成条件进行分析，结果表明，覆盖层特征、岩溶发育程度、地下水等对岩溶塌陷的产生有着重要的影响。

淮南矿区 岩溶塌陷

岩溶塌陷是指可溶岩洞隙上方的岩、土体在自然或人为因素作用下发生变形破坏，并在地面形成塌陷坑的一种岩溶动力作用与现象。我国可溶岩分布面积363万km2，全国有22个省区发生过岩溶塌陷灾害，造成了严重的经济损失和社会影响。

淮南矿区主要环境地质问题有：地面变形、地面沉降、采矿塌陷、岩溶塌陷、矿井灾害、井筒破裂、地下水资源枯竭、粉煤灰、煤矸石堆占地及其对环境的影响等。本文主要研究淮南矿区岩溶塌陷现状及成因。淮南矿区大部分地面塌陷是岩溶塌陷，约占塌陷总数的96.7%。岩溶塌陷的成因不外乎潜蚀、真空吸蚀、液化等几种。实践证明，在众多的成因机制中，几乎无一没有地下水运动的参与。地下水的活动是岩溶塌陷产生的最重要诱因。淮南矿区的岩溶塌陷也是由于地下水位的大幅度下降导致岩溶腔中形成岩溶真空而产生的。

1 地质环境背景

淮南矿区煤层顶底板岩性主要为石灰岩、砂岩和泥质岩等，其上为松散层覆盖。松散层厚度由南东至北西变厚，淮河以南较薄（淮南东部平均45.92m），淮河以北比较厚（如潘集区为120～480m），松散层总体厚度变化较大，由山前的十几米到山间、平原的几十至几百米不等。第四系松散层主要由砂、粉土、粉质粘土和粘土组成，其间夹有砂砾石层透镜体。地下水可分为浅部孔隙潜水和中深部孔隙承压水两种，各含水组之间由几十米厚的粘土层分割，一般不具有水力联系。潜水位埋深1～2m左右，含水层主要为冲积、洪积的砂夹粘土层，地下水活动动态随季节性变化显著，单井流量为100～500m3／d，渗透系数为1～3m／d，淮河附近大于3m／d；下部承压含水层层位稳定，但因地下水开采和坑井疏干，区内水位差异变化较大。

2 淮南矿区岩溶塌陷区现状

淮南矿区是我国主要煤炭能源基地之一，介于南北方的岩溶水类型矿区。长期疏水降压开采导致地下水位大幅度下降，引起岩溶地面塌陷（本文所论述的岩溶地面塌陷乃是岩溶地面突然或缓慢产生的塌洞坑、开裂、沉陷等地面变形破坏等现象的统称，简称塌陷），采矿至今，淮南煤田已有8个地区（矿），如九龙岗、大通、李郢孜、谢家集、土坝孜、李嘴孜、张集和孔集等均发生过不同程度的塌陷（见图1），破坏了农田，影响了工农关系正常发展，威胁公路、铁路正常运行和城乡人民生命财产的安全。

据不完全统计，淮南矿区目前的岩溶水供水和矿井水排水已达10万m3／d，数十年来已形成约59km2的降落漏斗区，其形态与沉降区一致，漏斗中心最深水位标高，如李一矿奥陶系灰岩水位－148.71m，谢一矿石炭系灰岩水位－129.22m，新庄孜矿寒武系灰岩水位已降低到－90.0m以下，造成八公山地区地下水资源枯竭，原有的20多处泉水干枯。

经野外塌陷调查表明，东部舜耕山田东的大通矿（已报废）和九龙岗矿（已报废），中部八公山的李二矿、谢一矿、谢三矿，以及西部二道河的孔集矿、张集矿都已产生过因水位下降引起的塌陷现象。对该4个地区各矿塌陷事实的调查研究表明：

（1）淮南整个矿区具备岩溶塌陷的特定地质条件。淮南矿区岩溶塌区溶岩盖层岩性及物理力学性质见表1。从表1可以看出，岩溶、裂隙发育多为口型且朝向地面分布；岩溶表面具有区域性分布的残积粘土或亚粘土层；物理性质和力学强度均良好，成为岩溶的良好隔水层，对岩溶起着相对密封作用；岩溶、裂隙内赋存着地下水，其动力条件在采矿的影响下常发生较大的改变，构成了塌陷形成的外因。

（2）地下水位的大幅度下降导致岩溶腔中形成岩溶真空，从而产生岩溶塌陷。这是引起岩溶塌陷主要成因之一。观测中发现淮南矿区岩溶地区广泛地出现了地下水位下降，在岩溶腔内出现了岩溶真空现象，岩溶腔内的压强随着地下水位下降速度的增大而增大，见图2，表明岩溶真空现象与矿区疏水降压关系极为密切。

（3）淮南矿区岩溶塌陷类型是我国岩溶矿区塌陷最典型最齐全的矿区。例如，有倒转地层、急倾斜地层和正常平缓地层岩溶塌陷；有厚层的奥陶系、中厚层的寒武系和煤系地层中薄层灰岩的塌陷；有井下放水试验、矿井突水、地面供水抽水和长期采矿疏水降压等引起的岩溶塌陷；塌陷形状有垂直向上状、漏斗状、罐状和碟状等，在平面上有呈圆形、椭圆形、条状和呈串球状等。

图1 淮南市岩溶塌陷分布区

表1 淮南矿区岩溶塌区岩溶盖层岩性及其物理力学性质一览表（部分钻孔）

图2 岩溶腔内地下水下降速度与腔内真空压强变化曲线

此外，还出现疏水降压引起地震导致的塌洞、开裂等现象和地表水体塌陷时产生的旋涡现象等等。

3 岩溶塌陷形成条件分析

岩溶塌陷形成要具备岩溶洞隙、一定厚度岩溶盖层和地下水活动3个基本条件。岩溶洞隙的存在是塌陷产生的基础，为塌陷物质提供容纳场所和运移的空间；松散岩类沉积物——土体是其塌陷体的主要组成部分；地下水活动是其产生的主要动力，地下水水位波动对土层、洞隙空间产生多种力学效应和作用，也是常规的塌陷形成的三要素。

3.1 岩溶洞隙是塌陷产生的基础

岩溶洞隙大多数是在漫长的历史时期中形成的，只有在人类活动频繁地区，强烈的地下水疏排作用使其岩溶洞隙的充填物质被水流带走，为其塌陷提供必要的空间条件。岩溶洞隙的分布和发育除受可溶岩地层条件影响外，一般主要分布于构造断裂带和岩溶破碎带。本区第四纪覆盖层下为隐伏奥陶纪马家沟组地层，这是区内岩溶最为发育的地层。根据区域地层资料：淮南地区奥陶纪马家沟组灰岩浅埋区岩溶最为发育。根据凤台县城啤酒厂钻孔资料验证，58～104m之间有溶洞，其中孔隙88m和93m处存在掉钻现象，70～100m岩心破碎为构造破碎带。此外，根据八里塘煤矿矿区地形地质图资料表明，八里塘煤矿的凤台陆塘断层为区内深大断裂，倾角30～60°，断层长达1000m，TX1岩溶塌陷坑仅距该断层直线距离650m，正好位于构造发育影响带内。

由此可见，该地区浅部岩溶发育，地层受凤台—陆塘断层影响，岩心破碎，这些岩溶洞穴的发育不单为塌陷物质提供必要的储存空间和运移场所，还控制着未来岩溶塌陷的分布，同时岩溶洞穴开启程度也是产生塌陷的重要因素，由于本区段上部钻孔揭露可见灰岩地层近10m岩心破碎，说明岩溶发育天窗是接受塌陷物质的通道。根据以往大量实际资料证实，大的岩溶洞穴其地表往往形成大的塌陷，小的溶洞形成小的塌陷，裂隙状溶洞形成条状塌陷。

3.2 松散岩体盖层是塌体的主要组成部分

岩溶塌陷体的物质可以是各类可溶岩或第四纪松散岩类沉积物，本区第四纪松散岩类沉积物为塌坑主要组成物质。松散物体一般由亚粘土、砂、碎石粘土等组成，本区为单层和双层两种结构，5.4～8.6m、26.2～33.28m为粘性土层；8.6～26.2 m（单层型）、5.4～14.1m、33.0～37.58m（双层型）为粉细砂层。在岩溶地区由于溶余堆积作用，常以均一粘土和含有碎石的粘土性土为主，在垂直剖面上，正常条件下粘土含水量由上而下逐渐增高，土层由坚硬状态逐渐过渡为软塑状态，这种软土在地下水活动作用易于流失，从而形成基岩风化面上早期的土洞；在基岩层面上常残留风化层，也易在地下水的作用下被带走而形成岩土接触面的空洞为塌陷形成创造条件。这种空洞或土洞从形成至地面塌陷有时可能时间很短，但总的来讲土层地面塌陷都有溶洞—土洞—塌陷的过程，只不过诱发因素略有差异而已。

该地区土层厚度一般为30～80m，土层结构对塌陷形成也有明显影响。浅埋岩溶松散岩类覆盖地区，由于上部土层孔隙含水层与下部溶洞裂隙岩溶含水层其含水特征、水力性质、渗透性能等都存在差异，当水位降低时上部孔隙含水层沿下部岩溶裂隙分布的地方，常形成地下水疏干漏斗或含水砂层，随着水位下降流入岩溶洞穴，致使改变下层土层力学性质。无论是天然含水量、孔隙比或饱和度，浅层上部指标大多数都高于下部，也说明了由于岩溶疏干致使下部土层失水使得土的力学性质和物理性质呈正常变化规律。通过工程物探勘查解译表明，该地区土层厚度南部薄、北部厚，厚度在30～80m之间。虽然该地区土层虽然较厚，但发育了单层或双层巨厚含水砂层，在古岩溶地质条件作用下还是存在塌陷条件。

3.3 地下水活动是塌陷产生的主要动力

地下水位下降改变了原有的地下水动力条件，从而破坏了上覆土层的力学平衡，上覆土体骨架随承受的有效压力增大地下水流速和坡降增大，与第四纪水力联系密切地段，上覆土层及岩溶通道中的充填物受到水流的冲刷，疏通和吸蚀、潜蚀及淘空，形成岩溶空间，在地下水升降作用下又可将土层中的流砂层迅速带走，短时间迅速产生地面塌陷。

该地区地下水因人类工程活动强烈，地下水位变动频繁活动，东西两地均有地下水开采和矿区开采疏干迭加影响。东西两地长期采煤疏放水和开采地下水对该地区地下水位影响极大，在地下水水位下降幅度不大、其岩溶水位在基岩顶部和第四纪底部时，仅在基岩侵蚀面附近左右随季节性变化而长期波动，地下水潜蚀能力大于搬运能力，塌陷物堆积洞顶或洞底，堵塞或削弱了洞体与溶隙或溶洞之间的联系，形成相对孤立的土洞，并能暂时维持岩土水体之间力学平衡。当地下水下降幅度过大，地下水流速水力坡度也随之增大，地下水无论其潜蚀和淘空能力均大大加强其搬运能力，其土层在水作用下，液化加速对岩溶通道冲刷作用，土洞与溶洞迅速向上发展，形成地面塌陷。

4 结论

（1）淮南矿区岩溶塌陷类型是我国岩溶矿区塌陷最典型最齐全的矿区，从塌陷类型，塌陷地层，塌陷成因上来说都具有代表性。

（2）地下水及其活动是岩溶塌陷产生的重要条件。它既可以产生溶蚀、侵蚀作用，也可以对覆盖层土体产生充数、潜蚀和搬运作用，改变上覆土体的物理力学性质，使其抗剪强度降低，从而加速了土洞及岩溶塌陷的形成，此外由于地下水活动产生的真空吸蚀作用同样加速塌陷的形成。

（3）该区的采矿等工程活动频繁，一定程度上对地下水活动产生影响，使溶洞原有静力平衡条件改变、增大致塌力、减小抗塌力，加速岩溶塌陷的发生。

（4）岩溶塌陷是淮南矿区目前存在的环境地质问题之一，本文研究了矿区岩溶塌陷现状为以后治理塌陷提供一定参考。

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Research on present situation and forming conditions of Karst collapse in Huainan mining area

Gao Xiqing，Wang Laibin，Xu Guangquan，Shen Jinshan
（College of Earth and Environment，Anhui University of Science and Technology，Huainan，Anhui 232001，China）

Taking Huainan mining area for an example，the present situation of Karst collapse was introduced and its forming conditions were analyzed on the basis of regional geological conditions.It is indicated that the formation of Karst collapse was greatly influenced by characteristics of overburden layer，development degree of karst and activities of groundwater.

Huainan mining area，Karst collapse

P642

A

高锡擎（1986－），男，山东济宁人，安徽理工大学地质工程专业在读研究生。

（责任编辑 张艳华）