湖南某矿区岩溶塌陷成因分析与防治对策

吴湘炬，易菲霆，卿艳彬，蒋飞军，王紫隆

(1.怀化市地质环境监测站，湖南 怀化 418000；2.湖南省煤炭地质勘查院，湖南 长沙 410014；3.湖南恒炬勘查有限公司，湖南 怀化 418000)

0 引言

我国岩溶塌陷地区分布广泛[1]，岩溶塌陷是影响和制约岩溶地区社会、经济发展的主要环境地质问题之一[2]。岩溶塌陷是指在岩溶发育地区、上覆土层或隐伏岩溶顶板在人为活动或自然因素作用下、特别是水动力条件改变引起的环境效应作用下，发生突然坍塌的现象[3-5]，其具有突发性和隐蔽性特征[6-7]。

湖南地区属我国南方典型的岩溶塌陷地质灾害严重区，但有关岩溶塌陷方面的研究并不多。本文以湖南某矿区因开采地下石灰岩矿而引发了67处岩溶塌陷为例，对岩溶塌陷的成因、防治对策等进行探讨，以期为该区岩溶塌陷防治工作提供参考。

1 矿区地质环境条件概述

矿区地形地貌以微丘、平原为主，地面高程+61 m～+87 m。区内出露地层主要为奥陶系红花园组和第四系。

奥陶系红花园组下段为厚层粗粒生物灰岩，局部含白云质，上部夹页岩；上段为厚层灰岩，局部夹生物屑灰岩及白云质灰岩，全组厚100～132 m。该层全部被第四系覆盖，浅部岩溶发育。泉水流量为1.0～10.0 L/s，富水性中等。

第四系冲洪积层主要分布于河溪两侧，出露面积广，厚5～19 m，上部为蠕虫状黏土，下部为黏土质砾石层，地下水水位埋深0.5～4.3 m，单井涌水量为10～350 m3/d，富水性中等。第四系残坡积层主要丘坡地带，为砂质黏土，富水性差。

奥陶系红花园组岩溶水与第四系砂砾层水的水力联系密切。

2 矿山开采概况

该矿区露天凹陷开采形成了2个采石坑。

1号采石坑矿山面积0.0179 km2，准采高程+70 m～+20 m，开采下奥陶统红花园组灰岩，目前开采高程约+25 m，矿坑为机械排水，旱季排水量为120 m3/d，降雨时排水量增大4～5倍。2016年发生一次溶洞突水，涌水量高达20 000 m3/h，不到24 h，矿坑水位上升近30 m，造成矿坑被淹，后经强排疏干，造成矿坑周边连续发生地面塌陷。

2号采石坑矿山面积0.0119 km2，准采高程+87 m～+31 m，开采下奥陶统红花园组灰岩，目前开采高程约+35 m，矿坑为机械排水，旱季时矿井排水量约200 m3/d。在2006—2012年春夏之交，曾发生几次溶洞突水，没有文字记录。在靠近矿坑的河道中发生塌陷，河水漏失，矿坑在1～2天的短时间内被淹，随后矿坑西面的农田内连续发生地面塌陷。

以上两矿开采历史悠久，目前均形成了约50 m深的负地形(图1)。

图1 岩溶塌陷平面分布图Fig.1 The distribution map of karst collapses in the study area1—第四系残坡积层 2—第四系洞庭湖组 3—第四系白沙井组 4—下奥陶统红花园组 5—地面塌陷坑 6—河道塌陷坑 7—钻孔编号 8—塌陷集中区

3 岩溶塌陷基本特征

2006—2018年期间，共发生了67处岩溶塌陷。

3.1 岩溶塌陷分布特征

岩溶塌陷主要分布在流经采石坑附近小河的阶地，离河流相对较远的低丘岗地缓坡上没有塌陷发生。河流阶地地段共分布66个，占塌陷总数的98.5%；冲沟谷地仅仅分布1个，占塌陷总数的1.5%，塌陷区面岩溶率为11.4%。见图1。

3.2 岩溶塌陷形态与规模特征

岩溶塌陷平面形态多呈圆形、椭圆形、长条形、不规则形等几种平面形态特征。主要与下伏岩溶洞隙的开口形状及其上覆土体的结构、性质及厚度有关密切联系。

岩溶塌陷剖面上多呈坛状、圆柱状、锥形、碟状及不规则状等，主要与塌陷土层物理力学性质、结构厚度有关。黏性土层塌陷坑剖面多呈坛状或圆柱状(图2)，砂土层塌陷多具漏斗状；松散土层塌陷常呈碟状；部分相邻塌陷坑扩大发展联为一体，形成不规则的台阶状。

岩溶塌陷的规模大小一般以塌陷坑长轴、深度来区分(表1)。据统计，陷坑长轴长度为1.8～35.6 m，平均长度约7.85 m，坑深度为0.3～10 m，平均深度约4.62 m。

4 岩溶塌陷成因分析

4.1 岩溶塌陷的基本条件

岩溶塌陷是受多种因素影响的结果[8]。总体来看，岩溶塌陷必须具备以下三个条件：① 可溶岩岩溶发育，可溶岩上覆第四系土层的结构与厚度；② 岩溶洞隙的存在是塌陷产生的基础，为塌陷存在提供容纳场所和运移空间，岩溶塌陷基本发生在第四系覆盖区，且与其结构及厚度相关；③ 地下水活动是塌陷产生的主要动力，水位升降、流速流量变化将对土层、洞隙产生多种力学效应和作用，引起岩土体破坏，导致塌陷产生。

图2 岩溶塌陷典型剖面形态图Fig.2 The typical section map of karst collapse

表1 岩溶塌陷特征Table 1 Statistical table of karst collapse feature

4.2 塌陷区可溶岩岩溶发育程度分析

矿区共计发生67处岩溶塌陷，均发育在下奥陶统红花园组巨厚层状灰岩上覆的土层中。

岩溶塌陷区溶隙及溶洞发育，溶蚀裂隙宽0.2～1.0 cm，溶蚀裂隙面一般凹凸不平，多附泥质，以半充填为主。该区施工85个钻孔，有14个孔揭露土洞、溶洞，其中4个孔揭露土洞与溶洞，钻孔遇溶洞率16.5%，线岩溶率7.75%。

土洞主要沿岩土接触面发育，溶洞最高达19 m，由黏土、细砂、含砂质黏土、淤泥等半充填至全充填，见表2。

此外，本区溶洞一般具多层性，ZK01孔发育2层，SK01孔发育4层，SK04孔发育5层，上下溶洞连通性较好，溶洞顶板最薄仅0.4 m。除SK04号孔最深的溶洞(高程0.5～19.5 m)之外，高程17.8～30.7 m为溶洞发育第一段区间，高程34.35～51.48 m为溶洞发育第二段区间。ZK01号孔、SK04号孔位于1号塌陷区核心位置，而SK01号孔位于2号塌陷区核心位置，这两区域内塌陷坑密集发育。

表2 钻孔揭露溶洞情况Table 2 Karst cave condition exposed by the drilling hole

可见，本区可溶岩洞隙的强烈发育为塌陷发生提供容纳场所和运移空间，为岩溶塌陷奠定了基础。

4.3 岩溶塌陷区土层厚度及结构分析

在土层厚度方面，根据第四系等厚度图及岩溶塌陷点附近土层厚度统计结果(表3)显示，土层厚度超过12 m的区域未发生岩溶塌陷。

表3 土层厚度与岩溶塌陷发育关系Table 3 Relationship between thickness of soil layer and development of karst collapse

据统计可知，洞体上方土体越薄，潜在塌陷面土体的抗剪力越小，自稳性越差，越容易产生塌陷。

在土层结构方面，所有塌陷坑土层为双层结构，塌陷点数量为67个，占比100.0%。单层结构的土体没有发生塌陷，双层结构土体地下水活动较强烈，对上覆土体冲蚀与软化用，易产生塌陷。

因此，土层厚度小于10 m的双层结构土体，因地下水活动及土体抗剪力低易产生塌陷。

4.4 岩溶塌陷区地下水活动分析

地下水活动是塌陷产生的主要动力。采矿过程中长期疏排或溶洞突水后强排疏干抽排地下水，诱发产生岩溶地面塌陷[9]。

4.4.1 采石坑长期抽排地下水是诱发岩溶塌陷的主要因素

岩溶塌陷集中爆发时间主要集中在2013、2017年，这与2013年二号采坑发生矿坑突水、2017年一号采坑发生矿坑突水事件密切相关。2013年二号采坑矿坑突水引发38处岩溶塌陷，2017年一号采坑矿坑突水引发14处岩溶塌陷。矿坑突水造成地下水位急剧下降，过水断面地下水流速与流量急剧加大，潜蚀土体或引起岩土体内的岩与土接触部位空洞内压力快速下降，从而形成大量塌陷。

其他时间段，排水量控制在一定范围，且流量较稳定，引起岩溶塌陷发生数量较少，详见表4。

表4 各年份岩溶塌陷发生数量统计Table 4 Statistical number of karst collapses in each year

可见，采坑抽排地下水改变了地下水流场，形成以矿坑为中心的地下水降落漏斗，加剧了地下水活动，从而引发塌陷发生。矿坑抽排水是引发本区岩溶塌陷的主要因素。

4.4.2 强降雨或长期干旱是诱发岩溶塌陷的其他因素

岩溶塌陷与降雨强度之间存在一定因果关系，特别与短时间内降水强度相关。该区67处岩溶塌陷大多数是在春夏交替或汛期时段发生的。暴雨导致地下水位在短时间内急剧上升，引起岩土体内的岩与土交接层位空洞内压力快速上升产生气爆作用，便产生塌陷。

而长期干旱导致地下水位下降，引起岩土体内的岩与土交接层位空洞内压力下降形成真空吸附力，也会导致塌陷。因此，在枯水季节也有少量岩溶塌陷发生。

5 岩溶塌陷的危害性

该区67处塌陷坑影响水田30处、旱地19处、林地7处、河溪3处、公路1处、水塘1处，见图3和图4。其中6处已塌至居民房屋附近或墙脚，未造成房屋跨塌及人员伤亡。累计影响农田面积0.753 hm2、旱地0.507 hm2，造成直接经济损失300万元。

岩溶塌陷发生以来，给当地居民生产生活造成较大的影响，危害较大。

图3 岩溶塌陷破坏农田Fig.3 Karst collapse to destroy the rice farmland

图4 岩溶塌陷破坏河道Fig.4 Karst collapse to damage the riverway

6 岩溶塌陷的防治对策

地下水动力条件的改变是岩溶塌陷形成的诱发因素。加强地下水合理规划开采，建立完善的监测网络可以有效减少塌陷所造成的危害[10]。

6.1 关闭现有的采石坑

由于地下水活动是岩溶塌陷的主要动力因素。本区地下水位以上主要为土层，可开采的资源量少。矿山开采深部资源，则必须抽排地下水，这将加剧该区岩溶塌陷的发生。而采取帷幕注浆等技术措施进行堵水，其投入费用大、不经济。因此，建议对现有的2处采石坑实施关闭。

6.2 对已发生岩溶塌陷的治理

6.2.1 治理方法

对已发生岩溶塌陷的治理，通常采用清除填堵法、跨越法等。

1)清除填堵法：常用于塌坑较浅或浅埋的土洞，先清除其中的松土，填入块石、碎石，做成反滤层，然后上覆黏土夯实。

2)跨越法：用于塌陷坑或土洞较深大，开挖回填有困难的处理方法。一般以梁板跨越，两端支承在可靠的岩、土体上。据广西地区的经验，每边支承长度不小于1.0 m。

根据本区岩溶塌陷规模以及地下水位埋深浅的特点，采石坑石料资源丰富，排土场存放大量弃土，填料丰富，采用清除填堵法较合适。

6.2.2 回填方式

根据岩溶塌陷影响对象不同，回填方式有所不同。

1)对影响居民房屋的塌陷治理：先清除其中的松土，填入块石、碎石，做成反滤层，地下水位以上回填毛石混凝土或灌浆处理，并对房屋基础钻孔注浆加固。

2)对影响公路与河道的塌陷治理：先清除其中的松土，填入块石、碎石，做成反滤层，地下水位以上回填毛石混凝土或灌浆处理，再在其上部浇筑20～30 cm厚的钢筋混凝土板。

3)对影响水田的塌陷治理：先清除其中的松土，填入块石、碎石，做成反滤层，地下水位以上回填黏土夯实，在其上部浇筑30 cm厚的钢筋混凝土板，再回填黏土夯实后，覆盖60 c m厚耕植土。

4)对影响旱地的塌陷治理：首先清除其中的松土，填入块石、碎石，做成反滤层，地下水位以上回填黏土夯实后，覆盖60 cm厚耕植土。

6.3 加强监测工作

岩溶塌陷监测是岩溶塌陷地质灾害防治中重要内容之一[2]。

1)地下水动态监测。建立工作区地下水长期动态监测系统，及时掌握地下水迳流场变化，预测地面塌陷区域，对今后地表生态环境恢复重建具有重要意义。

2)降水量监测。降水是激发和加剧地面塌陷形成和致灾致损的另一个主要引发因素，塌陷高发时段与汛期降水量和降水强度变化关系密切。为此，建设1个以监测降水量单因素为主的数据自动传输监测站，其监测站和数据传输分析由测区监测中心和县气象台共同管理。

3)地面塌陷、地面、建筑物裂缝监测。本项监测工作是测区地质灾害群测群防的重要组成部分，其主要目的是通过各区地面塌陷和地面、建筑物裂缝的巡视性查险、威胁单位居民隐患点的加密监测等工作，及时把握预警状态，并把预警信息传达到威胁对象，以便快速采取避险措施。

7 结论与建议

1)矿区地下水位埋深浅，上覆第四系土层薄，抗剪力低，岩溶水与第四系砂砾层水的水力联系密切，在水动力作用下易产生岩溶塌陷。

2)采石坑长期抽排地下水，尤其采坑溶洞突水，是诱发采石坑周边地区岩溶塌陷的主要因素，其他因素主要是暴雨或长期干旱。

3)目前该区67处塌陷坑影响农田面积0.753 hm2、旱地0.507 hm2等，造成直接经济损失300万元，威胁当地39户农户房屋、道路的安全，危害较大。

4)尽快关闭本区2处采场，并对已有的塌陷坑采用清除填堵法等措施进行治理，并采取相应的监测措施，尽早恢复当地的生产生活。

5)禁止该区大规模抽排地下水。

6)在类似地质环境条件下开采石灰岩矿，尽量开采地下水位以上资源，或提前在矿坑周边做好帷幕注浆工作，预防发生岩溶塌陷地质灾害。

致谢：本文得到了杨帆、彭祖武等高级工程师的大力支持，在此表示衷心感谢。