钟祥市磷矿区复合型地面塌陷形成机制研究

陈江军， 石长柏， 蔡足根， 赵德君， 刘 波， 王 戈

(1.湖北省地质局 水文地质工程地质大队，湖北 荆州 434020; 2.湖北省地质环境总站，湖北 武汉 430030)

钟祥市磷矿资源丰富，开采历史悠久，磷矿的开发利用为当地经济建设和社会发展作出了重大贡献，但随着矿产资源的日益枯竭，矿区地面塌陷等矿山地质环境问题也逐渐凸显。由于地面塌陷在时间上具突发性、在空间上具破坏性，产生的垂直位移变形不仅会导致地面建筑基础设施变形破坏，也会危及人民的生命财产安全、影响社会和谐稳定[1]、严重制约生态环境保护和经济可持续发展。因此，开展钟祥市磷矿区地面塌陷的形成机制研究，查清地面塌陷的影响因素和致塌模式，提出地面塌陷防治对策建议，对磷矿区土地规划利用以及保障百姓生命财产安全具有十分重要的意义。

目前，国内外众多学者针对地面塌陷成因机制开展了诸多研究工作，取得了一系列成果与认识[2-3]。如在采空塌陷领域，谢晓深等[4]认为地面塌陷成因机制的研究重点在于对采空区上覆岩层应力应变分析，并将上覆岩层的应力变化分为压应力区、拉应力区、压—拉转化区；王金安等[5]认为渐进破坏的顶板和矿柱造成了采空区顶板瞬间失稳，导致了地面塌陷的形成；张道勇[6]运用数值模拟软件对采空区进行沉陷模拟，得出地面塌陷的形成与采空区顶板、矿柱以及地表覆岩的移动变形关系密切。在岩溶塌陷领域，刘新建等[7]对恩口煤矿闭坑后岩溶塌陷的基本特征与地下水动力条件相互关系进行分析，认为该地区地面塌陷存在浮托—软化模式与潜蚀—失稳模式两种致塌模式；罗小杰[8]依据可溶岩上覆盖层物质成分、地质结构及其物理力学性能的差异，将地面塌陷成因分为沙漏型、土洞型和泥流型3种类型；梁国印等[9]研究认为大顶上岩溶塌陷形成机制是浅部隐伏岩溶连通、机械潜蚀和降水入渗三种效应综合作用的结果。前人有关地面塌陷成因机制的研究成果较好地总结了不同类型地面塌陷的成因机制和破坏模式[10-11]，但其研究成果大多集中在采空塌陷或岩溶塌陷单个领域，对于岩溶地区采矿引起的复合型地面塌陷少有文献论及。复合型地面塌陷的形成不仅受到采空区空间结构和埋深影响，还与塌陷区的岩溶发育程度、地下水以及地表松散堆积物等密切相关，其地质结构模型也与单纯的采空或岩溶塌陷全然不同，因而前人有关地面塌陷形成机制的研究成果并不能完全适用于复合型地面塌陷领域[12]。因此，本文以钟祥市磷矿区地面塌陷为研究对象，开展岩溶和采矿共同作用下的复合型地面塌陷成因机制研究，为该地区地面塌陷的预测和防治打下基础，也为类似地区地面塌陷研究提供借鉴。

1 研究区概况

钟祥市磷矿区地处新华夏系第二沉降带的江汉盆地北部边缘与淮阳山字型构造前弧西翼中段交接地带。区内构造以北北西向为主，其中胡集—石牌断裂和汉江东断裂贯穿全区，控制了本区的构造形迹及地层分布。区内出露地层主要为前震旦系、震旦系上统陡山沱组和灯影组、寒武系下统石牌组以及第四系，其中磷矿层分布在震旦系上统陡山沱组，碳酸盐岩除在前震旦系和第四系以外的地层中均有分布。根据区内地下水含水介质特征、赋存条件及富水特征，区内地下水含水岩组划分为：松散岩类孔隙水、碳酸盐岩类岩溶水、变质岩风化裂隙水。含水岩组多呈阶梯状迭置，砂卵(砾)石层与碳酸盐岩类岩溶含水层之间无隔水岩组，水力联系密切。区内地形北高南低，碳酸盐岩广泛分布，断裂构造发育，为地下水径流提供了良好的地质条件，也为岩溶发育及地面塌陷提供了必备的水动力条件。本区磷矿床属发育在大地侵蚀面之上、海浸底部的沉积型磷块岩矿床。区内褶皱发育，矿层产状变化较大。矿层倾向北东、南西，倾角5°～40°。地下开采均采用斜井开拓方式、房柱式采矿法进行开采，采空区回采主要为沿倾向后退式回采，矿房回采一般采用沿走向前进式推进，矿房间预留矿柱，爆破落矿，采用轻轨配翻转式矿车出矿。

2 地面塌陷基本现状

钟祥市磷矿开发利用始于上个世纪50年代，起初为小规模露天开采，到八九十年代，区内磷矿开采转入地下。进入21世纪，磷矿企业蓬勃发展，极大加快了磷矿资源的开采速度，导致出现了大面积采空区，地面塌陷问题也日益严重。据资料统计，钟祥市磷矿区共计发生地面塌陷247次，主要分布在双河镇斑竹地区、胡集镇泉口—大峪口地区以及磷矿镇朱堡埠地区。矿区内地面塌陷多以零星单坑形式出现，局部河谷地段出现呈串珠状或带状分布的塌陷群。塌陷坑形态呈漏斗状，平面以圆形、椭圆形及长条形为主，塌陷深度一般在3～20 m，单坑发育面积一般在10～5 000 m2。根据地面塌陷的分布特征，对其发育规律总结如下：①地下采矿开始后，地面塌陷呈现逐年增多的趋势，其原因是地下采矿抽排水改变了矿区及其周边的岩溶水文地质条件，同时磷矿开采形成的采空区变形破坏了上覆岩体的完整性，加速了地面塌陷的形成。据现有数据统计，1998年以前钟祥磷矿区出现地面塌陷共计28次，1998年至今钟祥磷矿区及其影响范围的地面塌陷迅速增加，多达219次；②地面塌陷集中分布在地势低洼或构造发育地段，地势低洼地段容易形成地表水汇集，松散岩类孔隙水的垂直入渗作用强烈，伴随着强烈的潜蚀作用，土体不断遭受潜蚀破坏，加速了土洞的形成；构造发育地段岩体极为破碎，致使区内沿断裂带地段地下水富集，岩溶洼谷、洞穴也极其发育，容易导致地面塌陷集中发育，其中仅泉口和张湾—峡卡河等地势低洼和构造发育段，集中连片出现地面塌陷100余次；③采空区范围内的塌陷较采空区外的塌陷规模大且数量多，采空区范围内的地面塌陷受岩溶地质条件和采空区变形的双重作用影响，不仅地下水变化速度快，而且采空区变形引起上覆基岩完整性变差，因此容易出现大规模高频次的地面塌陷。据资料统计，仅朱堡埠矿区和大峪口矿区共计发生地面塌陷109次，地面塌陷总面积超过60×104m2。

图1 钟祥市斑竹村地面塌陷分布图Fig.1 Surface collapses distribution map of Banzhu Village,Zhongxiang City1.塌陷点及编号；2.第四系上更新统冲洪积层；3.隐伏断裂(F1)。

3 地面塌陷形成机制研究

3.1 地面塌陷数值模拟分析

3.1.1数值模型建立

复合型地面塌陷是一种影响因素众多且复杂的动力过程，它受岩层的赋存状态、围岩应力情况、采空区特征以及岩溶发育情况[13]等诸多因素的影响，通常无法用解析方法简单地求解。FLAC3D数值模拟软件可以通过抽象概化地质模型来计算岩土体应力、位移的近似解，从而评价分析岩土体的应力、应变特征[14]。因此，本文选取FLAC3D模拟软件开展磷矿区地面塌陷的应力应变分析，以期能对复合型地面塌陷形成机制取得更多的认识。本次研究设计三种不同的模拟分析方案：方案一，仅有溶洞存在的地质结构模型；方案二，仅有采空区存在的地质结构模型；方案三，采空区和溶洞同时存在的地质结构模型。各方案中，覆盖层厚约6 m，溶洞规模选取6 m×9 m，采空区空间特征与磷矿实际采矿形成的规模保持大体一致，采空区规模为6 m×6 m，矿柱大小为6 m×6 m，采空区埋深约40 m。地质模型如图2-图4，模拟过程中的岩土体物理力学参数见表1。

图2 方案一模型图Fig.2 The model diagram of scheme one

图3 方案二模型图Fig.3 The model diagram of scheme two

图4 方案三模型图Fig.4 The model diagram of scheme three

表1 钟祥市磷矿区岩土体物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of rock and soil at phosphate mines area in Zhongxiang city

3.1.2模拟结果分析

(1) 方案一：仅有溶洞存在时的应力应变分析。如图5、图6所示，溶洞范围覆岩位移矢量方向总体向下，最大位移位于溶洞的顶板处，位移量为3.345 cm。从溶洞顶板至地表位移逐渐减小，地表位移在0.25～2.25 cm变化，位移最大位于埋深最浅溶洞以上地表处。岩层竖直方向的应力从上到下逐渐增大，由于溶洞的存在，溶洞周边岩体应力发生改变，导致溶洞两侧岩体成为应力集中区，反之，溶洞顶部和底部成为应力消减区。

图5 位移云图(方案一)Fig.5 Displacement nephogram (scheme one)

图6 Z方向应力云图(方案一)Fig.6 Z-direction stress nephogram (scheme one)

(2) 方案二：仅有采空区存在时的应力应变分析。如图7、图8所示，采空区覆岩位移矢量方向总体向下，采空区顶板以外区域位移方向均有不同程度向采空区偏转，计算模型中最大位移位于矿房的顶板中心处，位移量约为4.685 cm。从采空区顶板至地表位移逐渐减小，地表位移在0.1～3.0 cm变化。由于磷矿的开挖，采空区周边应力改变，致使磷矿矿柱应力集中，出现承压变形，其顶端位移可达2.0 cm。岩层Z方向的应力为从上到下逐渐增大。地下磷矿开挖后，采空区周边岩体应力发生改变，由于采空区分布规律，岩层应力变化呈现对称分布。原本上覆岩层作用于矿层的重力向矿柱发生转移，导致矿柱成为应力集中区，根据本次模拟结果，矿柱Z方向应力最大可达1.4 MPa。

图7 位移云图(方案二)Fig.7 Displacement nephogram (scheme two)

图8 Z方向应力云图(方案二)Fig.8 Z-direction stress nephogram (scheme two)

(3) 方案三：采空区和溶洞同时存在时的应力应变分析。如图9、图10所示，采空区和溶洞顶板覆岩位移矢量方向总体向下，采空区或溶洞顶板以外区域位移方向均有不同程度向采空区或溶洞偏转。计算模型中最大位移位于埋深最浅溶洞的顶板中心处，位移量为5.956 cm。在采空区和溶洞的叠加影响下，地表变形呈现不规律变化，但总体在0.5～5.0 cm之间变化。采空区矿柱的应力变形受到采空区和溶洞的双重控制，溶洞越靠近采空区，矿柱变形越小，矿柱变形在1～2 cm之间变化。岩层Z方向的应力从上到下逐渐增大。受采空区和溶洞双重影响，岩层应力变化呈现不规则分布。溶洞或采空区两侧应力集中明显，应力最大值高达1.4 MPa。

图9 位移矢量图(方案三)Fig.9 Displacement vector map (scheme three)

图10 位移云图(方案三)Fig.10 Displacement nephogram (scheme three)

本次研究对三次模拟计算的地表位移以10 m为间隔进行数据统计分析(图11)，进一步探讨了溶洞或采空区对地表位移的影响。地表位移变化曲线大致可以划分为三个阶段：①平距10～40 m区段，方案一曲线接近“零值”，表明该段地表位移受溶洞影响甚微；方案二曲线近“对数”增长，表明该段地表位移受采空区控制明显；方案三曲线与方案二曲线变化一致，表明该段地表位移主要由采空区控制。②平距40～180 m区段，方案一曲线呈现上下不规律波动，波动变化与溶洞的分布和埋深密切相关；方案二曲线处在一个较大值呈近水平变化，表明采空区对地表位移作用明显，但影响较为稳定；方案三曲线与方案一曲线变化趋势一致，但其位移值远大于方案一，是因为该区段采空区对地表位移影响呈近水平变化，所以地表位移变化趋势与方案一变化趋势一致，表明该段地表位移是采空区和溶洞双重影响的结果。③平距180～230 m区段，三种方案曲线均呈现下降趋势，是因为平距越大，地表离采空区和溶洞越远，地表位移受其影响作用越小，但受采空区和溶洞的双重影响，方案三曲线下降趋势最为明显。

图11 地表位移变化曲线Fig.11 The change curve of surface displacement

根据数值模拟结果分析，采空区或溶洞的存在破坏了岩层原始应力平衡，改变了岩体内原有的自然应力场，引发岩体应力重新分布，一般情况下岩体应力以地下空洞为中心近对称分布。在岩体应力变化影响下，地下空洞上覆岩层出现移动变形，变形位移沿着地下空洞顶板往上依次减小。同时，地表也会形成一个比地下空洞大得多的移动盆地，移动盆地的形态与地下空洞的分布、规模以及埋深密切相关，地下空洞大小一致且分布规律，则地表形成近对称的移动盆地；地下空洞大小不一且分布杂乱，则地表移动呈现不规律变化。

3.2 地面塌陷影响因素分析

综合前期现场调查和数值模拟分析，钟祥市磷矿区复合型地面塌陷是一个包含采空区、溶洞，同时又受到地下水﹑时间引起的流变等复杂多因素的影响[15]，对其影响因素综合分析后可以归纳总结为以下三个方面：

(1) 岩溶地质条件。研究区第四系松散覆盖层分布广泛，覆盖层厚度在3～15 m，平均厚度约7.5 m，岩性以褐黄色碎石土为主。由于覆盖层结构松散、厚度小，在地下水的渗流潜蚀作用下，易形成土洞。覆盖层下伏为震旦系或寒武系的可溶性碳酸盐岩，岩层厚度大、范围广，为岩溶发育提供了物质基础。区内主控构造为北北西向深大压扭性断裂和伴生的张扭性断裂构造，受断裂构造和节理裂隙控制，区内岩体层间挤压错动强烈，岩石破碎严重，致使区内沿断裂带地段地下水富集，加速了岩溶管道和岩溶洞穴的形成，为地面塌陷的形成提供了物质储存空间和运移途径。同时，溶蚀裂隙和构造裂隙破坏了岩体的完整性，削减了岩体力学强度，不利于地层的整体稳定，为地面塌陷形成提供了条件。

(2) 地下水动力条件。区内主要含水层为松散岩类孔隙水和岩溶水，松散岩类孔隙水水位埋深在3～15 m，岩溶水水位埋深>30 m，二层地下水存在较大的水头差。水头差会引起松散岩类孔隙水的垂直入渗作用强烈，伴随着强烈的潜蚀作用，土体不断遭受潜蚀破坏，加速了土洞的形成[16]。区内导水断裂和溶蚀裂隙的发育为地下水径流、排泄提供了良好的条件，地下水径流作用携带走大量的溶隙、溶洞中的细颗粒物质，也使上部覆盖层的土层物质逐渐流失，致使岩层中溶隙、溶洞不断被潜蚀掏空，叠加磷矿开采的抽排水活动，促使地下水水位骤变(骤降或骤升)，导致上部覆盖层土体的应力平衡状态改变，从而失稳发生塌陷[17]。同时，地下水入渗到采空区形成积水，也会对矿柱、围岩进行长期浸泡、软化，导致岩石力学强度下降，致使矿柱和围岩破坏，加速采空区变形。

(3) 采空区。采空区对地面塌陷形成的影响是多方面的：①采空区存在会引发上覆岩层破坏且形成大量裂隙，采动裂隙与岩溶裂隙导通，将加速地下水进入采空区，引起矿区地下水位大幅度下降，易在溶洞内形成岩溶真空腔，随着岩溶真空腔内外压差不断增大，最终引起溶洞塌陷。同时，地下水进入采空区，会引起围岩、矿柱的破坏，进一步加剧采空区变形。②采空区的存在容易导致上覆岩层的溶洞与采空区贯通，地表覆盖层松散土体通过溶洞、溶蚀裂隙与采空区连通，缩短了物质运移的途径，缩小了其阻力，加速了土洞的形成和发展。特别是矿区停采后，无人管理顶板及封堵溶洞，可能存在顶板失稳、溶洞封堵塌落失效的现象，上方土体甚至可以仅依靠重力作用进入采空区，更加速了土洞的形成和塌陷的发生。③采空区的存在会引发地表土层移动破坏，导致浅表覆盖层土体裂隙的产生。当地表土层裂隙与浅部岩溶裂隙贯通之后，浅表水以及地表土层通过裂隙进入浅部溶洞中，不仅会造成地表水以及土颗粒的流失，同时会造成溶洞内部环境变化，使岩溶塌陷的几率增大。

3.3 地面塌陷形成机制分析

钟祥市磷矿区复合型地面塌陷从孕育到发生，其形成过程大致经历了四个阶段。

(1) 溶洞潜伏阶段：磷矿开挖前，地表下伏岩体的原始应力场处于相对平衡状态，且地下水位波动较小，碳酸盐岩地层中的溶洞受外界因素影响小，发展扩大缓慢，处于相对稳定的潜伏阶段。

(2) 采动裂隙控制土洞形成阶段：磷矿层被开采以后，采空区周围岩体的原始应力平衡状态受到破坏，改变了地层岩体内原有的自然应力场，应力会重新分布以达到新的平衡状态。此时，采空区内部压应力消失，顶板岩层压应力被拉应力所代替，当岩体内部拉应力超过岩石强度极限时，引起周围岩石破坏，导致采空区覆岩会形成大量采动裂隙。采动裂隙与岩溶裂隙导通，会加速地下水进入采空区，引起矿区地下水水位大幅度下降。一方面，地下水水位大幅度下降会引起第四系土层孔隙水向下渗流补给岩溶水的作用增强，在集中渗流点(岩溶管道开口、裂缝)附近，作用于上覆土层的水力坡度超过了土体发生渗透破坏的临界水力坡度，土体发生渗透变形，逐渐形成土洞；另一方面，地下水水位迅速下降会在溶洞内形成岩溶真空腔，覆盖层土体在真空吸蚀作用下也会加速土洞的形成。

(3) 采空区变形加速土洞发展阶段：地下水进入采空区后，会对矿柱产生浸泡软化作用，矿柱的岩石力学强度会大大降低，其中应力最为集中的中央矿柱开始出现变形并破坏，从而引发采空区上覆地层移动与变形。在整个岩层移动与变形过程中，存在着岩石垮落、断裂、离层、裂隙、沿层面滑移、弯曲等破坏形式。岩层的移动破坏表现在两方面，即一是加速了溶洞的发展扩张，最终导致溶洞与采空区贯通，地表覆盖层松散土体通过溶洞、溶蚀裂隙直接进入采空区，缩短了物质运移的途径，缩小了其阻力，促进了土洞的发展；二是会引起地表覆盖层产生裂隙，地表土层裂隙与岩溶裂隙贯通后，浅表水以及地表土会通过裂隙进入浅部溶洞中，造成土颗粒的流失，加速土洞的发展扩大。

(4) 地面塌陷形成阶段：随着时间的发展，失效矿柱范围逐步扩大，采空区顶板岩层断裂、破碎和垮落，导致上覆岩层形成三个影响带，即冒落带、裂隙带和弯曲下沉带。当弯曲下沉带波及到地表，地表会出现下沉或移动变形，造成覆盖层已有裂隙扩张或产生更多裂隙，大大降低了覆盖层土体完整性，导致土体内部黏结力作用减弱，土体颗粒自由度提升，从而破坏土洞的拱效应，引发土洞失稳而形成地面塌陷。

4 结论

(1) 本次研究选用FLAC3D数值模拟软件对钟祥市磷矿区地质模型进行了模拟分析，表明钟祥市磷矿区地面塌陷的形成是由采空区和溶洞双重影响的结果。采空区或溶洞的存在破坏了岩层原始应力平衡，引发了岩体应力重新分布。在岩体应力变化影响下，地表会形成一个远大于地下空洞的移动盆地，移动盆地的形态与地下空洞的分布、规模以及埋深等密切相关。

(2) 钟祥市磷矿区复合型地面塌陷影响因素主要有矿区的岩溶地质条件、采空区以及地下水等，岩溶地质条件为塌陷形成提供了物质基础，地下水为塌陷形成提供了动力条件，采空区则是塌陷形成首要的诱发因素。三种因素相互作用、相互影响，促使了地面塌陷大面积的发生。

图12 钟祥市磷矿区复合型地面塌陷形成机制分析Fig.12 Analysis on the formation mechanism of composite surface collapse at phosphate mines area in Zhongxiang city

(3) 钟祥市磷矿区复合型地面塌陷从孕育到形成经历了四个阶段：①磷矿开挖前，溶洞受外界干扰小，处于相对稳定的潜伏阶段；②磷矿初采后，矿区地下水水位大幅度下降，在水流潜蚀和真空吸蚀作用下，覆盖层土体下伏形成土洞；③局部矿柱破坏后，采空区顶板岩层发生移动破坏，加速土洞的发展扩大；④采空区顶板失稳冒落后，引起地表移动变形，破坏了土体的完整性和土洞的拱效应，引发土洞失稳而形成塌陷。