广东某凹陷式开采的矿山诱发地面塌陷研究

许世龙，何宏伟，卢艺开，周子智

（广东省有色金属地质局九四〇队，广东 清远 511520）

广东某地历史上多次发生地面塌陷，塌陷发生时间段与当地露天矿山的凹陷式开采时间段相符，均发生在与采坑相距较近的耕地之中，造成土地损毁。由于采矿场已关闭十余年，消除了当地引起地下水波动的一个重要因素，至今约10年来亦未出现地面塌陷地质灾害，目前整体处于稳定状态。为判定在矿山关闭后，地面塌陷地质灾害的发展趋势和稳定状态，采取以物探为主、钻探为辅的工作方法，对该矿区内的地面塌陷进行调查研究。

1 地质环境条件

1.1 气象、水文

研究区属南亚热带海洋性季风气候，雨量充沛，长年温和湿润、无霜期长。年平均降雨量在1744.1mm～2623.4mm之间。4～9月降雨量占全年的68%～86%，有明显的雨季汛期。雨量分布山区多于平原。

研究区所处区域位于北东走向覆盖型的盆地中，盆地内地表水系不发育，多分布纵横交错的人工渠网（见图1），地下水位埋深较浅，一般0.2m～2m。区内出露岩溶上升泉，泉流量0.3L/s～1.5L/s不等，水质清澈透明，为当地居民生活及灌溉用水。现矿区东南侧是原采矿场采坑充水形成的，地表水域面积分别为28856m2、47516m2。该矿区内开采的矿石致密块状，局部见条带状构造，风化层薄，裂隙不发育，采矿场内采坑积水主要是裂隙渗水，涌水量200m3/d，开采深度为40m～50m，因此推测水深40m～50m。

图1 研究区范围图

1.2 地形地貌

从区域上来看，研究区位于北东走向覆盖型盆地中，盆地长约10km，宽1km～6km，面积约35km2，盆地四周为低山丘陵地貌，海拔50m～329m，盆地与四周相对高差40m～300m，盆地内地貌类型主要为侵蚀堆积河谷平原，主要由河流的沉积堆积作用形成，为河床面上第一阶地，地形平缓，地面标高一般在8m～12m。岩溶盆地东南侧，侵蚀构造地形低山陡坡边缘分布有小面积的河流沉积堆积第二阶地，比第一阶地高1m～3m，与其成阶梯状接触。盆地内局部具有剥蚀堆积地形特征，地形上表现为低矮的丘陵，分水岭非常不明显，山顶光秃，圆包状，山脊宽10m～50m不等，山顶一般等高，地形多呈肾状或椭圆形，互不连接，组成微波状起伏丘陵地形，坡度一般5°～20°，一般均为微凸形，如龟背状，残坡积覆盖层较厚，厚1m～5m不等。

1.3 地层岩性

1.3.1 石炭系下统石磴子组（C1ds）

白云质灰岩、含炭质灰岩、白云岩，广泛分布，局部出露于地表，大部分隐伏于第四系之下，呈浅灰色、深灰色、灰黑色，隐晶质结构，厚层状构造，实测岩层产状90°～110°∠15°～45°，裂面较干净，有少量铁质浸染，发育网状方解石细脉，脉宽0.1cm～0.3cm，岩质脆硬，局部可见溶蚀现象，次生方解石脉较发育，呈乳白色不规则网状穿插。

1.3.2 石炭系下统测水组（C1dc）

以灰色为主的杂色砂页岩夹薄层炭质页岩及劣质无烟煤，零星出露于研究区北西侧及东侧，地貌上表现为低矮的残丘，上部已风化为残积土，下部强—中风化层厚1m～20m不等，岩层节理裂隙发育，岩石较破碎，多被节理切割成块状，并受到强烈的风化作用成为半岩半土状，岩质较软，手折易断。

1.3.3 第四系陆相河流第一阶地冲积层（Qdal）

分布广泛，土质较均一，该层主要由浅黄色、浅褐红色粉质黏土组成，局部夹有粉砂、中粗（砾）砂，该层厚度变化较大，揭露厚度为2.80m～9.20m不等，平均5.49m。在水田区该层表部通常被改造成厚10cm～25cm的耕植土层，在居民区该层表部覆盖有杂填土及素填土。

1.4 地质构造

研究区断裂构造不发育，但其位于向斜之中，向斜中石炭统灰岩组成稳定的含水层组，砂页岩为隔水边界，构成一水量中等的覆盖型岩溶盆地，盆地四周为低山丘陵，盆地与四周相对高差40m～300m，汇水条件较好，有利于地下水的富集，调查发现盆地内的上升泉群，流量可达19L/s。

1.5 水文地质

研究区内地下水按赋存介质的不同可划分为松散岩类孔隙水、层状岩类裂隙水及碳酸盐岩类裂隙溶洞水（岩溶水）三类。其基本特征如下。

1.5.1 松散岩类孔隙水

研究区普遍分布，该类型地下水主要赋存在第四系松散沉积物的颗粒之间。分布于研究区冲积平原冲积物中，埋藏深度不大，受大气降雨或地表水的补给，局部接受岩溶水的补给，分布不均一，且含水量小，通过孔隙向沟谷排泄或渗入基岩中，属孔隙潜水性质，含水岩组主要由浅黄色、浅褐红色粉质黏土组成，局部夹有粉砂、中粗（砾）砂，由于粉质黏土其孔隙细小，不利于地下水的赋存与运移，富水性及透水性均较差，属水量贫乏的含水层或相对隔水层。根据钻探揭露，第四系松散岩类含水层中测定的稳定地下水位埋深为0.4m～1.4m。

1.5.2 层状岩类裂隙水

主要分布于研究区北西侧及东侧，含水岩组为石炭系测水组碎屑岩，主要为以灰色为主的杂色砂页岩，节理及风化裂隙发育，形成风化裂隙潜水含水层，地下水赋存于节理裂隙带中，水位埋深随地形变化较大，富水性贫乏。

1.5.3 碳酸盐岩类裂隙溶洞水

研究区裂隙溶洞水含水层为石炭系灰岩、白云质灰岩，主要隐伏于第四系地层之下，埋深较浅，区内碳酸盐岩岩面埋深一般＜20m，在研究区所有钻孔均有揭露。按含水层出露和埋藏情况，研究区为浅覆盖型岩溶盆地，以覆盖型岩溶区为主，局部为埋藏型。岩溶水主要赋存于碳酸盐岩的岩溶裂隙与溶洞中，大泉流量19.164L/s～50L/s，富水性中等。一般情况下，浅部（埋深30m以浅）岩溶较发育，多为充填或半充填。

1.6 人类工程活动

研究区所处盆地人类工程活动活跃，但影响地面塌陷的人类工程活动主要为矿山开采及抽排地下水。

2 发育特征

根据本区的物探推断其发育范围及钻孔揭露发育情况做以下特征分析：

（1）高密度电阻率测深法推断的解释断面及不良地质体平面分布解释基本反映了本区岩溶发育形态及规模。研究区其中等发育，主要表现为蜂窝型或溶隙型，亦有大规模发育带，岩溶分布相对分散；

（2）研究区岩性略有差别，不同部位的岩溶发育强度不同，可溶岩中CaO/MgO比值大，杂质含量少，方解石成分含量多，白云石成分含量少的灰岩岩溶发育较强；

（3）岩面附近至岩面下15m范围以内岩溶最发育，以充填—半充填溶洞为主；深度15m～30m发育半充填溶洞；深度超过30m岩溶局部发育，以小型溶洞和溶蚀裂隙为主；

（4）从钻孔揭露的溶洞充填物看，个别溶洞底部会发现有一层结构致密的钙质沉积物，上部为碎石、砾（粗）砂及黏土，说明新时期形成的溶洞充填物在古岩溶时期的沉积物基础上迭加、充填、交替。

3 岩溶地面塌陷分布及发育特征

研究区已发岩溶地面塌陷共10处（见图1），塌陷发生距今已有15～20年时间，均发生于采坑附近，陷坑以单体和群体形式出现，部分塌陷坑已回填，塌陷规模均为小型，未造成人员伤亡。

从地面塌陷的时期来划分，均为新（现代）塌陷，平面形态多为近椭圆形，剖面形态多呈碟状、漏斗及坛状；采坑周边塌陷单坑及群坑分布位置共10处，塌陷均为土层塌陷，塌陷层位为河流冲积层，属土洞型塌陷，陷坑长轴长一般为4m～12m，陷坑轴向多为北西向，坑口规模一般为4m2～66m2，最大为66m2，塌陷影响范围面积约0.01km2（＜0.1km2），规模为小型。

塌陷的分布受岩溶发育规律、发育程度的制约，同时，与地质构造、地形地貌、土层厚度等有关。研究区的地面塌陷主要发育规律为：

（1）塌陷分布区土层薄：研究区覆盖层厚度一般为2.80m～9.20m不等，而塌陷均发生于土层当中；

（2）塌陷分布区地下水位埋深浅：区内地下水位埋深一般为0.2m～2m，基本上位于土层当中；

（3）塌陷均分布于凹陷开采石灰岩采坑周围：塌陷点与临近积水采坑中心相距115m～400m，平均241m，其中115m～250m距离段共发生塌陷7处，250m～400m距离段共发生塌陷3处。越靠近采坑中心，塌陷坑的数量与规模均呈上升趋势；

（4）塌陷发生时间段与矿山开采时间段吻合：区内采石场自1998年开始对矿区范围内石灰岩进行大规模开采，开采期间矿坑大量抽排地下水，导致周边陆续发生地面塌陷。

4 岩溶地面塌陷形成机制

研究区岩溶地面塌陷的发生是在诸多因素的影响下形成的，包括自然因素及人为因素。具体包括以下几个方面：

（1）地层岩性

研究区内可溶性岩石主要为石炭系石磴子组（C1ds）白云质灰岩、含炭质灰岩。根据对钻探揭露的成果分析：钻孔见洞隙率44.4%，钻孔线岩溶率2.3%～14.1%，平均7.3%。区内岩溶发育中等。通过钻探揭露，岩面溶蚀明显，往往形成较多的溶隙，有利于地下水的流通，易形成溶洞或溶沟。当上覆盖层为粉质粘土层时易被潜蚀，易发生地面塌陷。区内的石炭系石磴子组灰岩，是岩溶发育的物质基础，是地面塌陷形成的基本条件之一。

（2）地质构造

研究区所处向斜核部较为平缓开阔，岩溶发育分布也较为广泛，其坳陷深度较浅，可溶岩埋深小于侵蚀基准面，岩性主要为石炭系白云质灰岩，经地表调查及钻探揭露，该岩性层岩溶不甚发育，但由于塌陷分布区所处构造部位为地下水强烈活动的场所，受外界扰动（如抽排水）易引起地下水的剧烈波动，促使覆盖层中土体发生潜蚀作用破坏而流失。

（3）地形地貌

从区域地貌看，研究区位于岩溶盆地内，地势低平，有利于地表水向盆地汇集及地下水的补给，由丘陵低山区东面和南面汇聚的基岩裂隙水由丘陵边缘进入中部与松散层孔隙水和岩溶水汇集后向西部径流，在地下水侵蚀作用下碳酸盐岩缓慢溶解形成岩溶通道。

（4）地下水埋深

研究区地下水位埋藏浅，一般小于2m，基本上位于土层当中，且覆盖层厚度薄，一般2.80m～9.20m不等，塌陷为土层塌陷，土体主要由粉质黏土组成，粉质黏土与下伏碳酸盐岩直接接触。覆盖层薄，地下水潜蚀路径短，土洞扩展到地面的时间短，较难达到应力平衡，易发生塌陷。

（5）发育程度

经物探调查有岩溶异常反映，钻探亦揭露厚度不一的灾害现象出现，且据1999年对两个矿山的储量简测报告表明，矿山开采至-5m标高时发现灰岩风化层薄，风化裂隙不发育，也未发现溶洞，综合上述资料表明隐伏区岩溶发育特征为灰岩面以溶沟、溶槽为主，灰岩内以溶隙、溶孔为主，溶洞次之，总体上研究区中等发育。

（6）采矿场矿坑抽排地下水

研究区周边矿山开采的矿石抽排地下水，导致地下水水位剧烈波动是造成地面塌陷地质灾害的直接诱因[1-3]。矿山开采期间矿坑大量抽排地下水，引起周边区域地下水位下降，形成以矿坑为中心的地下水漏斗，最终导致周边陆续发生地面塌陷。矿山关闭后，采坑充水后，周边地下水位最近10年来都处于稳定状态，未发生地面塌陷。

通过对该区地面塌陷的成因进行综合分析，认为潜蚀致塌模式为本区岩溶地面塌陷发生最主要的致塌模式[4，5]。采石场矿坑强烈的抽排水使地下水位快速下降，水力坡度加大，水流速度加快，水流潜蚀、搬运作用加强，同时上覆土体在地下水的浸泡作用下，力学强度大为降低，水流冲击后逐渐将土层颗粒带走而形成土洞，水流的长期潜蚀作用导致土洞不断扩展，最终破坏上覆土体原有临界状态或基本稳定状态而塌陷（图2）。

图2 浅覆盖型地面塌陷形成过程

5 地面塌陷发展趋势预测

目前，石场关闭后停止了地下水的大量抽取，排除了干扰地下水的人为因素，地下水环境得到恢复，地下水环境处于相对稳定状态，在没有开采地下水的自然条件下，引发地面塌陷的可能性小，危害性小，但引发岩溶地面塌陷的自然因素在长期的自然演化过程中，某一时刻影响因素自然突变，地下水位剧烈波动也可能引发地面塌陷。

6 结论及建议

综上所述，研究区地面塌陷是内外因素共同作用的结果，矿山开采抽排地下水加速了地面塌陷的发展，是形成地面塌陷的主要引发因素。

矿山关闭后，采坑内积水，周边地下水位处于平衡状态，地面基本稳定。通过对该区地面塌陷形成机制的分析研究，提出以下几点防治措施建议：①采矿场内及周边严禁大量抽排地下水；②矿区内布置少量监测点，加强地下水位动态监测；③当地村民新建、改建房屋建议做好岩土工程勘察工作；④加强研究区地面塌陷地质灾害的巡查、监测及群测群防工作。