谈某矿区地面塌陷的成因及治理方案

温 建 兴

(福建省121地质大队，福建 龙岩 364000)

1 概述

地面塌陷是指地表岩、土体在自然或人为因素作用下，向下陷落，并在地面形成塌陷坑(洞)的一种地质现象。地面塌陷可分为岩溶塌陷和非岩溶塌陷。当这种现象发生在有人类活动的地区时，可能对人类生命财产、环境造成破坏和损失。

岩溶塌陷主要产生在土层中，称为“土层塌陷”，是指可溶岩地区，上覆的松散土层在外动力因素作用下向溶洞运移而导致的地面变形破坏，地面多呈圆锥形塌陷坑。岩溶塌陷一般规模较小，发展速度缓慢，不致给人类生活带来突然的影响。

非岩溶塌陷由非岩溶洞穴产生的塌陷，龙岩市的非岩溶塌陷主要是由于地下采空区引起的采空塌陷。

2 工程概况

马坑铁矿地面塌陷位于新罗区曹溪街道马坑村东雨方山上马坑铁矿72勘探线附近，塌陷坑在平面形态呈近圆形，地表直径约10 m，面积约78.50 m2，深度约8 m，塌陷区影响范围66 354.2 m2。地面塌陷表现为中心带地面下沉，道路开裂、山体边坡下滑，地表围绕中心带出现大量地裂缝。

3 地面塌陷成因分析

3.1 岩土层特征

①-2含碎石粉质粘土：为采空区冒落物，褐黑色为主，很湿～饱和，呈上部松散、中下部稍密状态。该层钻机钻进过程中未见有漏水现象，但消耗水量较大，施工较困难，采芯率较低。

③-1强风化辉绿岩(β)：灰绿色，侵入岩，空间上呈透镜体分布，散体状，风化强烈，岩芯呈土状、少量碎块状。

③-2中风化辉绿岩(β)：灰绿色，侵入岩，空间上呈透镜体分布，块状结构，风化中等，裂隙较发育，岩芯呈3 cm～12 cm柱状为主。

④中风化灰岩(P1q)：灰白色，细晶结构，中～厚层状，为二叠系栖霞组灰岩，风化中等，结构局部破坏，裂隙较发育，岩芯呈碎块状、短柱状。溶蚀现象较明显，见较多充填溶洞。

④-1充填溶洞：褐黑色，充填物为含碎石粉质粘土，局部过渡为泥质碎砾石，很湿，可～硬塑状态。

⑤强风化粉砂岩(C2j)：土黄、黄褐色，二叠系童子岩组粉砂岩，散体状，风化强烈，岩芯呈土状、少量碎块状。

⑥中风化石英砂岩(C2j)：灰白色，二叠系童子岩组石英砂岩，中～厚层状，碎裂状为主，风化中等，结构局部破坏，裂隙发育，岩芯呈碎块状为主。

钻探中揭露的①-2采空区冒落物，呈上部较松散、中下部稍密状态，钻进中未见有掉钻、漏水现象，但消耗水量较大，施工较困难，采芯率较低。

钻探中揭露的④-1充填溶洞，充填物为含碎石粉质粘土，局部过渡为泥质碎砾石，很湿，可～硬塑状态。钻进中未见有掉钻、漏水现象，施工较困难，采芯率较低。

3.2 地震效应评价

3.2.1地质构造

勘查区位于华南地槽褶皱带华夏褶皱带梅永坳陷中，龙岩山字型构造东翼，断裂构造发育，区内有三条断层(F1，F2，F3)通过。区域性构造均为侏罗系晚期地质活动形成，距今时间较长，已经稳定不再活动，不属发震构造，场地内及附近无新近形成的活动断裂。区内岩石主要为陆相和海陆交互相沉积而成。第四系松散土层直接覆盖在基岩之上，厚度不等。勘查区受区域断层挤压的影响，岩体破碎，裂隙发育。

3.2.2场地地震烈度及场地稳定性评价

勘查区抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05g，所属设计地震分组为第二组。场地特征周期值为0.40 s。

场地地形起伏较大，根据钻孔揭露及《福建省龙岩县马坑铁矿中矿段详细勘探地质报告》(福建省121地质大队1976年出版)和调查资料，勘查区灰岩岩溶发育，同时存在一定数量的废弃矿硐采空区。勘查区属对建筑抗震不利地段。

3.3 地面塌陷成因分析

3.3.1地面塌陷成因分析

塌陷区位于沟谷地段，为地下水径流区段，水动力活动相对频繁。虽然塌陷坑的南侧揭露有灰岩及溶洞，但溶洞均为充填溶洞，其充填物为可～硬塑的含碎石粉质粘土，充填完好、密实，不存在空溶洞，溶洞不是勘查区地面塌陷的成因。

勘查区马坑铁矿现有开采水平为+300 m水平以下，均为深部开采，开采爆破均为小型爆破，塌陷发生前后各采区均为安全生产，未出现异常现象。根据马坑铁矿提供的马坑铁矿各采区2019年11月21日～12月2日日排水量统计表，各开采水平矿坑地下水的日排放情况均为稳定，未出现异常情况，说明现有马坑铁矿各采区的开采不是地面塌陷形成的原因。

根据物探成果及钻探资料分析，地面塌陷的产生与地下老硐采空区、地层岩性(包括松散覆盖层)、地质构造、大气降雨和人为工程活动改变水动力条件等有关。

1)地层岩性的影响。

塌陷区上覆地层以⑤强风化粉砂岩为主，工程地质性能及力学强度较差，岩体总体呈散体状，岩芯呈土状、碎块状，风化裂隙极发育，透水性中等，易于地下水的流通，下伏岩层为粉砂岩、石英砂岩及灰岩等，节理、裂隙很发育，岩芯以碎块状为主，并且灰岩溶洞较发育，其导水性较好，这些都有利于地下水的流通。从致塌条件分析，随着土的颗粒变粗，其抗塌性降低，随含砂砾量的增加，其抗塌性降低，均匀结构的粘土具有较好的抗塌性，岩体结构越破碎其渗透性和导水性越好其抗塌性越差。

2)地质构造的影响。

区域上塌陷区处于闽西南拗陷带中，区内断裂构造发育较发育，分别有F1，F2，F4三条断层通过。受断层影响，岩体较为破碎。这些断层决定了本区基岩含水层具有很好的渗透性和导水性，为地下水活动提供了主要通道。

3)大气降雨的影响。

勘查区地下水的补给主要为大气降雨，降雨对松散覆盖层的岩土体起到充水和软化作用，产生地下的渗透潜蚀作用；同时降雨量的变化，会引起地下水位的变化，当地下水位变化较大时，也可能导致上覆岩土层支撑力变小，当地下存在空洞时，进而引起土体塌陷，这些均会加快地面塌陷的形成。根据马坑铁矿2019年降雨量统计表分析，塌陷区2019年3月～9月降雨量较多，10月～12月降雨量特别少，尤其是11月份几乎没有下雨，这必然会引起地下水位的激剧下降，在采空区内形成真空吸蚀，使采空区硐顶岩土体支撑力变小，甚至为零，导致硐顶岩土体失稳冒落，当上覆土层厚度较小，自稳能力降低，承受不住地表岩土体重量时，便拉动地表形成地面塌陷。

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4)地下水的影响。

勘查区地下水活动与采空区的冒落密切相关，地下水位的升降变化，使上部土体在地下水升降过程中反复胀缩，使土体间的结合力及抗剪强度降低，形成松软土体，同时地下水的激剧下降也会引起采空区硐顶岩土体支撑力变小，甚至为零，导致硐顶岩土体失稳冒落。

5)人为因素。

勘查区的人为工程活动主要为人类采矿活动，由于采矿为硐采，在地下形成空洞，因前期采矿为不规则采矿，其技术条件落后，为浅层采矿，其形成的采空区均为浅层分布，由于上覆岩层风化严重，岩体工程地质性能差，人工前期采矿活动为本次地面塌陷形成的主导因素。

3.3.2地面塌陷成因

本次地面塌陷形成的主导因素为前期采矿形成采空区，其放顶方式为自然垮落,充填物为含碎石粉质粘土(原采空区顶部的强风化粉砂岩等)，很湿～饱和、呈上部较松散、中下部稍密状态。采空区剩余空间较大，为地面塌陷提供基础条件。

根据物探及钻探结果，并结合矿区原有的勘查资料，综合当地当时的天气情况分析：地面塌陷形成的诱因为天气干旱，导致塌陷区地下水水位激剧下降，使采空区硐顶岩土体支撑力变小，甚至为零，导致硐顶岩土体失稳冒落，同时由于上覆土层厚度较小，自稳能力降低，承受不住地表岩土体重量，便拉动地表形成地面塌陷。

4 地面塌陷稳定性分析

塌陷的地下采空区为废弃老硐采空区，终采时间较长(10年以上)；地面塌陷地表变形特征为中心带地面下沉，道路开裂、山体边坡下滑，地表围绕中心带出现大量环形地裂缝；废弃老硐采深约60.0 m，为浅层地下开采，采深采厚比约为20；废弃老硐顶板岩性为强风化粉砂岩为软弱覆；废弃老硐松散层厚度约60 m。根据GB 51044—2014煤矿采空区岩土工程勘察规范(2017年版)第12.2.3条，判定塌陷区场地的稳定性为不稳定。活化影响因素主要为地下水的反复活动、人工采矿的爆破震动及地震。

5 发展变化趋势及危害性预测

根据现场勘查结果及业主提供的2019年12月4日～12月26日塌陷区位移变形观测数据，目前各位移观察点仍处于变形阶段，但总体位移不大，地面塌陷尚未稳定，为塌陷后期的欠稳定阶段。地表塌陷如不及时治理，会进一步影响矿区公路的交通安全，同时雨季地表水将会大量溃入坑内，可能对下水平矿区的安全生产构成威胁。

6 治理方案

根据本次工程物探及钻探揭示的岩土层空间分布情况，综合地面塌陷发展趋势及危害性预测，应对勘查区采取工程措施进行综合治理。

6.1 塌陷区回填

1)回填过程中应按规范要求分层碾压夯实。塌陷坑回填顺序：先开挖至塌陷坑顶部，用大块岩石、混凝土板等大块硬物填入坑底，采用机械反复碾压夯实，再回填碎石，最后回填黄土(不渗水的黏性土)至地表(黄土回填夯实后厚度不小于1 m)，并形成一定的坡度。在塌陷区中心位置尽量堆高并压实，形成堆排冗余，预留一定的下沉量，即使今后地表继续下沉，也不容易形成凹陷坑，以利于排水为原则，不让雨水渗入地下。

2)回填土石方总量以将原塌陷区有效遮盖并形成自然坡度为宜。经现场观察，确定：回填体终了边坡与东侧原渣堆边坡一致即可。回填结束后将在道路一侧形成一个平台。新填土坡需在半坡中间部位做一条5 m宽马道，利用挖掘机通过该马道降坡至坡比1∶1.75左右。

3)塌陷区西南侧由于填方会形成一定高度的填土边坡，建议施工时按填土边坡的安全坡率(1∶1.75)放坡，必要时可分台阶放坡，每级坡高不大于10.00 m，其压实系数控制在0.94～0.97间，同时坡面种植易生长的植被以防止水土流失。

4)定期对塌陷区进行巡视。

6.2 截排洪

1)在塌陷区东侧合适地段沿自然坡度施工一条排水沟，将上游洪水引入原有水沟下游。

2)在回填区正上方施工截、排洪沟，将该汇水面积内的洪水截排至原有水沟或回填区域外侧，避免直接对填土体造成冲刷。

3)在新形成的道路(位置与原路基位置大体一致)路面靠山一侧修筑合理毛水沟，以利于将雨水引排至原有水沟。

4)在回填体坡面中间马道靠山的一侧修筑合理浆砌水沟，以利于排水。

5)将位于路边原有水沟的原沉淀池、排水涵洞等“三合一”方案中的排洪系统修复。

6.3 挡土、拦渣

1)将位于路边原有水沟的原“三合一”方案中的拦渣坝修复。

2)在原有水沟下游最窄地段，修筑2道石坝，上游为干砌透水坝，下游为浆砌石坝，以便于拦渣和沉淀。

3)在回填体坡脚沿原有水沟修筑一条挡土墙，以避免地表水对回填土体的坡脚冲刷。

6.4 绿化

根据生态恢复治理需要，对塌陷区进行绿化和生态恢复治理。

7 结语

马坑铁矿地面塌陷主导因素为前期采矿形成采空区，诱因为天气干旱，导致塌陷区地下水水位激剧下降，使采空区硐顶岩土体支撑力变小，甚至为零，导致硐顶岩土体失稳冒落，同时由于上覆土层厚度较小，自稳能力降低，承受不住地表岩土体重量，便拉动地表形成地面塌陷。

根据马坑铁矿地面塌陷的成因，其治理方案主要为：

1)塌陷区按规范要求回填并定期进行巡视。

2)设置必要的截排洪沟。

3)设置必要的挡土坝、拦渣坝。