安庆铜矿地面岩溶塌陷成因分析及综合防治对策

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1、安庆铜矿地面岩溶塌陷成因分析及综合防治对策胡 强（铜陵有色金属集团股份有限公司安庆铜矿，安徽 怀宁县 246131）摘要：岩溶塌陷是南方可溶性岩石地区的一种常见地质灾害，安庆铜矿经过几十年的开采及井下疏干排水，地面岩溶塌陷问题日益突出。本文从安庆铜矿水文地质条件，地面岩溶塌陷特征，形成的基本条件、动力条件、及诱发因素等方面分析了岩溶塌陷的成因；根据矿山实际，提出了以井下堵水为主、地面防治为辅、监测配合的岩溶塌陷防治方法，通过安庆铜矿岩溶塌陷治理工程的实践，极大地改善了矿区的生态环境，为同类矿山岩溶塌陷防治提供了理论依据及实际指导。关键词：安庆铜矿；岩溶塌陷；防治对策Causes of surf

2、ace karst area collapse and comprehensive controlling measures in Anqing Copper MineHu Qiang（Anqing Copper Mine, Tongling Nonferrous Metals Group Holdings Co.,Ltd., Huaining 246131,Anhui, China）Abstract: Karst collapse is a common geological disaster in soluble rock areas of the south. After decades

3、 of mining and underground dewatering and drainage, the problem of surface karst area collapse has become increasingly prominent in Anqing Copper Mine. The causes of karst area collapse are analyzed according to the hydro-geological conditions, ground characteristics of karst collapse, the formation

4、 of the basic conditions, dynamic conditions, and predisposing factors of Anqing Copper Mine. Controlling measures of karst collapse are proposed, which contain the predominant measure sealing of underground water and supplementary measures, ground control and monitoring. Theecological environment o

5、f the mining areas is greatly improved bycontrolling measures which are used in managementpractice of karst collapse. And it provides a theoretical basis and practical guidance to the similar mine by prevention and treatment of karst collapse.Key words: Anqing Copper Mine; karst collapse; controllin

6、g measures0 引 言安庆铜矿地面岩溶塌陷位于怀宁县月山镇东部的黄岭行政村及铜陵市安庆铜矿区境内。由于长期抽排岩溶地下水，自上世纪八十年代起，安庆铜矿黄岭地区陆续产生岩溶塌陷。据不完全统计，累计发生岩溶塌陷130余起，岩溶塌陷引起损坏房屋100余间，毁田57余亩，同时毁坏部分公路、河道，对当地生态环境造成了一定程度的不良影响及破坏。1 地面岩溶塌陷概况1.1 地形地貌安庆铜矿处于小型山间盆地，四周环山（海拔150300m），中间低平（海拔3050m），汇水面积约10km2。盆地内发育东、西马鞍山河流，由北向南经马山口汇入马鞍山河，再汇入月山河。矿区分布低丘、坡洪积扇、河漫滩三种微地貌形

7、态。1.2 矿区水文地质特征安庆铜矿绝大部分分布于马山口以北，矿区东、西、北为丘陵高地，由弱至极弱富水的三叠系上统碎屑岩含水岩组、岩浆岩裂隙含水岩组构成。既为地表、地下分水岭，又为相对隔水边界。南为东马鞍山、西马鞍山丘陵及马鞍山河月山河河谷盆地，河谷上部为弱至中等第四系孔隙含水岩组，下部为强富水的三叠系中下统碳酸盐岩裂隙岩溶含水岩组。三叠系中下统碳酸盐岩岩溶发育深度在马山口以南一般在-100以上，且浅部开口型岩溶发育，向北的安庆铜矿区加深至-180m至-300m。安庆铜矿矿体位于侵蚀基准之下，三叠系中下统碳酸盐岩为矿体直接顶板，矿体底板为闪长岩体。矿坑主要充水源为三叠系中下统裂隙岩溶含水岩组1

8、。地下水的主要补给来源为大气降水，次为地表水。补给途径为大气降水直接入渗补给和地表水渗漏补给，局部地段个别时段有河水倒灌补给。天然状态下，地下水的径流与地表水一致，分别由矿区的南北两侧流向中部的月山河，地下水径流缓慢。但由于矿山长期抽排水，使矿区天然地下水流场改变，目前已形成了以矿坑为中心（中心水位标高-340m以下），并向东南方向、正南方向和西南方向扩展的相对稳定的降落漏斗。在潘家老屋至新新村地下分水岭一线以南，地下水向南径流排出区外，其余皆向矿井汇集，以井下排水的形式排泄23。1.3 地面岩溶塌陷特征安庆铜矿采用井下大直径深孔充填采矿法，矿山自1981年7月至1986年9月相继进行副井、西

9、风井及坑下-400m中段精密探矿，1987年之后继而进行-280m、-340m中段及主井的采准施工，1991年开始试生产。1987年开始，随着矿山大规模开拓，矿山疏干排水的深度和强度不断地加强，沟通矿区和以南地区的-300m以上三叠系中下统裂隙岩溶，并进一步向上沟通了浅部岩溶洞隙而产生大范围的岩溶塌陷。据不完全统计，自1987年开始，到2008年12月为止，共发生塌洞130余处，岩溶塌陷主要分布于马山口至潘家老屋、水磨村以东的河谷盆地。岩溶塌陷的时间以汛期为多，次为枯水季节。岩溶塌陷的形态特征：岩溶塌陷平面上多呈圆形、少数椭圆形；剖面上呈竖井状为主，部分为坛状、锅底状。岩溶规模以小型为主，少数

10、为中大型，个别为大型。小型塌陷坑直径一般13m，深0.53m；中大型塌陷坑直径一般36m，部分达1020m，深0.56m；大型塌陷坑为连通型溶洞，一次塌方量达1000m3以上，洞内较复杂，洞口上部小下部大。岩溶塌陷的分布特征：（1）岩溶塌陷分布于覆盖的强岩溶地段，且上覆第四系松散层厚度一般小于10m；（2）受控于地层与地质构造；（3）在水交替强烈的河谷及地表水与地下水联系密切地段，而且反复发生；（4）分布于岩层接触带。西马鞍山北东麓塌陷坑呈线状展布，即分布于闪长岩与大理岩的接触带；（5）分布于地下水的降落漏斗范围内，特别是沿地下水主要径流方向分布，同时，塌陷范围随降落漏斗的扩展呈同步向外推移、

11、扩展4。图1安庆铜矿岩溶塌陷分布图Fig.1 Distribution of karst collapse anqing copper mine2 地面岩溶塌陷成因分析2.1 可溶性基岩为岩溶塌陷的基本条件三叠系中下统碳酸盐岩存在及其岩溶发育强烈、溶洞发育是塌陷发生必备的条件。矿区内以碳酸盐岩为主的可溶岩大部分被第四系复盖，发育覆盖型岩溶。仅有少部分出露地表，发育裸露型岩溶，地貌景观为岩溶丘陵地形。地表岩溶发育及分布受岩性、构造、埋藏深度和水动力条件等因素的影响，岩溶发育形态、发育程度和分布规律均存在明显的差异。岩溶形态经钻孔揭露，主要为溶孔、溶蚀裂隙，次为溶洞、晶洞。分布高程一般在-100m

12、以上，在断层带、接触带岩溶发育较深，个别可达-600m以下。三叠系中统月山组中段角砾状大理岩（T2y2）、三叠系下统南陵湖组中厚层大理岩、灰岩（T1n）岩溶发育程度强烈，其它地层岩溶发育程度中等较弱。2.2 大量抽排地下水，是矿区地面岩溶塌陷的动力条件安庆铜矿大量抽取地下水，引起矿区岩溶地下水位大幅波动，是该区岩溶塌陷发生的动力条件。矿区长年抽排岩溶地下水，改变了该区域地下水天然流场，使地下水降落漏斗内的地下水集中从矿井排出。这样就大大降低了地下水降落漏斗范围内的地下水位，使得水对覆盖层的托浮力减小， 水力坡度增大，同时水流速度加快，水的潜蚀作用加强。岩溶洞隙中的泥沙在地表水、降水沿土裂隙、岩

13、溶塌陷坑渗流及地下水侧向径流潜蚀作用下，被潜蚀而搬运，使第四系盖层土体慢慢下陷流失而成土洞，第四系冲、洪积土层土洞发育，改变了土层中的原始应力状态。地下水位降低时，地下水对土体的浮力也在不断减小，上部覆盖层的应力平衡状态被破坏，在土体自重力的配合下，导致地面变形，乃至地面塌陷；此外，岩溶洞隙中地下水位急剧下降，岩溶腔内有压水而转为无压时，产生真空，在负压作用下发生真空吸蚀而致塌。一般位于山坡，地下水在渗流过程中对土体起着冲蚀淘空作用而逐渐形成土洞，进而产生地面岩溶塌陷。2.3 连续暴雨是地面岩溶塌陷诱发因素连续暴雨诱发岩溶塌陷。塌陷区地势低洼, 地表排水条件差，降水易集中渗入地下。疏采地下水又

14、强化了降水渗入潜蚀作用, 导致塌陷产生。3 地面岩溶塌陷综合防治对策地面塌陷是我国南方岩溶矿区遇到的普遍性问题，国内外至今尚未找到通用性强、效果持久的治理方案。一般来说，对于地面塌陷的治理，应采取预防为主、治理为辅、防治结合的办法，从国内外塌陷治理技术经验来看，防治塌陷的主要措施有：河流改道、修堤拦洪、修沟引流、塌洞回填（注浆）、河床防渗、河床注浆加固、帷幕注浆截流、人工河床等。具体对本矿而言，河床不可能改出塌陷区；修堤拦洪、修沟引流措施不适合本地段；塌洞回填措施是矿山目前对待塌陷的常见办法，但复发率高；河床防渗手段也只是治表，不能消除塌陷发生的内在原因；帷幕注浆截流投资太大、工期较长，注浆效

15、果存在较大风险；人工河床能减缓塌陷，但也可能造成塌陷外扩。因此，从矿山实际出发，本矿区可采用的塌陷防治方案应是以井下堵水为主、地面防治为辅、监测配合的综合方案5。3.1 井下堵水措施造成岩溶塌陷的最直接原因就是井下的大量疏干排水，因此，消除井下产生大量涌水的条件或减少泥砂的涌出就可以控制塌陷的产生及发展。井下堵水又分为两个方面：巷道掘进期间的堵水、采矿期间的堵水。巷道堵水可通过工作面预注浆，后注浆的措施防止突水及涌水，对于富水区或富水断裂带，在条件许可时，可采取回避的办法。本矿区矿体顶板即为含水丰富的大理岩，在未超前疏干的情况下，采矿期间必将大量涌水，一方面影响了采矿作业的正常进行，另一方面更

16、加剧了地面塌陷的发展，因此，采取必要的堵水措施至关重要。总之，通过井下堵水措施，控制矿坑涌水量，防止矿坑突水，避免矿山疏干地下水降落漏斗外扩。3.2 地面防治措施岩溶矿山，为防止地面塌陷频繁发生，应针对塌陷的不同状况，分别采取各种防治措施，同时地面塌陷的预防工作也是尤为重要的。3.2.1 预防地面塌陷地面塌陷的预防措施主要有：（1）防止河水漫至地势低洼的塌陷区。为防止河水漫灌至地势低洼的塌陷区，可筑坝加高加固马鞍山河段，将雨季河水全部引入下游河段；（2）河床防渗。由于本区地表水与第四系存在水力联系，而第四系又与大理岩存在密切的水力联系，为防止河水沿第四系松散层渗流至岩溶含水层中，应对河道进行块

17、石护坡、砼或粘土铺底的加固防渗。（3）控制地下水位下降速度。当地下水位骤降时，产生塌陷的强度及频率都大，因此，可通过井下主要涌水孔（涌水点可安装导水管）安装闸阀，动态地调节排水量，从而达到控制地下水位下降速度的目的；（4）减少泥砂排放量。当井下排水泥砂量增大时，地表将产生塌陷，因此控制涌水点泥砂的排放，将能大幅降低地表塌陷产生的规模及频率；（5）灌注地面裂缝。当地表出现裂缝，特别是环形裂缝时，预示着塌陷将发生，为此可及时配制粘土水泥浆或尾砂水泥浆，对着地裂缝进行自溜灌浆，将塌陷消除在陷落之前。3.2.2 塌洞治理矿山目前对已有塌洞的治理主要是采取用废石或粘土袋回填的措施，该种简易处理方案具有见

18、效快、成本低的优势，但也存在复发率高的缺陷。可按照塌陷的特点分别采用不同的治理措施，下面分别论述。3.2.2.1 暴露洞口的塌陷该类塌陷多发生于土层厚度5米的地段，其治理方案相对较简单，采用大块石、废车皮、钢筋砼封闭洞口，再上覆土体即可。3.2.2.2塌洞底松散层厚度4米（1）非重点地段塌陷治理对于非重点地段的塌陷，一般仍可采取简单的回填措施，具体方案有两种：一是用编织袋装粘土或粉质粘土对塌洞进行回填，上面2米则用粘土覆盖并夯实，防止积水入渗造成垂向潜蚀；二是用块径大于20cm的块石回填塌洞，上部2米仍用粘土覆盖压实，防止积水入渗。本项措施能在一定程度上控制塌陷的复发规模及频率，但不能达到根治

19、的目的。（2）重点地段塌陷治理对于重点地段的这类塌陷，为防止塌陷反复活跃，主要技术思路是将回填塌洞与简易注浆充填结合起来，达到防止地表水入渗，加固洞口上土体或直接封堵洞口的目的。针对本矿塌陷特点，可以采用埋管回填注浆方案（图2）。图2 塌洞埋管回填注浆方案示意图Fig.2 Diagram collapse hole pipe backfill grouting3.2.2.3 塌洞底松散层厚度4m对于非重点地段仍可采用3.2.2.2所述回填方案。而对于重点治理地段，其治理方案主要有两种：一种是利用塌陷产生的地裂缝（或塌洞口），直接自溜灌注水泥尾砂浆、粘土水泥浆或水泥水玻璃双液浆，采用较少的工程措

20、施治理塌陷；另一种是先用粘性土对塌洞进行回填后，再采用钻探及注浆措施直接封堵溶洞口、过水通道，达到根治塌陷的目的。前者工艺简单，在此不再赘述；后者为注浆方案，工艺较复杂。该方法的着眼点是力求用尽量少的钻探注浆工程封堵溶洞口（如处理地段位于塌陷高发区，则应多灌入浆液，一并封堵与溶洞口相通的过水通道），从而达到根治的目的。注浆工艺主要有2种：一是钻杆注浆（图3），二是孔口压盖注浆（图4）。两种注浆工艺各有利弊，相对而言前者更适合中心孔，而后者更适用于周边孔。同样在塌陷活跃区内，为防止落水洞周边裂隙产生潜蚀导致塌陷，应多灌入浆液，将落水洞口及其过水通道一并封堵。注浆材料宜采用大量低廉的充填浆液或控制

21、浆液扩散的速凝浆液。可供选择的注浆材料有以下两类： A类：水泥尾砂(泥)浆、水泥粉煤灰浆、水泥粘土浆；B类：水泥水玻璃双液浆。图3 塌洞钻杆注浆工艺示意图Fig.3 Schematic collapse drill pipe backfill grouting图4 塌洞钻杆注浆工艺示意图Fig.4 Schematic collapse drill pipe backfill grouting3.2.3 潜在塌陷区防治根据以往地质工作成果，选择重点易塌陷区进行针对性的治理，具体方案是：先采用五极纵轴激电测深法对居民区、河床等重点地段进行物理探查，以查明浅部岩溶发育情况，如存在浅部岩溶并经钻探证实

22、后，再进行地面注浆治理6。3.3 监测措施对预测的岩溶塌陷区，均应设置必要的监测点，对岩溶塌陷灾害的产生及发展进行监测，建立完善的岩溶塌陷灾害监测体系。 监测工作的重点是地下水水位的变化、井下排水水质的变化，次为地表水的观测、开裂变形的房屋及地面变形观测。加强监测工作，对各种水质、水位变化综合分析，对岩溶塌陷进行预测和预报。4 结论地面塌陷是我国南方岩溶矿区遇到的普遍性问题，国内外至今尚未找到通用性强、效果持久的治理方案。从矿山实际出发，通过“以井下堵水为主、地面防治为辅、监测配合”的综合方法治理地面岩溶塌陷，使安庆铜矿地面岩溶塌陷频率减少，改善了当地的生态环境，缓解了矿农矛盾，为矿山创造了一

23、定的经济效益。参考文献1 沈照理，刘亚光，杨成田. 水文地质学M. 北京：科学出版社，1985.2 李方根. 安徽省怀宁县月山镇黄岭村岩溶塌陷勘查报告R.合肥：安徽省地勘局第二水文工程地质勘查院，2009.3 李栋. 安庆铜矿东马鞍山矿体水文地质条件研究报告R. 长沙：长沙矿山研究院，2010.4 吴长贵. 铜陵地区岩溶塌陷基本特征及防治方向初步探讨J. 安徽地质，1994,4（4）：61-69.5 沈万里，宣世进.岩溶塌陷形成机制及防治方法研究J. 科协论坛，2009,1（下）：94-95.6 吴长贵，孙祥久，汪庆九等.铜陵市矿山地质灾害及防治对策J. 安徽地质，1999,9（3）：217-220.作者简介：胡强（1967-），男，安徽枞阳人，高级工程师,工程地质专业，主要从事矿山水文地质技术和地测工程管理工作。9