四川省达川区大垭地面塌陷成因及防治措施

时间：2024-07-06

周高非

（四川煤田地质一三七总公司，四川达州 635006）

近年来，四川省达州市达川区景市镇大垭村寨一带形成一系列的地面塌陷坑。虽然塌陷规模不大，但是由于村寨人口密度较大，受到威胁的村民达128户，563人，目前已造成毁坏房屋167间，造成直接经济损失1050万元，间接经济损失150万元。因此，研究该地区地面塌陷的成因，对其防治工作有着十分重要的意义。

1 塌陷区地质环境条件

1.1 地形地貌

大垭地面塌陷位于景市镇柳树湾村、寨子村，石板镇金刚村共二十个社，地理坐标：东经 107°29′43″～107°31′53″，北纬31°00′15″～31°02′59″，面积约15km2。地面塌陷区位于构造剥蚀低山地貌区，相对高差约300m，地形起伏大。

1.2 地层岩性

区内出露地层繁多，主要为侏罗系中下统自流井组（J1-2z）、下统珍珠冲组（J1zh）地层，另有第四系坡残积层（Q4dl+el）及侏罗系中统下沙溪庙（J2xs）、新田沟组（J2x）及三叠系上统须家河组（T3xj）、中统雷口坡组（T2l）、下统嘉陵江组（T1j）地层。坡残积层由粉质粘土、粘土组成，可塑状～软塑状，稍湿～湿，松散～稍密，多为耕植土。侏罗系中下统自流井组（J1-2z）、下统珍珠冲组（J1zh）地层岩性为页岩夹粉砂质页岩、灰岩，页岩、粉砂质页岩岩石强度较低，易风化，遇水易软化，属较软质岩，侏罗系中下统自流井组大安寨段灰岩岩溶较发育。区内岩体受构造的影响较为破碎。

图1 大垭地面塌陷剖面图

1.3 地质构造

塌陷区位于中山背斜的轴部及两翼（图1），区内构造发育，除中山背斜外另发育有天耕梁背斜、金刚寺向斜及大垭口背斜，区内另发育有大大小小的断层50余条。

1.4 水文地质

1.4.1 气象特征

塌陷区属亚热带湿润型季风性气候区，气候温和，雨量充沛，无霜期长，日照充足，四季分明，大陆型季风性气候显著。据达川区气象站观测资料，达川区年平均气温17.3°，多年极端低温-4.7，极端高温42.3℃；年有霜日1～23d，平均8d，最大积雪深度 40mm，相对湿度 80%。年降雨量在840.9～1476.6mm，平均1044mm；月平均降水量220～260mm，最高可达 577～773mm；最多连续降雨日为21d，最长无降雨日为34d，降雨多集中在5月～9月，约占全年降雨量的75%。区内多年降水等值线见图2。

据相关资料，近年来的百年一遇的几次强降雨主要有：2004年9月3日～5日（“9.5”洪灾），72小时降雨量达467mm，2006年6月30日（“7.8”洪灾）12小时最大降雨量达180mm，2007年7月2日～8日（“7.5”洪灾）最大日降雨量则达169mm；2010年7月16日17时至18日18时（“7.17”洪灾），达川区全区普降暴雨，局部地区过程降雨量达400mm以上。据统计，达县50年一遇最大日降雨量为158mm、20年一遇最大日降雨量为110mm、10年一遇最大日降雨量为75mm。

1.4.2 水文特征

图2 达川区多年平均降雨量等值线图

达川区境内水文网较密集，河流属长江流域嘉陵江支流的渠江上游的巴河水系和州河水系，铁山为两个水系的分水岭（除铁山的西南段申家乡外）。铁山北西属巴河水系，铁山东南属州河水系。巴河、州河主要沿构造线方向发育，次级河流如明月江、铜钵河则以横穿构造线方向发育为主，再次一级河流及山溪，以构造线方向和斜交构造线方向发育为主，分布密集，多呈树枝状。河流切割一般较深，洪期都具有猛涨速落的动态特征，对地下水的补给、径流、排泄等有重要影响。

区内地表径流量与径流深的年内分配差主要随降水量变化。最大径流出现在6～9月，占全年70%左右。1～4月降水量少，基本无形成地表径流的条件，山区常年性溪流及河流主要靠地下水补给维持其径流。区内多年平均年径流深492.5mm，其中北部低山区510mm，中南部平行岭谷区495mm，西部丘陵区465.5mm。

由于区内降雨丰富，地下水补给、循环条件较好，加之区内各乡镇及居民聚居点的生产生活用水主要来源于地表泉水、河流等，人工开采地下水的情况较少，其开采强度一般轻微，对地质灾害的影响不大；但在区内各背斜近轴部地带，分布有煤层，在数十年的煤矿开采中疏排了大量地下水，从而导致了采空型、岩溶型地面塌陷的产生。

1.4.3 主要含水层

1）第四系孔隙潜水含水层。主要分布在塌陷区所处的斜坡地带，厚度 1～20m，上部主要为坡残积层，为砂土、碎块石土，透水性较好，下部为粉砂质粘土，粘土，透水性较差；该层泉流量一般 0.01～0.1L/s，该层只含上层滞水，地下水位随着季节变化而变化。

2）侏罗系、三叠系裂隙含水层。赋存于侏罗系下统珍珠冲组底部及三叠系上统须家河组第二、四、六段的砂岩中，由大气降水、孔隙水补给，富水性中等。随着煤矿的开采，该区地下水水位下降幅度很大，基本已经下降到煤层附近及以下，含水层中的泉点已部分干涸。

3）三叠系裂隙、岩溶溶洞含水层。主要赋存于侏罗系中下统自流井组第三段、三叠系中统雷口坡组、下统嘉陵江组的灰岩中，富水性强，地下水常以裂隙水、岩溶水、及暗河的形式排泄，流量一般在20～700L/s，该层中的地下水一般具有一定的承压性质，在塌陷区地下水位一般在 1000m左右。该层岩溶现象较为发育，岩溶发育形式由垂向逐步转变为水平发育为主。溶洞发育规模一般，面积在10～40m3。

1.4.4 相对隔水层

赋存于侏罗系中下统自流井组第一、二段，下统珍珠冲组上部，三叠系上统须家河组第一、三、五、七段中，为泥岩、粉砂质泥岩、煤层等，为相对隔水层。由于该区断层较为发育，加之有些组段的地层厚度较小，局部可能被下伏灰岩地层的溶洞揭穿，使得上覆含水层和下伏含水层连通。

1.4.5 地下水补给、径流和排泄条件

该区地下水的补给主要源于大气降水，除水蒸发，植物蒸腾，人畜利用外，均入渗补给裂隙、岩溶水，入渗方式主要是通过浅部含水层裂隙、断层、溶隙等直接补给，或经浅谷汇集后通过落水洞、陷落柱等集中点补给进入含水层，部分经层间径流以泉的形式排泄，或经过垂向径流补给深部岩溶溶洞含水层，在较远、较深的地方以岩溶大泉或暗河的形式排出。

2 塌陷区的基本情况及分布特征

2.1 地面塌陷基本情况

区内共查明地面塌陷点51处，主要分布于柳树湾村一～十社及寨子村一、五、六社及石板镇金刚村一、二、四社，塌陷多位于居民房屋附近的第四系人工堆积层及坡残积层上，塌陷点多呈漏斗状，面积一般560～2175m2，陷落深度一般14～120cm。

区内调查地面开裂100条，广泛分布于柳树湾村及寨子村，裂缝多产生于房前晒坝地面，裂缝长2.3～25m，宽0.2～20cm，多数裂缝已回填，裂缝走向大多与斜坡走向一致或角度斜交。

2.2 地面塌陷分布特征

1）地面塌陷点多分布于煤矿及老窑采空区上方。

2）该区地面塌陷点多分布于岩溶发育强烈的纯可溶岩及其与非可溶性岩接界的地带。即自流井组、珍珠冲组与须家河组煤系地层交界处。

3）塌陷点多分布于褶皱构造和断裂构造带附近。即各背、向斜的轴部、翘起端、倾伏端及断层裂隙集中带。

4）塌陷点多分布于岩溶陷落柱的周围。

3 地面塌陷的成因分析

3.1 地面塌陷产生的基本条件

通过对大垭地面塌陷的调查分析，认为其为一复合型地面塌陷，其形成与地层岩性、地质构造、人类工程活动及大气降水密切相关。

1）区内出露地层主要为侏罗系中下统自流井组、下统珍珠冲组，岩性主要为页岩、砂质泥岩夹粉砂岩、砂岩及灰岩。页岩、砂质泥岩岩石力学强度较低，分层薄。其次为三叠系上统须家河组，呈线状分布于区内各背斜的轴部及近轴部，岩性主要为岩屑石英砂岩、夹泥岩、页岩、炭质页岩、煤层等。由于须家河组地层含煤层，受采矿采空及疏排地下水影响，常形成大的地表变形，且变形速度快，形成采空塌陷。

2）区内断层、褶皱的发育是地面塌陷形成的另一重要原因。区内地质构造以褶皱为主，其次为断层。构造在宏观上决定了地层的产状、岩体的破碎程度等。在构造应力集中区，如背、向斜轴部（特别是背斜轴部）、断层附近岩体较为破碎，各种节理裂隙发育。区内发育有褶皱4条，大大小小断层50余条，断层、褶皱的发育使岩体极为破碎，会促使地面变形加快，同时扩大地表变形区。

岩溶陷落柱发育。侏罗系中下统自流井组大安寨段灰岩埋藏较浅，岩溶发育。据《达竹煤电有限责任公司金刚煤矿矿山地质环境影响初步评价报告》，发育于该地面塌陷区的岩溶陷落洞 17个，陷落柱平面形态呈椭圆形、长条形、腰子形，长轴长12～174m，短轴长2～70m。塌陷区内51处塌陷点有35处分布于自流井组地层中，16处分布于珍珠组、新田沟组等地层中（图3）。

三叠系雷口坡组和嘉陵江组的可溶岩受区域地下水补给和上覆须家河组构造裂隙的渗流补给，继承古岩溶通道，在深部（侵蚀基准面以下)有条件的地段可形成规模巨大的溶洞。如达川市金刚井田，石油部门的雷一号钻井，在陷落柱群钻探，在雷口坡组膏盐层遇多起溶洞（标高-200m）,钻孔冲洗液漏失量达8674m3。

3）采矿活动加剧了地面塌陷的形成和发展。区内矿产资源较为丰富，尤以煤炭资源为多。连续数十年的矿产开采及大量疏排地下水，特别是以前小窑乱掘乱采未进行顶板管理，最终导致地面变形、岩溶塌陷、地下水位下降，井泉水干枯，溪沟断流。采空区上部岩体的变形及放炮震动加速了上覆岩体完整性的破坏，使岩体更加破碎。本区现已发生的地面塌陷多为采空型地面塌陷。

图3 该区陷落柱剖面示意图

4）大气降水是地面塌陷形成的主要外部因素。页岩、砂质泥岩岩质较软，大气降水垂直入渗土体，使土体软化、饱和、崩解，加速了地面塌陷的形成。在灰岩地区，岩溶较发育，水运移到土层与基岩接触面，顺裂隙、断层破碎带及溶洞、溶隙下渗，同时将溶洞、溶隙、裂隙、断层破碎带中的充填物带走而形成空洞，加速地面塌陷的形成。

3.2 地面塌陷的形成机制

研究本区地面塌陷的成因问题比较复杂，仅就初步研讨认为：该区地面塌陷主要为采矿和岩溶的双重作用。

1）采空型地面塌陷。

该区煤矿和老窑众多，采煤历史悠久，采空区面积大。各煤层顶板岩性以砂岩及砂质泥岩为主，厚度 8～12m，且有厚层状砂岩顶板存在，岩石碎涨系数小（1.02～1.10m），采后顶板难以垮落，形成大面积顶板隐患。随着时间推移，在巨大上覆岩层重力和岩层应力的作用下，产生大面积顶板冒落，且常以切冒形式出现，瞬时波及地表。

2）岩溶型地面塌陷。

由于该区煤矿开采疏干排水，地下水位快速下降，必然减小地下水对上覆土体托力，大气降水入渗过程中，浅部岩溶水的渗透压力和流速都将增大。当水力梯度增大到可以使岩溶充填物迁移时，就产生潜蚀作用，使溶洞充填物逐渐被带走、掏空，形成隐伏土洞。

在自然条件下，由于三叠系须家河组的煤层及其围岩的存在，浅部（侏罗系自流井组）岩溶充填物基本上不会进入到深部（雷口坡组、嘉陵江组）岩溶中去。但由于采矿形成大面积采空区，使得浅部和深部岩溶的隔离层遭到破坏，浅部岩溶与深部岩溶在部分位置通过岩溶陷落柱直接连通，浅部岩溶的充填物由于重力作用直接进入深部岩溶中，而深部岩溶发育带地下水活动强烈，暗河发育，不断将其充填物进行搬运，使得浅部岩溶的充填物不断进入深部岩溶，从而形成浅层隐伏土洞，随着土洞规模的不断扩大，上覆松散体的自重压力超过其本身的极限强度，地表就发生塌陷。