湖南省谭家山矿区地面变形地质灾害特征及影响因素分析.pdf

世界有色金属 2020年 7月上124 地质灾害 Geologic hazard 湖南省谭家山矿区地面变形地质灾害特征及 影响因素分析 王 潇，姚海鹏，李旭杰，梁 晨，赵睿成 （湖南省地质调查院， 湖南 长沙 4 1 0 0 0 0 ） 摘 要 谭家山矿区采矿历史悠久， 地下开采形成了大面积采空区， 同时在采矿期间大量抽排地下水以及闭坑停采后 地下水恢复上升， 引发了大面积的地面变形地质灾害。 本文在综合研究已有资料的基础上， 对谭家山矿区地面变形进行 了针对性调查， 同时结合物探和钻探， 对矿区采空区分布特征及移动盆地边界、 变形特征及分布、 危害特征进行了总结 研究， 并在此基础上对地面变形的影响因素进行了分析。 关键词 地面变形 ； 地质灾害 ； 影响因素 ； 谭家山矿区 中图分类号 T D 8 2 ； P 6 9 4 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 2 - 5 0 6 5（2 0 2 0 ） 1 3 - 0 1 2 4 - 3 Analysis on the characteristics and influencing factors of ground deation geological disaster in Tanjiashan mining area, Hunan Province WANG Xiao, YAO Hai-peng, LI Xu-jie, LIANG Chen, ZHAO Rui-cheng Hu n a n G e o l o g i c a l S u r v e y I n s t i t u t e , C h a n g s h a 4 1 0 0 0 0 , C h i n a Abstract T a n j i a s h a n mi n i n g a r e a h a s a l o n g h i s t o r y o f mi n i n g , u n d e r g r o u n d mi n i n g h a s f o r me d a l a r g e a r e a o f mi n e d o u t a r e a , a t t h e s a me t i me , d u r i n g t h e mi n i n g p e r i o d , a l a r g e n u mb e r o f g r o u n d w a t e r p u mp i n g a n d d r a i n a g e , a s w e l l a s t h e r e c o v e r y a n d r i s e o f g r o u n d w a t e r a f t e r t h e p i t c l o s e d a n d s t o p e d mi n i n g , l e a d i n g t o a l a r g e a r e a o f g r o u n d d e f o r ma t i o n g e o l o g i c a l d i s a s t e r s . B a s e d o n t h e c o mp r e h e n s i v e s t u d y o f t h e e x i s t i n g d a t a , t h i s p a p e r ma k e s a t a r g e t e d i n v e s t i g a t i o n o n t h e g r o u n d d e f o r ma t i o n o f T a n j i a s h a n mi n i n g a r e a , a n d a t t h e s a me t i me , c o mb i n e d w i t h g e o p h y s i c a l e x p l o r a t i o n a n d d r i l l i n g , s u mma r i z e s a n d s t u d i e s t h e d i s t r i b u t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f g o a f , mo b i l e b a s i n b o u n d a r y , d e f o r ma t i o n c h a r a c t e r i s t i c s , d i s t r i b u t i o n a n d h a z a r d c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e mi n i n g a r e a , a n d o n t h i s b a s i s , a n a l y z e s t h e i n f l u e n c i n g f a c t o r s o f t h e g r o u n d d e f o r ma t i o n . Keywords g r o u n d d e f o r ma t i o n ; g e o l o g i c a l d i s a s t e r ; i n f l u e n c i n g f a c t o r s ; T a n j i a s h a n mi n i n g a r e a 收稿日期 2 0 2 0 - 0 6 作者简介 王潇， 男， 生于1 9 8 7 年， 土家族， 湖南保靖人， 硕士研究生， 水工环地质工程师， 研究方向 水工环地质。 湖南省湘潭县谭家山矿区采矿历史悠久， 最早可追溯到 1915年左右半机械化的小矿山开采， 一直到2015底各个矿 井闭坑停采， 历史以来国营矿山、 小矿山众多， 导致地下开 采错综复杂， 区内的地面变形地质灾害严重影响了当地居民 生产生活， 给当地居民的生命财产造成了巨大损失和威胁。 本文考虑到整个矿区的实际地质灾害现状， 全面对变形影响 区域进行调查研究， 范围从行政区域来看主要包含谭家山镇 榜塘村、坪塘村、紫竹村、长塘村4个村及佐塘社区、土地 庙社区2个社区 ；从原矿界范围来看主要包含原谭家山一 井、 二井、 三井、 四井及周边小矿井。 1 地面变形特征 1.1 采空区及移动盆地分布 地面变形的影响范围， 受到采空区及移动盆地的直接影 响。 移动盆地变形监测是一项长期的工作， 几十年以来谭家 山矿山未开展过该项工作， 而无相关的地表位移监测资料。 故本次研究移动盆地边界主要采用移动盆地的危险移 动边界， 即以盆地内地表移动与变形对建筑物有无危害而划 分的边界。 根据调查及变形分析， 可知移动盆地中心位于谭 家山向斜轴部地带。 移动盆地边界主要位于向斜两翼， 根据 野外调查房屋、 建筑物、 地表变形特征， 划定移动盆地边界 南东翼为榜塘村董公塘-株洲市何家冲-坪塘村马家坡- 坪塘村徐家屋-长塘村花门寨一带， 北西翼为 长塘村梅子 坡-土地庙社区新街-紫竹村杉荫坡-紫竹村米筛塘坳口- 榜塘村榜塘堪， 面积约10.34km2。 图1 采空区及移动盆地边界示意图 1.2 变形特征 地下采空引起的地面变形地质灾害， 其具体变形破坏表 现形式为地面沉陷 （造成房屋开裂受损点361个， 地面裂缝 6条， 地面变形点25个） 、 采空塌陷9个。 从行政区域来看地质灾害发育最多为榜塘村 （房屋开裂 104点，采空塌陷5处，岩溶塌陷5处，地面裂缝1处，地面 变形14处） ， 其次为坪塘村 （房屋开裂81点， 采空塌陷2处， 岩溶塌陷4处， 地面裂缝1处， 地面变形7处） ， 佐塘社区和紫 竹村发育影响适中， 影响相对较小的为土地庙社区和长塘村。 从地质灾害与采空区的关系来看， 深部采空区主要位于 2020年 7月上 世界有色金属 125 地质灾害 Geologic hazard 谭家山向斜轴部一带，分布面积3.928km2。本次调查地面 沉陷类地质灾害点139个 （其中房屋受损121个， 地面裂缝 6个， 地面变形点12个） ， 采空塌陷5个， 合计144个 ； 老窑 采空区分布在谭家山向斜两翼， 深部采空区边缘一带， 面积 0.562km2。本次调查地面沉陷类灾点61个 （其中房屋受损 55个，地面裂缝0个，地面变形点6个） ，采空塌陷3个，合 计64个 ；非采空区分布在采空区外围，包含采空区的影响 带。 分布面积8.01km2。 本次调查地面沉陷类灾点192 （房屋 受损185个，地面裂缝0个，地面变形点7个） ，采空塌陷1 个， 合计193个。 图2 地质灾害分布示意图 1.3 危害特征 图3 榜塘村老屋组龙建伟家房屋开裂严重， 成为危房 （始发于2003年， 开裂持续发展） 工作区地面沉陷、采空塌陷、地面裂缝等地面变形地 质灾害危害对象主要为居民房屋、农田、道路、水库、和其 它地表水及地下水。根据 危险房屋鉴定标准 （JGJ125- 2016） ，对调查到的369户房屋进行房屋受损定级，发现房 屋受损主要以B级为主，共计291个，占比78.86 ；其次 为C级52个， 占比14.09 ； 第三为A级20个， 占比5.42 ； 最少为D级6个，占比1.63。严重危害到区内房屋2579 栋， 农田3.2km2， 居民10000余人， 以及省道S313、 各级乡 道、 村道等。 图4 谭家山山体开裂 2 地面变形影响因素分析 采空区地面变形的影响因素一直受到研究者们的关注， 采空区的变形与各种地质因素和非地质因素相关1。 2.1 受到采空区规模的影响 谭家山矿区在采空区存在上下叠加情况， 十分复杂 （见 表1） 。 本次通过收集资料加局部物探、 钻探验证的方法圈定 采空区。 采空区的影响可以分布浅部采空区影响和深部采空区 影响。 浅部采空区主要指老窑采空， 老窑采空区面积最大的 为一井，面积0.38km2，其次为三井，面积0.113km2，第三 是四井， 面积0.069km2， 二井面积最小， 老窑采空面积也相 对最小。 可以发现老窑采空区面积最大的为一井， 整体呈南 西-北东分布， 位于原谭家山变电站-龙塘坡-佐塘社区- 榜塘村西冲组-榜塘政法组-榜塘村邓公塘一带。 这一带地 面沉陷、采空塌陷、地面裂缝、岩溶塌陷均有发育强烈，虽 然老窑采空时间长， 但以地表变形迹象来看， 目前仍不稳定。 深部采空区指老窑采空区以下的采空区， 可知谭家山地面变 形区整个采空区在剖面上呈 “凹” 型，老窑采空区以下垂直 水平一井为-200m到-750m，三井从-200m到-750m。 表1 采空区规模统计表 矿井准采标高/m走向长/km倾向宽/km采空区面积/km2闭坑前设计开采水平/m周边老窑采空/km2 湘 潭 矿 业 集 团 一井115 ～ -9003.090.310.97-260、 -600、 -8500.38 二井50--3402.130.260.55-100、 -250、 -300/ 三井115 ～ -9002.150.360.78-225、 -450、 -650、 -8000.113 四井115 ～ -9002.490.350.88-100、 -250、 -400、 -7250.069 新源矿区144 ～ -9000.850.160.14-160、 -320、 -520/ 老屋矿区100 ～ -800.330.090.043-80/ 邓公矿区100 ～ -6000.450.130.06-200、 -328、 -379/ 茶源矿区50 ～ -4000.920.120.11-200、 -340、 -400/ 立胜矿区100 ～ -1240.20.120.024-240/ 霞峰矿区135 ～ -1240.370.150.055// 金凤矿区50 ～ -800.400.0950.038// 紫竹矿区100 ～ -800.230.130.031// 新发矿区50 ～ -90///// 世界有色金属 2020年 7月上126 地质灾害 Geologic hazard 由于采空区分布深，分析采空区以上到地面逐步形成垮落 带、 裂隙带、 变形带， 百年的开采变形导致整个谭家山向斜 变形下沉， 引起地面变形破坏。 但由于采空区深， 其影响程 度没有老窑采空区影响大。 2.2 受到顶板覆岩条件的影响 由于开采顶板岩性为泥岩、 细砂岩、 粉砂岩、 中粒砂岩， 其物理力学性质差。 影响到岩体稳定， 破坏岩体完整， 降低 岩石强度，造成矿坑冒顶、片帮，导致垮落带的变化，并引 发采空区上部覆岩发生弯曲波及地表， 从而产生采空区采空 塌陷、 地面沉陷。 2.3 受到釆深采厚比的影响 利用开采深度、 开采厚度， 即可得到研究区的采深采厚 比等值线图 （见图5） 。 根据各个矿井的采深采厚比并结合本次地质灾害特征， 可以看出工作区采深采厚比由谭家山向斜两翼向中间核部 变大的趋势。 两翼最外侧浅部的老窑采深采厚比最小， 一般 为060， 这一带也是岩土体破碎， 应力失衡， 地面变形引起 的地面沉陷、 地面裂缝、 采空塌陷频发。 而往向斜中部发展， 采深采厚比逐步变大， 最大在三井、 四井交界处， 采深采厚 比达到210222左右。以目前采深采厚比结合地表的变形 特征来看， 采深采厚比在0222区间均对地表产生影响， 采 深采厚比越小相对影响程度越大。 2.4 受到地下水影响 以前采矿过程中，谭家山矿区一带开采标高至-850m 时候， 主要运输大巷位于茅口组灰岩中， 地下水被开采过量， 导致其水位大幅、 连续性的下降， 造成工作区地下水位超常 降低。 根据笔者计算， 闭坑前降落漏斗中心处含水层地下水[1] 凌秀权、 张倩.采空区引起的地面变形分析[J].价值工程.201616. 位下降最大900m以上，南部边缘处地下水位下降约20m 左右， 疏干范围影响半径达1852.8m。 抽排地下水导致地下 水的径流状态发生改变， 水力坡度、 水流速度有所增加， 同 时以前矿区开采区的不断发展扩大、 加深， 采矿区顶板冒落 活动频繁， 随着矿井疏干区的扩大， 岩石的饱和状态遭到严 重破坏， 地下水位急剧下降， 又因大气降雨地表水、 地下水 的冲刷作用下， 老采区又形成了新的空洞。 上部土层与岩层 裂缝加宽加深， 为地表水、 地下水径流溃入提供了通道， 逐 渐形成空洞或崩落， 失去了地层本身平衡状态， 在地应力作 用下， 形成地面变形地质灾害。 2015年底全部闭坑停采后，截止2019年6月份，作者 调查到整个矿区地下水水位恢复至标高45.9m， 水位恢复 速度估算丰水期为1.02.0m/月，枯水期0.51.0m/月。由 于地下水水位未恢复至区域初始水位，由于水位的上浮波 动，将导致采空区、垮落带、裂隙带、变形带短暂的平衡打 破， 地面变形将会继续发生。 随着地下水水位趋于恢复， 新 的岩土体平衡稳定， 地面变形现象也将趋于稳定状态。 3 结论 本文通过对谭家山矿区地面变形的研究， 充分总结了全 区的地面变形特征， 分析了地面变形的影响因素， 调查和分 析针对性强， 本文的分析对湖南省谭家山矿区后期开展的相 关地质环境工作具有一定的指导意义， 对湖南省类似矿山开 采引起的地质灾害分析研究具备一定的参考价值。 图5 采深采厚比等厚线图