引用本文
刘爱斌, 景佳俊, 周丹, 管祯, 翟如伟. 石膏矿区采空地面塌陷易发性分区与监测预警研究[J].中国地质调查, 2017,4(6): 76-82.
LIU Aibin, JING Jiajun, ZHOU Dan, GUAN Zhen, ZHAI Ruwei. Research on susceptibility zones and monitoring and early warning of ground collapse in gypsum mining area[J].Geological Survey of China, 2017,4(6): 76-82.  
doi: 10.19388/j.zgdzdc.2017.06.11
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石膏矿区采空地面塌陷易发性分区与监测预警研究
刘爱斌, 景佳俊, 周丹, 管祯, 翟如伟
江苏省地质矿产局第五地质大队,徐州 221004

第一作者简介: 刘爱斌(1969—),男,高级工程师、注册岩土工程师,主要从事水文地质、工程地质勘察研究。Email: 195691897@qq.com。

收稿日期: 2017-04-25
基金资助: 邳州市国土资源局 “邳州市邳北石膏矿区地质灾害防治规划(编号: PZ[2016]33)” 项目资助
摘要

邳州市邳北石膏矿区采空地面塌陷日益严重,为防治地质灾害,市政府于2016年进行了石膏矿区采空地面塌陷专项地质灾害防治规划。通过分析矿区已有资料、分析已发塌陷点和现场调查,阐述了采空区地面塌陷的特点与危害,并采用模糊综合评判方法对地面塌陷的易发性进行了分区。根据分区结果,结合人员密集程度,提出了区域采空区综合治理和地面塌陷地质灾害防治监测预警的措施和方法,为地质灾害防治工作提供依据。

关键词: 采空区; 地面塌陷; 预警监测; 易发性分区
中图分类号:P642.26 文献标志码:A 文章编号:2095-8706(2017)06-0076-07
Research on susceptibility zones and monitoring and early warning of ground collapse in gypsum mining area
LIU Aibin, JING Jiajun, ZHOU Dan, GUAN Zhen, ZHAI Ruwei
The Fifth Geological Brigade of Jiangsu Geology and Mineral Exploration Bureau, Xuzhou 221004, China
Abstract

With the increasingly serious problem of ground collapse in gypsum mining area of North Pizhou and in order to carry out the geo-disaster control work, the government made the plan of prevention and management for ground collapse in gypsum mining area in 2016. Through analysis of available data, collapse areas (those found) and field survey in gypsum mining area of North Pizhou, the authors explained the characteristics and hazards of ground collapse in gypsum mine goaf. In addition, they made the susceptibility evaluation of ground collapse using the fuzzy comprehensive evaluation method. Based on the results and population density, the authors put forward the method and measures for comprehensive treatment of the mine goaf and monitoring and early warning of ground collapse. This paper would provide some scientific reference for the geo-disaster control work of government and other similar geological areas.

Keyword: goaf area; ground collapse; monitoring and early warning; susceptibility zones
0 引言

近30年来, 邳州石膏矿区对石膏资源进行了大量开采, 在带来经济效益的同时, 也留下了严重的采空地面塌陷隐患[1, 2]。自2005年3月发生第一起地面塌陷起, 邳州石膏矿区连续多年都有地面塌陷灾害发生, 且频率不断加快, 规模不断扩大, 造成矿井报废、土地损毁等严重后果, 对矿区人民的生命及财产安全威胁较大, 引起了各级政府及相关主管部门的高度重视。为最大限度避免和减轻地面塌陷给邳州石膏矿区人民生命和财产造成损失, 邳州市政府已对石膏矿区进行采空地面塌陷专项防治规划工作。本文就采空地面塌陷易发性分区及地质灾害监测预警进行初步探讨。

1 区域地理地质概况

邳北石膏矿区位于江苏省邳州市北部, 总面积47.3 km2。石膏矿开采形成的采空区改变了原来地层的应力状态和地质结构, 可能导致地面塌陷和地表位移, 所以, 采空区对其上方各类工程是一个隐患。自2005年3月该区发生采空地面塌陷以来, 事故发生频率呈加快趋势, 共发生15处17次不同规模的塌陷事故, 累计破坏土地面积20.8 hm2, 距离村庄房屋最近塌陷点仅23 m, 未造成人员伤亡。

邳北石膏矿区区域地质构造以EW向为主[3], 主要构造形迹有: 北侧峄城断裂, 倾向南, 倾角70° 左右; 南侧韩庄断裂, 倾向北, 倾角70° 左右。这2条断裂是形成四户凹陷(盆地)的主要断裂构造, 构成了盆地的北、南边缘(图1)。

图1 区域地质构造图Fig.1 Regional geological and tectonic sketch

邳州石膏矿区区域上分布的主要地层有新元古界青白口系土门群、震旦系和中生界的白垩系青山组和王氏组、新生界古近系大汶口组及第四系。其中, 矿区内第四系分布广泛, 厚32~86 m, 总体由北西向南东逐渐变厚。

2 矿区水文地质、工程地质条件

矿区及周边地下水类型主要为松散岩类孔隙水, 赋存于全新统及上— 中更新统砂层和砾石层中, 属承压含水层。第四系孔隙含水层是矿区内唯一的含水层, 其岩性为砂层或砾石层, 富水性较好[4]。据部分矿段钻孔抽水试验结果认为: 含水层降深2.86~6.84 m, 涌水量556.80~749.95 m3/d, 渗透系数2.73~13.00 m/d。隔水层岩性为泥岩、石膏。基岩的浅部有裂隙水赋存, 含水量较小。根据石膏矿井多年投产情况, 正常开采情况下坑道内无水。

邳北石膏矿赋存于古近系大汶口组下段地层中, 根据石膏矿层分布特征, 可分为3个含膏岩带(层), 编号为Ⅰ 、Ⅱ 、Ⅲ 。Ⅰ 膏带分布在该层下部, 厚约3.16 m; Ⅱ 膏带分布在该层中上部, Ⅱ -1膏层厚1.73~2.39 m, Ⅱ -2膏层厚1.29~8.72 m; Ⅲ 膏带分布在该层上部, 是整个矿区开采矿层, 膏层厚1.15~34.05 m。

矿层的顶、底板主要为泥岩、含砾砂岩、含膏泥岩, 裂隙不发育, 不含水, 自然抗压强度3.26~13.00 MPa, 单向抗拉强度0.30~0.64 MPa, 属岩体基本质量差、软质岩类。石膏矿层厚0.5~2.0 m, 以层状为主, 倾角8° ~10° , 节理裂隙不发育, 厚度较大, 分布稳定, 自然抗压强度19.76~36.87 MPa, 单向抗拉强度1.76 MPa, 内摩擦角约39° , 属岩体基本质量一般、较软岩类, 工程地质性质良好。石膏、泥岩遇水不仅容易膨胀, 而且强度降低。主要工程地质岩石物理力学特征如表1所示。

表1 岩石物理力学特征 Tab.1 Physical mechanics characteristics of rocks
3 采空区地面塌陷特征及危害

邳北石膏矿区目前采空区面积为11.11 km2, 根据2009年开展的矿山监理工作, 大致分为2009年以前采空区、2009年以来采空区和巷道开拓区, 其中2009年以前采空区面积3.73 km2, 2009年以来采空区面积3.65 km2, 巷道开拓区3.73 km2。采空区形成历史复杂、开采过程规范程度差是引发地面塌陷的主要原因。

截至2017年5月, 邳北石膏矿区共发生15处采空地面塌陷。根据已经发生的地面塌陷规模、形态及地面变形强度, 将地面塌陷分为3类: 面状地面变形、点状地面塌陷及波状地面塌陷盆地。

矿区内面状地面变形主要位于采空区上方及其周边邻近地带。在采空区上覆岩层变形影响下, 地表发生了一定程度的不均匀变形, 导致地面建筑物及其他地面设施发生变形、开裂、倒塌, 把这类地面变形现象称为面状地面变形。根据灾害地质调查结果, 目前遭受面状地面变形危害的建筑物主要分布于董家、青墩村、赵家等15个自然村, 受损房屋结构主要为砖混结构, 高度1~2层, 主要损坏形式为房屋自然墙壁裂缝, 局部地段见地坪裂缝。墙壁裂缝类型有近竖直的贯通缝、斜裂缝, 局部可见倒八字缝、八字缝及水平裂缝, 缝宽1~150 mm, 以3~30 mm为主。

点状地面塌陷规模受单个矿房或巷道控制, 塌陷点深部尺度一般不大于矿房或巷道的宽度; 地面塌陷坑面积受第四系土层结构及含水层发育程度控制, 单一黏性土层及砂层弱发育土层区域的地面塌陷坑面积58~160 m2, 砂层厚度大的区域, 地面塌陷坑面积可达22 116 m2。点状地面塌陷均具有 “ 自稳” 现象, 即区内所有点状地面塌陷在发展到地表以后均因塌落洞被黏性土堵塞而停止发育, 处于暂时相对稳定状态。

波状地面塌陷盆地面积较大, 波峰部位对应于井下矿柱位置, 波谷部位对应于井下矿房及巷道位置, 盆地形态特征明显, 倾斜、水平变形很大, 但地面变形不充分, 局部地段伴生地裂缝, 对地面土地资源、建筑及其他设施的危害程度大。波状地面塌陷盆地主要分布于平台石膏矿主井工业广场区及其周围, 占地面积约305 000 m2, 塌陷区已与相邻山东省石膏矿塌陷区相连, 平面形态不规则, 盆地内地面呈波状起伏, 波峰与波谷间相对高差3~10 m, 局部地段积水, 边缘区未见地裂缝。波状地面塌陷盆地导致道路下沉、农田塌陷、井筒变形、地面围墙倒塌, 危害后果严重。

4 采空区地面塌陷易发性分区

根据地质环境背景条件、地质灾害类型、发育现状、时空分布规律及发展趋势, 考虑人类活动强度等外动力因素, 将邳北石膏矿区采空地面塌陷易发性划分为高易发、中等易发和低易发3类。

由于采空区地面塌陷是非常复杂的系统过程, 影响因子众多、各因子作用不同且各因子相互间存在一定的联系。模糊综合评判能容纳较多的影响因素, 较经验公式法、多元统计分析法等更具有优势[5]。因此, 本文采用模糊综合评判法对邳北石膏矿区内采空地面塌陷易发性分区进行评价。

4.1 模糊综合评判过程

4.1.1 地面塌陷易发性模糊判别模型

根据模糊判别原理和本区采空地面塌陷的形成条件, 选取n个主要影响因素。设对采空区每个区段n个因素对 “ 采空地面塌陷” 的隶属度分别为μ 1, μ 2, …, μ n, 各因素相应的权数为a1, a2, …, an, 则模糊判别模型为

W=∑i=1naiμi=(a1, a2, …, an)μ1μ2︙μn, (1)

式中: W为地面塌陷模糊判别指数。

对照规定的区间值, 确定出该区段所属的采空地面塌陷易发性级别。

4.1.2 评价因素

参考矿区内已发生塌陷点的地质环境条件、采空区分布条件, 以及部分塌陷点及隐患点井下实测数据, 将影响采空区稳定性因素归纳为土层因素(μ 1)、矿层因素(μ 2)和地下水因素(μ 3)3个一级指标, 每个一级指标包含若干个二级指标, 共计7个二级指标, 如表2所示。安全系数的量化指标取值1.5[6, 7, 8]。

表2 邳北石膏矿地面塌陷模糊评判因子划分 Tab.2 Fuzzy evaluation factors of ground collapse in gypsum mining area of North Pizhou
4.2 评价因素权重集的确定

考虑地面塌陷条件及影响因素, 结合专家经验, 采用层次分析法(Analytic Hierarchy Proces)中的和积法[5], 计算各判断矩阵的特征向量A=[a1μ 1a2μ 2, …, anμ n]T, 并通过一致性检验, 最终归一化处理各评价因子权重(表3)。

表3 评价因子权重分配 Tab.3 Weight of evaluation factors
4.3 评价单元的划分及易发性分区

4.3.1 评价单元的划分

根据实际资料数据, 按各因素分级标准, 分别作单因素分级等值线图(图2, 图3), 将矿区开采范围划分为100 m× 100 m的规则网格作为计算单元, 然后逐一测量各网格中各因素归属上述隶属函数的模糊判别指数值, 最后根据各因素的权重值, 采用模糊综合判别法对计算模型逐个单元进行评判, 求得各单元地面塌陷程度分级级别, 作为评判的结果。若某个矿区存在采空地面塌陷隐患点, 则该采空区整体提升一个评价级别(如按权重计算该区域为低易发区, 则提升为中等易发区)。

图2 底板埋深等值线及采空区分布图Fig.2 Buried depth contours of floor and distribution of goaf area

图3 第四系和含水层分布示意图Fig.3 Distribution of Quaternary and aquifer

4.3.2 地面塌陷易发性分区结果

由于权数已归一化处理, 隶属度取值范围为[0, 1], W取值范围也为[0, 1]。W值越大, 发生塌陷的可能性越大, 易发程度越高。根据上述分区原则和方法, 对已发塌陷点进行了反演计算, 其塌陷点W值为[0.766, 0.982], 塌陷点模糊判别指数W最小值为0.766, 本次选取现有塌陷点模糊判别指数W最小值折减14%(0.66)为高易发性与中等易发性的分界值, 取66%(0.51)为中等易发性区与低易发性的分界值, 据此确定各级别区模糊判别指数区间值为: 高易发区(A区)W为(0.66, 1]; 中等易发区(B区)W为(0.51, 0.66]; 低易发区(C区)W为[0, 0.51]。

在评价结果(图4)的基础上, 按各影响因素对边界网格进行修正, 确定矿区内各采空区地面塌陷的易发性等级, 最后根据采空区界线及采空区地面塌陷边界, 塌陷后向外传播距离, 根据岩石移动经验参数[8](本次选定岩层70° , 土层45° )圈定各类易发性分区界线。将区内地面塌陷危险性分区划分为高易发区(A区)、中等易发区(B区)和低易发区(C区)3类(图5)。

图4 邳北石膏矿采空地面塌陷易发性分区判别结果Fig.4 Results of susceptibility evaluation for ground collapse in gypsum mining area of North Pizhou

图5 邳北石膏矿采空地面塌陷易发性分区图Fig.5 Susceptibility zones of ground collapse in gypsum mining area of North Pizhou

由图2所示的采空区地面塌陷易发性分区图可知, 邳北石膏矿采空地面塌陷易发区总面积为2 210.2× 104 m2, 其中采空地面塌陷高易发区面积为946.6× 104 m2, 占全部易发区面积的42.83%; 采空地面塌陷中易发区面积为587.8× 104 m2, 占全部易发区面积的26.59%; 采空地面塌陷低易发区面积为675.8× 104 m2, 占全部易发区面积的30.58%。

5 治理措施与监测预警

邳北石膏矿区地面塌陷防治工程的主要目的和任务, 是建立地面塌陷监测预警网络体系及空间信息系统, 开展地面塌陷监测工作; 实施地面塌陷基础调查工作; 对受地面塌陷潜在威胁的村庄、学校进行搬迁避让; 对已稳定的塌陷坑(区)进行工程治理及开展土地复垦工作; 对已关闭矿井, 履行闭坑手续, 对矿井井筒实施填埋治理工程; 并加强日常监测示警工作; 对矿区地面塌陷易发区内水利设施、重要公路、高压输电线等重要设施进行巡查监测, 发现因地面塌陷造成的破损应及时进行修复; 实施矿区开采监理工作, 规范矿山开采活动, 督促矿山企业实施矿山地质环境保护与恢复治理工作。其中, 建立健全监测系统是对地面塌陷最有效的防止措施, 主要监测地面塌陷灾害形态要素、影响因素(包括地表水、地下水及人类活动情况)和地面工程设施与土地破坏情况; 监测方法以专业仪器监测为主, 辅以测绳、卷尺等简易监测, 配合人工巡查观察, 建立矿区地面塌陷监测网络。

5.1 宏观监测

宏观监测主要包括人工巡查与简易观测2种。人工巡查分地面和井下2部分: 地面巡查重点包括地面异常裂缝、异常下陷、建筑物裂缝及倾斜、地下异常响声、水井水位及颜色等异常现象或变化; 井下巡查重点包括渗水点、新揭露断层破碎带、涌水涌泥、底鼓、顶裂、片帮、冒落、异常响声等异常点或异常现象。简易观测工作采用卷尺、钢尺、测绳等简易测量工具对区内地面异常裂缝的长度与宽度, 地表河塘水位及井水水位进行测量记录; 采用裂缝报警器、丈量、贴纸、划线等粗略手段对建筑物裂缝的发展变化情况进行测量记录的, 获取地面变形的粗略数据, 预测地面塌陷的发展趋势。

5.2 专业监测

专业监测包括地表变形监测与地下水监测2种类型。

5.2.1 地表变形监测

根据邳北石膏矿区采空区现状及计划开采情况, 在矿区内建立系统的地面监测网, 埋设永久地面监测点, 定期对监测点测量, 以达到准确了解矿区地面的变形情况, 同时达到科学分析与预报预警的目的。测网布设应根据邳北矿区采空区现状进行设计, 且监测网应以达到基本控制灾害体形态、规模为原则, 单个井区观测线按照矿层走向布置1条, 沿矿层倾向布置1~3条, 测点间距为150 m, 另外建(构)筑物的监测点布设在建筑物四周的基础或围墙上, 均匀分布, 监测点间距50~80 m, 进行水平及竖直位移监测的监测点, 应埋设强制监测标志。根据矿区采空区分布情况, 构筑监测基准网3~6个, 每个监测区域由基准点和工作基点构成监测基准网, 初步估算布设18个基准点; 布设379个地表沉降监测点, 其中重点防治区143个, 次重点防治区236个; 布设74个基础墙面监测点, 均位于重点防治区内。每期监测的数据在经过过程检查和成果质量检查后, 按照监测时间和监测值, 进行归纳整理, 并计算出各点的变形值、累计变形值。根据上述数据绘制变形过程曲线、累计变形等值曲线等图表, 或根据变形资料, 编制监测年鉴。

5.2.2 地下水位监测

根据邳北石膏矿区采空区现状及计划开采情况, 在矿区内建立地下水系统监测网, 定期对水位进行测量, 达到地面塌陷预报预警的目的。对高易发区和中等易发区范围内采空区进行观测井布设, 根据现有水位观测及可能下降水位影响半径, 选择相关经验公式, 推测影响半径约400 m, 本次以采空区为界限, 施工钻孔孔深以进入基岩为终孔标志, 根据矿区采空区分布情况, 构筑水位观测井30个, 其中重点防治区9个, 次重点防治区21个。地下水水位突降幅度可反映塌陷发生的可能性大小, 采用水位监测系统软件平台进行数据收集, 设定在20 min内2次水位突降3 m及以上作为自动报警值, 以达到自动报警人员提前撤离的目的。水位监测系统收集的数据不仅有水位变化, 还可以监测水温, 这些数据也可以为地下水综合开发应用提供依据。

6 结论

(1)详细对比了2009年前后矿山监理工作开始前后采空区分布变化特征, 分析得出塌陷的主要控制因素为土层结构类型, 采空区的存在是发生塌陷的必要因素。

(2)邳北石膏矿区目前存在塌陷15处, 通过资料综合对比, 划分了高易发区、中等易发区、低易发区3类, 较好地预见了矿区内塌陷重点防治范围。

(3)监测预警工程是一个系统性项目工程, 应采用宏观监测与专业监测相结合的方式, 建立完善的信息互通平台, 确保行政部门、技术机构和实施单位等对监测数据信息及时整理分析和运用, 使整个监测工程灵活机动, 以便客观、科学地对石膏矿采空区实行监测。

(责任编辑: 常艳)

The authors have declared that no competing interests exist.

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