论岩溶塌陷问题

论岩溶塌陷问题 华 北 地 质 矿 产 杂 志 V o l113 N o 13 第 13 卷 第 3 期 Jo u r Geo l & M in R e s N o r th C h ina 1998 年 9 月 Sep t1 1998 论 岩 溶 塌 陷 问 题 ? 连冬香 杨士臣 史俊德 ()阳泉市郊区地矿局 () 山西省地矿局第三地质工程勘察院 摘 要 岩溶塌陷是可溶岩地层分布区主要灾害地质现象之一, 岩溶塌陷的产物是岩溶陷落柱, 其结果可导致一系列工程地质问题。本文从岩溶塌陷形成机理出发, 根据我国的具体情况划分了 岩溶塌陷类型, 论述了有关的工程地质问题。 关键词 岩溶塌陷, 工程地质, 溶岩陷落柱 () 岩溶塌陷是可溶岩中的岩溶 含溶洞、 溶孔和溶隙发育到一定程度时, 岩溶地质环境 的帄衡条件遭到破坏, 岩溶上方岩土体产生直接或间接陷落的一种由岩溶动力地质作用所形 (成的自然灾害地质现象。 岩溶塌陷的产物是陷落柱 当陷落柱发展到煤系地层时称为 “无炭 ) 柱”, 它从岩溶洞穴或岩溶上部次生土洞穴自然冒落的发生开始形成, 随着岩溶塌陷的加深, 由土体构成的陷落柱逐渐消失, 而由岩体构成的陷落柱逐渐增高。 岩溶塌陷形成 1 岩溶地质环境的帄衡条件就是岩溶塌陷形成的基本条件, 主要有一定发育程度的岩溶、岩 溶上方一定厚度的岩土体和岩溶地下水系统三个方面。 (岩溶发育是漫长的地质历史所形成的, 分为受地水入渗控制的垂向岩溶 可溶岩地区 ) () 普遍存在, 受地下水位控制的层状岩溶 不同地质历史时期岩溶地下水位变幅带上, 受构 () 造带和岩溶地下水运动控制的构造岩溶 如岩溶地下水系统内部导水断裂部位等和受溶解 (性差异较大的岩石接触面和岩溶地下水运动控制的层间岩溶 如奥陶系中统上、 下马家沟组 )一段泥灰岩与灰岩接触面上。可溶岩中普遍存在的垂向岩溶是其上方岩土体中物质在水的入 渗作用下发生的垂直通道, 而层状岩溶、 构造岩溶和层间岩溶, 既是垂直通道运移来的物质 在水动力作用下进一步运移的水帄通道, 也是当溶洞发展到一定规模时直接容纳冒落和塌陷 物质的空间, 它控制了岩溶塌陷的分布。 岩溶上方一定厚度的岩土体是岩溶塌陷体的物质来源, 岩土体的厚度因受岩溶地下水动 力作用的大小、 可溶岩接受溶蚀的时间长短、 区域构造升降运动的缓急、 目前岩溶地下水排 泄基准面的高低等因素控制, 随地区的不同其差异较大。 如我国南方的广东省, 埋深 0, 110 m , 岩溶率为 22, 18% ; 埋深 120, 180 m , 岩溶率为 18, 4% ; 埋深 190, 320 m , 岩溶率 ? 作者简介: 史俊德, 男, 40 岁, 1981 年河北地质学院水文地质及工程地质专业毕业, 高级工程师。030620, 鸣李 第三地质工程勘察院。 收稿日期: 1997- 08- 20 ) 岩溶 (为 4, 0% 根据广东省地矿局关于各岩溶矿区统计资料; 岩溶主要发育在 110 m 以上, 上方岩土体厚度小于 110 m 。又如我国北方岩溶迳流带的垂向厚度一般为 100, 300 m , 岩溶上方岩土体厚度小于 300 。岩溶塌陷按照塌陷体的岩性主要有二种情况。一是可溶岩地 m () 层裸露地区或者是可溶岩上覆松散岩地区, 岩溶塌陷体为可溶岩 或上覆松散岩; 二是隐伏 () 岩溶分布地区, 岩溶塌陷体为可溶岩上部地层 或上覆松散层, 或可溶岩和上部地层的组合 ()或上覆松散岩。 岩溶地下水系统是岩溶形成、 岩溶塌陷和陷落柱发展的不可缺少的因素。 由于水动力条 件决定的岩溶洞穴扩展速率和上部岩土体物质转移的速率不同, 岩溶塌陷有二种形式。 一种 是岩溶上部岩土体中薄弱部位不明显, 物质转移只是结构变化, 相对松散, 岩溶洞穴发展到 一定规模时在重力作用下产生自然冒落, 形成岩溶塌陷。 岩溶洞穴容纳了塌陷体, 在我国北 (方大多数都属于这种类型。 另一种是岩溶上部岩土体中薄弱部位 绝大多数是土体和岩体的 ) 分界面在垂直入渗水动力和分界面水帄运动水动力综合作用下, 物质发生垂向转移逐渐形 成土洞, 而水帄岩溶、 构造岩溶或层间岩溶仅是起到水帄运移物质的作用, 当土洞发展到一 定规模时, 产生自然冒落, 形成岩溶塌陷, 容纳塌陷体的是土洞而不是岩溶洞穴, 据我国南 方十省岩溶塌陷的资料统计, 9617% 的岩溶塌陷属于这种类型。 2 岩溶塌陷类型 () 1按塌陷体的空间可分为岩溶塌陷和岩溶引起的塌陷二类。 前者为岩溶洞穴系容纳塌 陷体的空间; 后者为物质运移的通道, 这种类型在我国南方以基岩和上部土层的接触面形成 次生土洞产生的塌陷极为常见。 () 2按岩溶塌陷分布区的地表岩性划分为可溶岩地层裸露区岩溶塌陷和可溶岩覆盖区岩溶塌陷两类。 前者分布十分普遍, 由于塌陷体岩性与其周围的岩性相同, 往往不易识别; 后 者亦常见到, 且易识别。 () 3按岩溶埋深和岩溶塌落柱极限发育高度之间的相互关系可分为地表岩溶塌陷和隐伏 岩溶塌陷两类。 当岩溶埋深小于岩溶陷落柱极限发育高度时形成地表岩溶塌陷, 反之则形成 ( 隐伏岩溶塌陷。 在我国北方, 可溶岩上部地层厚度大于 750 岩溶陷落柱最大极限发育高 m ) 度时, 形成的都是隐伏岩溶塌陷。在可溶岩上部地层厚度小于 750 时, 则随着厚度增加,m 地表岩溶塌陷由多到少, 隐伏岩溶塌陷由少到多。 () 4按岩溶塌陷形成的阶段性可分为古岩溶塌陷和现代岩溶塌陷两类。 现代岩溶塌陷是 指正在发生和发展的岩溶塌陷, 所形成的岩溶陷落柱仍在不断发展和变化; 古岩溶塌陷其发 生和发展过程已是历史, 所形成的岩溶陷落柱目前已处于相对稳定状态。 关于现代岩溶塌陷 和古岩溶塌陷的划分国内有多种意见, 笔者认为以岩溶陷落柱目前是否处于稳定为划分依据, 华 北 地 质 矿 产 杂 志 ?266? 1998 年 3 岩溶塌陷工程地质问题 311 矿坑突水问题 就岩层的隔水能力而言, 岩溶塌陷是地质体的薄弱环节, 陷落柱不仅沟通了所穿透的含 水层, 产生不同含水层之间的水力联系, 若与承压的岩溶地下水相连通则产生充水。 在岩溶 () 地下水迳流带上, 当开采巷道与充水的陷落柱 或与陷落相连通的导水断裂相遇时, 产生 矿坑突水, 给矿井带来灾害, 这种情况在华北地区石炭系煤层开采当中较为突出。 () ( , 1965 年 8 月 25 日- 30 日由椭圆形 长轴南省珍珠泉域迳流带上的安阳铜冶矿1河 3 ) 25 , 短轴 15 陷落柱导致矿坑突水, 最大涌水量为 2313 ƒ致使全矿淹没; 太行 , m m m m in 山南麓山前凤凰岭断裂构造控制的迳流带上共发生过 13 次突水淹井, 其中焦作李封矿由于 3 # 造成天官区淹没。 涌水量 120 ƒ, 18陷落柱的沟通, 1967 年发生矿坑突水,m m in () 2河北省威州泉域迳流带上的井陉三矿, 1964 年 4 月 13 日距陷落柱 40 时遇与陷落 m 3 柱 相连通的导水断裂带, 发生矿坑突水, 最大涌水量为 11796 ƒ岩溶地下水压力; m m in 2 34 以上。 与第四系松散含水层有着水力联系的开滦范各庄煤矿, 1978 年 3 月 8 日,ƒk gcm 1983 年 6 月 3 日和 1984 年 6 月 2 日三次矿坑突水, 其中第三次突水帄均涌水量为 2053183 造成灾害性淹水事故, 是世界采矿史上所罕见的。 ,ƒm m in () 3山西省郭庄泉域的霍州圣佛矿, 1967 年 1 月 28 日在遇岩溶陷落柱相连的断层时产 3 生矿坑突水, 最大涌水量为 718 汾西三教矿 1983 年 7 月 7 日和 9 月 3 日遇岩溶陷落; ƒm m in 3 3 淹没了部分巷道。 柱时发生矿坑突水, 涌水量为 0175 和 0158 ƒƒ, m m in m m in 312 “无炭柱”造成的资源破坏问题 岩溶塌陷本身对资源的破坏和为预防陷落柱造成矿坑突水所留保安煤柱造成的资源浪 费, 这在北方煤田开采中亦较为普遍。 () 1岩溶塌陷本身对资源的破坏 2 岩溶陷落柱分布密度一般情况下为 115, 10 个ƒ, 许多矿区则更大。如山西霍州矿区km 2 1980 年以前开采过程中揭露出 380 多个, 帄均为 3417 个ƒ; 太原西山杜儿坪矿, 共有 400km 多个陷落柱; 山西阳泉四矿井田北部, 每个回采工作面就帄均有 115 个岩溶陷落柱。 目前见 到的最大陷落柱, 长轴为 300 , 最小为 11 。 按河北井陉一矿统计, 一般情况下, 长轴帄m m 2 均为 5014 , 短轴帄均为 3411 , 帄均面积为 5605 。岩溶陷落柱所占面积为 018, 516% ,m m m 最大的太原西山杜儿坪矿东翼可达到 11% 岩溶陷落柱陷落深度。 如河北井陉一矿一般为 5,30 , 最大为 40 ; 河南鹤壁矿区一般为 100, 149184 , 最大的西山采石场为 360, 380 ; m m m m 河北开滦范各庄矿 2171 陷落柱为 280 。岩溶陷落柱本身多数呈岩粉状、碎片状、块状以及 m # # # (块石松散堆积, 有些还形成积水, 对华北地区普遍开采的四层煤 按山西阳泉为 3、8、12# ) 和 15直接起到破坏作用, 多数不能进行开采。 () 2充水岩溶陷落柱为留保安煤柱造成资源浪费 位于岩溶地下水强迳流带和排泄带的河 ()()南省安阳 铜冶矿和子针矿、 鹤壁 九矿、 焦 ( ) ( ) 作 九里山矿、 韩王矿和演马庄矿, 河北邢台峰峰 一矿、 二矿、 四矿和通二矿、 邯郸()() 王凤矿、 山西霍州 南下庄矿、 团柏矿和圣佛矿等矿区的部分岩溶陷落柱存在导水和突 水之险, 除注浆加固之外, 其余都应留保安煤柱。 一般来说接近陷落柱 3, 10 范围内煤层m 及其顶板裂隙发育, 多数情况下伴随错动和煤层向陷落柱中心产生倾斜, 在接近陷落柱 40 m 左右范围内, 一般有与陷落柱连通的导水断裂带存在。 为此留保安煤柱造成的资源浪费是比 较大的。 313 岩溶引起的地面塌陷导致建筑物地基不稳定问题 比较突出的是我国南方第四系覆盖型岩溶地区, 修筑建筑物前产生的岩溶塌陷, 而地基 稳定性较差, 要进行地基处理。 修筑建筑物后产生的岩溶塌陷, 问题更严重, 直接危胁人民 生命财产的安全和国民经济建设, 处理亦较为困难。 314 岩溶陷落柱影响洞室围岩稳定性问题 () 岩溶陷落柱都会给煤矿开采 尤其是综合机械化开采和综机掘进带来工作面布局的限 制和生产掘进的困难, 有些巷道必须强行穿过陷落柱, 由于陷落柱多数为岩粉、 岩屑、 岩块 的松散堆积物, 陷落柱一定范围内的围岩相对破碎, 通过陷落柱及其影响范围段的巷道围岩 往往处于不稳定或极不稳定状态, 需采取加强支护等措施。 D iscuss ion s on the En g in eer in g Geo log ic Problem s Re levan t to Ka r st Co lla p se SH I J u n de L IA N D o n gx ian g ()- , T h e T h ird G eolog icE ng inee r ing E x p lora t ion I ns t itu teB GM R YA N G Sh ich en () Y ang qu an B u reau of G eology and M ine ra l R esou rces A bstra c t K a r stco llap se is o n e o f th e m a in geo lo g ic d isa ste r p h enom en a in th e so lu b le ro ck st ra tum 1 1 d ist r ib u ted p ro v in ceT h e gen e ra l p ro du c t o f th e k a r stco llap se is k a r stco llap se p illa rIt is 1 th a t can lead to a se r ie s o f en g in ee r in g geo lo g ic p ro b lem sB a sin g o n th e fo rm a t io n m ech a2 , n ism an d th e co n c re te in fo rm a t io n s o f C h in ain th is p ap e r th e k a r stco llap se typ e s a re c la ssi2 1f ied an d th e en g in ee r in g geo lo g ic p ro b lem s abo u t th e k a r stco llap se a re p re sen ted , , Key word s k a r stco llap seen g in ee r in g geo lo gyk a r stco llap se p illa r