Causes, risk assessment and prevention strategies of ground collapse in a large manganese mine in Xiangtan
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摘要:
为探究矿区地面塌陷灾害精准防治，以湘潭锰矿区为研究对象，收集了研究区地质环境、水文地质及工程地质资料，分析了地面塌陷地质灾害的发育特征、影响因素及成因机理。根据岩溶塌陷主控因素(地层岩性、构造、覆盖层厚度、结构和性质、水动力条件)及采空塌陷主控因素(矿层埋藏条件、采矿方法与开采程度、地下水、断层)，分别建立了易发性和危险性评价的因子矩阵，对岩溶塌陷及采空塌陷地质灾害进行了易发性和危险性评价，针对性提出了防治措施。结果表明: 研究区存在3个岩溶塌陷危险性大区，需对该区地下岩溶区进行地面填堵裂缝和塌陷洞、注浆充填地下岩溶区等处理方式; 研究区存在8个采空塌陷危险性大区，需减少区内抽、排水量，控制水位升降，必要时进行围幕灌浆或回填、充水。研究结果可为湘潭锰矿区地面塌陷的防治提供参考，也可为其他地区地面塌陷危险性评价提供借鉴。
Abstract:To investigate the precise prevention and control measures for ground collapse in mining areas, the authors in this study selected Xiangtan Manganese mining area as the study object. Geological environmental, hydrogeological, and engineering geological data for the study area were collected to analyze the developmental characteristics, influencing factors, and genetic mechanisms of ground collapse. The factor matrices for susceptibility and risk assessments were established, according to the main control factors of karst collapse (stratigraphic lithology, structure, overburden thickness, configuration and properties, hydrodynamic conditions) and the main control factors of goaf collapse (seam burial conditions, mining methods and mining degree, groundwater, faults). And susceptibility and risk assessments for karst collapse and goaf collapse were conducted, and targeted prevention and control measures were proposed. The results show that the study area contains 3 high risk areas of karst collapse, which can be treated by ground filling for cracks and collapse holes, grouting and filling of underground karst regions. Additionally, there are 8 high risk areas of goaf collapse that require reducing pumping and drainage volumes, managing water level fluctuations, and implementing curtain grouting or backfilling and water filling if necessary. The research results could provide references for the prevention and control of ground collapse in Xiangtan Manganese mining area, serving as a guide for risk assessment of ground collapse in other areas.
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Key words:
- karst collapse /
- goaf collapse /
- karst development characteristics /
- genetic mechanism /
- risk assessment
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表 1 研究区钻孔线岩溶率统计
Table 1. Statistics of linear karst rate for boreholes in the study area
标高/m 揭露灰岩长度/m 溶洞总高/m 线岩溶/% 钻孔见洞率/% [0, 32] 96.25 5.06 5.300 100.00 [-50, 0) 80.31 0.07 0.087 20.00 [-100, -50) 385.20 4.93 1.280 36.36 [-150, -100) 839.88 14.35 1.710 4.35 [-200, -150) 906.13 0.00 0.000 0.00 
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表 2 研究区岩溶塌陷易发性评价指标分级划分
Table 2. Classification of karst collapse susceptibility evaluation indexes in the study area
条件层 因子层 低易发区 中易发区 高易发区 岩溶基础条件 可溶岩地层 D2q/P2m/K2l P2m D2q 岩溶发育程度 弱发育 中等发育 强烈发育 覆盖层条件 覆盖层厚度/m (20, 30] (10, 20] [0, 10] 覆盖层性质 残积黏性土 冲洪积黏性土 粉质黏土 覆盖层结构 多元结构 二元结构 单一及均匀结构 构造条件 距断层距离/m (100, 150] (50, 100] [0, 50] 断层性质 张扭性 张扭性 张性 地下水条件 地下水波动 弱 中 强 地下水径流强度 弱承压水，水力坡度较小，地下水流速较慢 弱承压水向潜水转变，水力坡度中等，地下水流速中等 潜水、水力坡度大，地下水流速快 地形地貌条件 地貌单元 岗丘 阶地 洼地、谷地 地形变化 坡地 平坦地 低洼地、沟谷 人类工程活动条件 开采抽排地下水 弱 中 强 矿山抽水影响半径/m [300, 500] (100, 300) [0, 100] 塌陷坑条件 地面地质灾害点/个 [0, 2] (2, 5] (5, 10] 地面塌陷规模/m 直径[0, 1]、深度[0, 1] 直径(1, 3]、深度(1, 2] 直径(3, 10]、深度(2, 10]
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表 3 研究区岩溶塌陷危险性综合分区评判表
Table 3. Comprehensive zoning evaluation table of karst collapse risk in the study area
岩溶塌陷危险性稳定性评价 分布位置 危害对象和危害程度 岩溶塌陷危险性分区分级 岩溶塌陷危险性大地基不稳定 柴山村一带(Ⅰ1区) 危害对象为村民居住区; 危害程度为民房、地基开裂变形，部分损毁，地面变形及塌陷坑发育，危害程度大 大 方竹村、志诚片石矿区一带(Ⅰ2区) 危害对象为村民居住区、工业建筑分布区; 危害程度为民房、地基开裂变形，民房严重损毁，工业建筑开裂变形, 地面变形、开裂, 危害程度大 大 白泉塌陷区(Ⅰ3区) 危害对象为村民居住区; 危害程度为民房、地基开裂变形，民房受影响, 危害程度大 大 岩溶塌陷危险性中地基基本稳定 柴山村北部一带(Ⅱ区) 危害对象为少量居民楼房; 危害程度为民房及地基开裂，地面变形及塌陷坑发育，危害程度中等 中 岩溶塌陷危险性小地基稳定 沙林村至白泉村一带(Ⅲ区) 岩溶发育微弱或非岩溶区; 危害对象为少量民房，危害程度较小 小 注: 地面塌陷易发性评价遵循就高不就低的原则。
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表 4 采空塌陷易发区判别特征
Table 4. Discrimination characteristics of goaf collapse susceptibility zones
判别因素 判别特征 高易发区 中易发区 低易发区 不易发区 采空塌陷分布密度(个/100 km2) [20, 10) [3, 10] (0, 3) 0 矿层特征 矿层厚4 m以上，埋深约50 m，倾角0°~15° 矿层厚1~4 m以上，埋深约80 m，倾角15°~30° 矿层厚小于1 m，埋深80 m以上，倾角大于30° 矿层厚小于0.5 m，埋深大于100 m 不规范开采范围 不规范开采范围大，影响范围广 不规范开采范围较大，影响范围较大 不规范开采范围小，影响范围有限 尚未开采，对地面无影响 矿层顶板 矿层顶板岩石坚硬，抗剪强度大 矿层顶板岩石较坚硬，抗剪强度较大 矿层顶板岩软硬相间，抗剪强度较小 矿层顶板岩软弱，抗剪强度小 矿区地质构造 矿区地质构造复杂，断层节理裂隙发育 矿区地质构造较复杂，断层节理裂隙较发育 矿区地质构造较简单，断层节理裂隙不发育 矿区地质构造简单 矿区水文地质条件 水文地质条件不良，对矿区影响大 水文地质条件差，对矿区影响较大 水文地质条件较差，对矿区影响小 水文地质条件良好，对矿区无影响
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表 5 采空塌陷发育程度
Table 5. Development degree of goaf collapse
发育程度 参考指标 地表移动变形值 开采深厚比 采空区及其影响带占建设场地面积/% 下沉量/(mm·a-1) 倾斜/(mm·m-1) 水平变形/(mm·m-1) 地形曲率/(mm·m-2) 强 <60 >6 >4 >0.3 <80 >10 中等 [20,60] [3,6] [2,4] [0.2,0.3] [80,120] [3,10] 弱 <20 <3 <2 <0.2 >120 <3
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表 6 研究区采空塌陷危险性分区发育特征及其稳定性和危害程度
Table 6. Development characteristics, stability level and hazard dagree for goaf collapse risk zones in the study area
危险性等级 分区编号 采空塌陷发育特征 采空区地基稳定性 危害对象和危害程度 大 Ⅰ1 物探异常，地质综合解译为移动盆地形成过程中在岩土中形成裂缝、裂隙，采空塌陷发育强 基本稳定 危害居民生命财产安全，危害大 大 Ⅰ2 有较大规模的房屋开裂，采空塌陷发育强 基本稳定 危害居民生命财产安全，危害大 大 Ⅰ3 采空塌陷发育强 基本稳定 危害居民生命财产安全，危害大 大 Ⅰ4 分布大量非法矿硐，井巷上下重叠，水砂充填法开采区留有的保安矿柱被大量盗采，清水塘区域变形明显，采空塌陷发育强 清水塘处为欠稳定，其余地块为基本稳定 危害居民生命财产安全，危害大 大 Ⅰ5 房屋开裂明显，分布大量民井井巷，采空塌陷发育强 欠稳定 危害居民生命财产安全，危害大 大 Ⅰ6 分布大量非法矿硐，井巷上下重叠，采空塌陷发育中等 基本稳定 危害居民生命财产安全，危害大 大 Ⅰ7 大量采空区，采空塌陷发育中等 基本稳定 危害居民生命财产安全，危害大 大 Ⅰ8 采空塌陷发育中等 基本稳定 危害居民生命财产安全，危害大 中 Ⅱ1 未见明显地面变形，采空塌陷发育中等 基本稳定 危害居民生命财产安全，危害中等 中 Ⅱ2 采空塌陷发育强，多为荒地及林地 基本稳定 危害小，采空塌陷发育强，危险中等 中 Ⅱ3 房屋开裂，采空区分布浅，采空塌陷发育强 基本稳定 危害居民生命财产安全，危害中等 中 Ⅱ4 采空塌陷发育强 基本稳定 分布林地、荒地 中 Ⅱ5 物探异常，地质综合解译为移动盆地形成过程中在岩土中形成裂缝、裂隙 基本稳定 危害生命财产安全，危害中等 中 Ⅱ6 采空区较大，多为荒地及林地 基本稳定 分布林地、荒地 中 Ⅱ7 采空区较大，多为荒地及林地 基本稳定 分布林地、荒地 中 Ⅱ8 采空塌陷发育强，多为荒地及林地 基本稳定 分布林地、荒地 小 Ⅲ 采空塌陷不发育或弱发育，主要为鱼塘、水田、荒地、林地等 基本稳定 危害程度小
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