毛洪亮，李云，赵婷婷， 刘林敬

（1.美丽华夏生态环境科技有限公司，北京 100176；2.湖北省地质局武汉水文地质工程地质大队，湖北 武汉 430051；3.中国地质科学院水文地质环境地质研究所，河北 石家庄 050061）

0 引言

钟祥市位于湖北省中部汉江中游，大洪山南麓鄂北山区向汉江平原的过渡地带。钟祥市矿产资源丰富，是湖北省乃至全中国典型的磷矿资源型大市，全市累计探明磷矿资源基础储量9.88 亿t，总量占全国的5.6%，占全省的31.9%，是全国三大磷矿基地之一。经过50 多年的开采，钟祥市磷矿资源逐渐枯竭。近年来，随着开采深度延伸，疏排水量增加，矿区周边的矿山地质环境问题日益突出（陈红艳等，2012）。岩溶塌陷是斑竹矿区内主要矿山地质环境问题之一，其发展过程具有隐蔽性（雷明堂和蒋小珍，1998；文海涛等，2019），发生亦具有突发性，是众多矿山地质环境问题中较为复杂且治理难度较大的一种地质环境问题（蒙彦和郭明堂，2019；周济祚，1992）。

本文依托资源枯竭型城市矿山环境治理项目“钟祥市矿山地质环境治理工程（斑竹岩溶塌陷区）”，对斑竹矿区岩溶塌陷形成机理、防治对策等进行探讨，以期为钟祥地区岩溶塌陷治理工作提供参考。

1 交通位置

斑竹岩溶塌陷区位于湖北省钟祥市双河镇境内（图1），南距乐乡关6 km，东距汉江9 km，北距熊家湾磷矿6.5 km，207 国道、国防光缆、电信光缆纵贯塌陷区。周边主要生产矿山有钟祥市红土山磷矿、钟祥市熊家湾矿业有限责任公司和荆门市放马山中磷矿业有限公司三家。

1.1 地形地貌

塌陷区处于一条近南北向的宽缓沟谷中，谷底高程70～90 m，谷坡15°～20°。谷内平缓、开阔，谷宽300～800 m。该沟谷上起丁家咀、孙家咀水库，经石家湾、杜家湾、何家咀水库，下抵长龙河，全长约8 km。其汇水面积较大，补给、排泄较为畅通，造成区内水循环交替强烈，为该区岩溶形成提供了有利的地形条件与水动力条件。

图1 斑竹岩溶塌陷区交通位置图

1.2 气象水文

塌陷区属亚热大陆性气候，雨量充沛，光照充足，无霜期长，四季分明，具有春季温湿、夏季炎热、秋季干凉、冬季寒冷的特点。年平均气温为15.9℃，最高气温39.7℃，最低气温-15.3℃。多年平均降水量942 mm，降水量主要集中在每年的4—10 月份，4—10 月份的降水量占全年75%～91%，年平均相对湿度77%。

塌陷区地表水系较为发育，北北西向延伸的古桥坪—朱堡埠季节性河流（长龙河）为当地地表水外排通道，两侧宽缓浅切割支沟呈树枝状展布，主河道中分布有何家咀水库和古桥坪水库，沿岗谷分布有大小塘堰18 处。此外，漳河水库四干渠（北干渠）也沿西南地段跨越河谷而过。

1.3 地层岩性

塌陷区及周边分布的地层主要有第四系、新近系、古近系—白垩系和震旦系，其中新近系和震旦系的岩性主要为可溶的碳酸盐岩。

（1）第四系（Q）

塌陷区及其附近地表均分布为第四系上更新统冲洪积层（Q3al+pl）的岩性主要为黄色、褐红色含铁锰质结核粘土，厚0.3～12.4 m，其底部为分布灰白、灰黑色，河床相含泥砂卵（砾）石层，具分选性，磨圆度较好，一般为浑圆状，次棱角状，砾径3～6 cm，大者可达15 cm，砾石以石英岩、硅质岩为主，见少量灰岩。

（2）新近系（N）

新近系主要分布于塌陷区南部，出露地层为辍刀石组（Nzd），岩性以乳白色泥灰岩为主，泥灰岩不显层理，风化后呈蜂窝状或结核状，泥灰岩表面见溶蚀现象，溶蚀裂隙呈近东西向延伸。

（3）古近系-白垩系（E-K）

古近系—白垩系主要分布于塌陷区南部，地表偶有出露，岩性为紫红色砂岩，薄-中厚层理，倾角10°～25°。

（4）震旦系（Z）

震旦系上统灯影组（Zbdn）主要分布于塌陷区深部及其北部外围地带，地表偶有出露，岩性为灰白色硅质条带白云岩、白云岩，薄—中厚层状，夹灰岩透镜体，岩层产状320°∠58°，厚度大于200 m，该区该层岩溶发育。

1.4 地质构造

斑竹地区地质构造较为发育，主要分布有北北西向深大压扭性断裂和伴生的张扭性断构造。塌陷区位于北北西向构造体系中的胡集—石牌断裂带邻近区段。胡集—石牌断裂为一隐伏的区域性断裂，走向北北西，倾向南西西，倾角较陡，以张扭性为主，具有导水性。该断裂控制了该区的构造形迹及地层分布，其他次生断裂均与之方向一致。

F1 断层：为隐伏构造，沿北北西走向贯穿全区，推测其倾向南西西，倾角较陡，张扭性。断层切穿了古近系-震旦系上统灯影组岩层，使古近系-白垩系的紫红色砂岩与震旦纪上世灯影期的白云岩直接相接触，北东盘上升，南西盘下降，生成时代晚于下第三纪—白垩纪。该断层破碎带为构造角砾岩，角砾成分为白云岩、紫红色砂岩，胶结物主要为石英、方解石及少量泥质物。该断层控制了塌陷区以及地下暗河、岩溶地貌的发展，断层破碎带内见有溶洞，为导水性构造。

F2 断层：为隐伏构造，位于塌陷区以北外围，推测其走向北北西，倾向南西西，倾角较陡，张扭性。该断层切穿了第四系上更新统河床相含泥砂卵（砾）石层—震旦系上统灯影组的白云岩岩层，北东盘上升，南西盘下降，断层破碎带的岩性为构造角砾岩，角砾呈次棱角状-圆状，角砾成分为白云岩及含泥砂卵（砾）石，粒径一般0.5～10 cm。

F3 断层：为隐伏构造，位于塌陷区以北外围，断层位于震旦系上统灯影组中，推测其走向北北西，倾向南西西，倾角较陡，张扭性。断层破碎带的岩性为构造角砾岩，具有面状和网纹状硅化现象，角砾呈次棱角状-圆状，角砾成分为白云岩，粒径一般0.5～10 cm，断层破碎带为导水性构造

2 岩溶塌陷发育特征

2.1 岩溶塌陷发育现状

自1998 年4 月起，到目前为止整个塌陷区内先后出现了39 个塌陷坑，其中分布于新207 国道东侧9 个、西侧30 个。部分塌陷坑已连成一体，主要塌陷坑基本特征详见表1。

表1 主要塌陷坑基本特征

图2 斑竹岩溶塌陷分布图

斑竹岩溶塌陷区以新207 国道为中心，沿北西30度呈长条状断续分布，整个塌陷区长3.2 km，宽1.0 km，面积约3.2 km2。塌陷坑分布最为密集的地带为新207 国道沿线东侧20～200 m 的区域（图2）。

2.2 岩溶塌陷发育特征

根据塌陷坑的分布范围、平面形态与地表水体、地形条件等因素综合分析，矿区岩溶塌陷具以下特征：

（1）塌陷区受构造控制，沿构造走向延伸，并与冲沟走向一致。

（2）陷坑呈带状散布于长龙河的河谷内，发育于地表水体（水塘、沟渠）内及其周边相邻地段，85%的陷坑集中发育于古桥坪桥一带。

（3）塌陷发生的时间大部分在4—10 月降雨量较集中的雨季。

（4）陷坑的形态在发生的初期多呈铁锅底状，后期逐渐发展成为相互连接的葫芦形、梅花形等不规则形态。

3 岩溶塌陷形成机理分析

3.1 岩溶塌陷形成条件

斑竹地面塌陷为典型的岩溶塌陷，其塌陷的发生、发展受诸多方面因素的影响（高宗军等，2009），其中主要影响因素为地形地貌、土体的结构和厚度、塌陷的空间、地下水活动性、地质构造、人类工程活动等（李前银，2009；余业雄和欧阳振华，2005；王建秀等，2001；杜正民等，2007）。

（1）地形地貌

地形地貌促进了岩溶塌陷的形成。塌陷区位于沟谷之中，其北西外围为丘陵地带，二者高差约为440 m，地下水的水力坡度大、水流充足、水的活动性强。在三面环山的特殊地形下，地表水向一面汇流，使塌陷区的地表土体流失变薄，也使地表水渗入地下变得较为容易。

（2）土体的结构和厚度

结构松散的土体是岩溶塌陷形成的基础。塌陷区土体的层位为第四系上更新统冲洪积层，岩性上部为粘土、下部为含泥砂卵（砾）石，具二元结构。在地下水对土体的潜蚀作用，原本存在于溶隙、溶孔、溶洞中的细颗粒物质及其上覆土体物质逐渐被地下水大量携带外排形成地下空洞，溶隙、溶孔、溶洞的不断被潜蚀淘空、加宽、加深扩大，破坏了上覆土体的应力平衡状态，最终造成上覆土体失稳形成岩溶塌陷。

（3）塌陷的空间

岩溶的强烈发育增强了岩溶塌陷的形成。通过对塌陷区布置的总长6.3 km，纵横向的9 条物探勘查线，采用高密度电法、瞬变电磁法和11 个钻孔的验证得知：塌陷区存在有大量的岩溶洞穴和7 条岩溶管道，分布于地面以下2～52 m。在5～20 m 的溶洞异常发育，洞高多在7～9 m，长度多超过1.5 km，为岩溶塌陷提供了塌陷的空间及地下水活动场所。

（4）地下水活动性

地下水的强烈活动加快了岩溶塌陷的形成。塌陷区位于沟谷之中，地表水快速补给地下水，增大了地下水的流量，并迅速在地下形成径流和排泄，促进了地下水的活动性，为本区岩溶塌陷的发展提供了必备的水动力条件。

（5）地质构造

地质构造增进了岩溶塌陷的形成。塌陷区内构造发育，形迹复杂。其中，F1 断层规模大，生成时代新，具有导水性，控制了塌陷区内的岩溶地貌、岩溶管道及塌陷坑的分布。在F1 断层破碎带内见有溶洞。构造使该区的岩层产状变化较大，层间挤压错动强烈，岩石破碎，节理裂隙发育，使地下水富集及迳排通畅，促进了岩溶的发育，也为岩溶塌陷提供了地下水活动的途径。

3.2 岩溶塌陷形成原因

斑竹地面塌陷属典型的岩溶塌陷，其上覆土体厚度较薄，下伏基岩岩溶发育，存在有大量的岩溶管道，地下水的活动性强，周边的人类工程活动频繁，过量抽排地下水增强了地下水的活动性，促使了岩溶塌陷的形成。造成斑竹地区产生岩溶塌陷的原因可分为自然因素和人为因素两个方面。

（1）自然因素

塌陷区处于沟谷地形，利于地表水汇流入渗、补给地下水，使塌陷区雨季地下水位处于骤升骤降的动荡环境，水位振幅约30 m，为塌陷的发育提供了水动力条件；塌陷区上覆土体具有粘土、含泥砂卵（砾）石双元结构，土体厚度较薄，一般为3～4 m，仅为该地区土体平均厚度的1/3，其承受自重压力的能力差，易失稳产生塌陷，含泥砂卵（砾）石中的粗细颗粒粒径相差悬殊，其细颗粒在地下水的作用下易流失形成空洞，利于土洞的形成；塌陷区下伏震旦系上统灯影组岩石的可溶性强，岩溶及构造非常发育，存在有大量的岩溶洞穴、管道，为塌陷的发生和发展提供了空间。

（2）人为因素

矿区抽排地下水，造成了区域性地下水位的下降和地下水流向的改变，使区内地下水活动性增强、水循环变快、水力梯度加大，增大了塌陷区地下水位的升降幅度及地下水的潜蚀作用。

矿山开采对岩溶塌陷的影响主要表为：

①地下水位的持续下降

1996 年胡集镇工农业生产及生活饮用开采地下水的总量为63.065×104m3/a，不及地下水允许开采量352.32 ×104m3/a 的18%，未造成区域性地下水位的下降和岩溶塌陷。1997 年，矿山开采进入了大规模采矿时代，上述3 家矿山企业在矿业活动中，仅熊家湾矿业有限责任公司一家的排水量就达1599.21×104m3/a，为胡集镇地下水允许开采量的4.54 倍，造成地下水位不断下降，形成了以矿区为中心的地下水降落漏斗，1998 年出现了斑竹岩溶塌陷，其后塌陷变形逐年发展。2006 年熊家湾矿业有限责任公司抽排地下水的最低深度达高程-163.80 m，根据经验公式R=2S（S取230m，H取200m，K取2m/d）可求得其影响半径达9.2 km，可见矿山开采活动是造成区域性地下水位下降的主要原因。斑竹岩溶塌陷区位于胡集磷矿区西南6.5～8.5 km地带，塌陷区2007 年的枯水期地下水位较1996 年枯水期地下水位普遍下降10 m 以上。

②地下水的活动性加剧

矿山开采活动的过量抽排地下水，导致了区域性地下水位的逐年下降，增大了水力坡度，加大了地下水的动荡空间，加剧了地下水的活动性，增大了地下水的潜蚀作用，为塌陷的发育提供了动力条件。使岩溶溶隙、溶孔、溶洞被不断潜蚀掏空、加宽、扩大，上覆土体内的土洞也随之扩大，最终超过穹顶极限，破坏土体内原有的应力平衡后发生塌陷。

3.3 岩溶塌陷形成机理

在自然和人为因素的综合作用下，斑竹塌陷区原本存在于溶隙、溶孔、溶洞中的细颗粒物质及其上覆土体物质逐渐被地下水大量携带外排形成地下空洞，溶隙、溶孔、溶洞的不断被潜蚀淘空、加宽、加深扩大，破坏了上覆土体的应力平衡状态，最终造成上覆土体失稳形成岩溶塌陷。在古桥坪桥一带沟谷宽缓的汇水地带，地表水的入渗活动强烈，地下水的水位变幅较大，水活动能力较强，水搬运能力得到提升，其岩溶塌陷的发生、发展速度较快，陷坑密集。地表水还通过陷坑直接进入地下，并使密集的小陷坑逐渐扩展连为一体，最终形成了大陷坑。此外，由于矿坑抽排水造成地下水位下降形成的负压作用，加剧了岩溶塌陷的形成。

4 岩溶塌陷防治对策

通过斑竹地区的岩溶塌陷形成机理分析可知：地下水动力条件的改变是岩溶塌陷形成的诱发因素，如果简单地将已形成的塌陷坑进行填平，不仅达不到根本治理的目的，还有可能给后续的生产生活埋下安全隐患。加强地表水疏排工作是该地区岩溶塌陷防止工作的基础。根据斑竹塌陷区的水文地质条件、工程地质条件以及该区域人类工程活动特点，结合对斑竹塌陷区形成机理的分析并综合考虑系统平衡（陈奇和武强，2008），建议采取防治结合、防治并重的措施进行处理，具体防治工程措施如下。

（1）地表水疏排围改工程

由于塌陷区位于宽缓沟谷中，地表汇水面积较大，建议在斑竹塌陷区的外围适当布设截水沟，通过实施地表水疏排围改工程将地表水引入附近河道当中，有效减少地表水快速补给地下水，降低地下水的流量和活动性，从根本上减少地表水入渗对岩溶塌陷的影响。

（2）地下帷幕注浆截水工程

由于塌陷区周边矿业活动仍将继续，矿坑抽排水活动仍将继续长期维持下去，在后期进行详细的地质勘查工作后再地下岩溶集中空区外围密实区实施帷幕注浆截水工程，有效降低甚至消除矿坑抽排水对岩溶塌陷的影响。

建议针对古桥平桥、207 国道及沿线国防光缆、电信光缆及居民房屋区域的塌陷坑，在进行详细勘察的基础上，选择合理的注浆材料、注浆深度和注浆压力，进行注浆加固处理。

（3）钻孔充气防塌工程

针对查明塌陷区内相对封闭的溶洞，建议对封闭溶洞进行钻孔通气填充，能有效防止真空吸蚀和高压充爆，在一定程度上减少岩溶塌陷的发生（陈国亮，1994）。

（4）反滤级配材料回填工程

对于斑竹塌陷区207 国道西侧耕地范围内的小塌陷坑，鉴于其塌陷规模小且为恢复原有耕地性质，建议首先清除塌陷坑中散落的松土及杂物，然后填入较大的块石和较小的碎石做成反滤层，最后上部覆盖黏土并分层碾压夯实可达到很好的治理目的。

（5）跨越工程

通过前期资料搜集与区域地质调查工作，已查明长龙河河道流经区域下覆地层为灰岩和泥质粉砂岩交错地带。对于长龙河河道内的塌陷坑引发河道断流问题，由于塌陷规模较大且局部连续，为保障下游沟道内农田灌溉饮水问题，建议在针对原河床面较窄、地面塌陷较轻河段采用现浇混凝土将河道底板硬化的措施进行治理，对于地面塌陷严重河段通过将河道改道至下伏泥质粉砂岩区结合河道底板硬化的措施进行治理。为解决河底冲刷、侵蚀问题及节约成本，可对整段河道实施分段底板现浇不同的混凝土厚度。

5 结论

本文以钟祥市斑竹岩溶塌陷为例，从塌陷区的地质环境背景条件入手，详细分析了斑竹地区岩溶塌陷发育特征和形成机理，结合岩溶塌陷发育现状，得出如下主要结论。

（1）斑竹岩溶塌陷区主要分布在长龙河的河谷内，且其中85%的塌陷坑集中发育于古桥平桥一带。

（2）造成斑竹地区产生岩溶塌陷的形成原因主要受自然因素和人为因素两个方面共同影响，其中人为因素中的矿业活动为主要致灾因素。

（3）斑竹地面塌陷为典型的岩溶塌陷，其塌陷的发生、发展受地形地貌、土体的结构和厚度、塌陷的空间、地下水活动性、地质构造、人类工程活动等综合条件影响。

（4）地下水动力条件的改变是斑竹地区岩溶塌陷形成的诱发因素，简单针对已形成的塌陷坑进行填平，不能达不到根本治理的目的。通过岩溶塌陷区地表水疏排围改工程、地下帷幕注浆截水工程、钻孔充气防塌工程、反滤级配材料回填工程和局部跨越工程的综合实施必将起到很好的治理效果。