苏 昌，彭正华，张勤丽

（湖北省地质环境总站，湖北 武汉 430034）

0 引言

松宜矿区为湖北省煤炭主产区，矿区总面积130km2，煤炭资源已探明储量8000×104吨以上，累计已开采6000多万吨。区内煤炭开采历史悠久，早在200多年前就有乡民在此采煤，大规模机械化煤炭开采始于建国后［1］。矿区地质环境条件复杂，多数矿山经历了重复采动，开采程度高，采空区广泛分布，形成了众多地面塌陷。区内地下水位大幅下降，井泉干枯，堰塘、水库渗漏严重，导致居民生产生活用水困难。采空区内居民房屋变形日趋严重。针对上述问题，开展了矿区地面塌陷发育分布特征及形成条件调查研究。

1 地质环境条件

松宜矿区地处鄂西山地东部向江汉平原的过渡地带［2］，为低山丘陵区，地势总体西高东低，南北高中部河谷地带低；地形起伏较大，沟谷深切段多见高100～400m的陡崖。洛溪河为当地最低侵蚀基准面。

矿区位于扬子准地台区西南部长阳复向斜中的次级仁和坪向斜东端，轴线呈近东西向伸展，向斜轴部为三叠系，两翼为二叠系至奥陶系组成，向斜主体在五峰县境内仁和坪一带，南东端在刘家场以西一带圈闭，为紧密槽状向斜。北翼岩层产状180°～220°∠10°～20°，南翼岩层产状 330°～350°∠20°～40°。矿区内NE、NNE向纵张断裂发育。

除缺失白垩系外，区内第四系至志留系均有分布，其中石炭系、二叠系、三叠系碳酸盐岩地层广布，约占总面积的80％以上，志留系碎屑岩位于矿区南北两侧。

主采煤层为二叠系梁山组（P1l）Ⅱ煤层。该煤层呈似层状、扁豆体状产出，局部有尖灭现象或出现不可采地段，厚度变化较大，有变薄和分叉现象，厚度0～7.02m，平均厚1.67m。煤层属不稳定至极不稳定之过渡类型。

区内碳酸盐岩地层主要有三叠系下统大冶组、二叠系下统栖霞组、茅口组、上统长兴组、以及石炭系中统黄龙组灰岩。碳酸盐岩地层沉积厚度大、岩溶发育，并形成有四级岩溶台面，其分布高程分别为750～800m，600～650m，350～400m，150～250m。750～800m为峰顶岩溶台面残余；150～250m为现代河流侵蚀基准面。岩溶形态主要有溶沟（溶槽）、石脊、岩溶漏斗、岩溶洼地、落水洞、竖井、溶洞等。河谷沿岸多见有岩溶泉（图1）、溶洞等岩溶形态发育，如黑风洞、猴子洞、高家洞、三眼泉、龙洞泉等。矿区岩溶水文地质条件复杂。

煤层多位于最低侵蚀基准面以下，矿山具有顶、底板同时充水特征，为岩溶充水矿床。矿区东部的干沟河因鸽子潭煤矿、干沟河、猴子洞煤矿、坛子口煤矿等周边矿山长期疏排水而干涸，沿河矿井多次出现淹井事故，并最终关闭，区内主要矿井平均排水量多在1000m3/h以上。

2 地面塌陷形成条件分析

多年大规模开采，未能采取及时有效的防治措施，致使区内地面塌陷日趋严重，分布有300处地面塌陷（图2），主要分布在松木坪镇、刘家场镇，王家畈乡次之，均为小型。其中采空塌陷240处，岩溶塌陷60处。

图1 松宜矿区岩溶地质背景略图Fig.1 Simplified karst geological map of Songyi mine area

矿区内与采空直接相关的地面塌陷所伴生的22处地裂缝均发育在煤层顶板埋深厚度小于300m的二叠系茅口组灰岩地层内，并且地裂缝垂向可直达采空区；而在二叠系上统和三叠系地层区，煤层埋深普遍大于300m，且中间存在厚约10m的大冶组底部页岩和吴家坪组硅质岩局部相对隔水层的作用，未发育有直达采空区的地裂缝。因此，依据煤层顶板埋深和塌陷类型不同，而将地面塌陷分为浅埋型采空塌陷和深埋型岩溶塌陷（图2）。这两类塌陷的发育可溶岩层位、岩溶发育特征、塌陷发展过程、地表形态及其形成的动力作用等均有明显不同。

2.1 浅埋型采空塌陷

2.1.1 采空塌陷的发育分布规律

浅埋型采空塌陷：特指由于采煤形成采空区，造成上部厚度较小的煤层直接顶板（煤层顶板埋深小于300m）内的岩土层在自重作用下失稳而引起的地面塌陷现象。

区内共发育有采空塌陷240处。其中：宜都市松木坪镇133处，塌陷坑面积6642.98m2；王家畈乡23处，塌陷坑面积2124.80m2；松滋市刘家场镇84处，塌陷坑面积5240.41m2。

采空塌陷坑口多呈圆形、椭圆形和不规则形，直径多在1～10m，最大直径达80m，小者仅0.5m。塌陷规模最大面积1800m2，长60m，宽30m；最小仅有0.1m2。剖面以筒状、漏斗状居多，可见深一般2～10m，少数深不见底或为后期土石掩埋。地面塌陷坑单体规模不大，属小型地面塌陷。

从发育地层看，采空塌陷主要集中发育于二叠系下统栖霞组、茅口组地层区。该地层区煤层顶板厚度多小于300m，作为梁山组煤层的直接顶板，由于长期无序开采形成大面积采空区，导致岩体应力重新分布和应力集中，从而自下而上形成采空冒落带、导水裂隙带、地表位移带，并进一步发展形成采空塌陷。

从发育时间看，采空塌陷具有一定的滞后性，受控于采空区的形成、分布及性状特征。通常情况下多在煤层采空后1～3年内发生，如原猴子洞矿区的娇子岭一带的保安煤柱在采空后（2000～2003年间），随即于2004～2006年间即发育有数十个小型采空塌陷，形成娇子岭地面塌陷区。矿区自20世纪50年代大规模开采以来，就陆续发育有小规模零星采空塌陷。自20世纪70年代初期，区内煤业开采进入高峰期，大面积采空区逐步形成，矿区内地面塌陷进入第一个发育高峰期，在此期间区内即形成有跑马岭采空塌陷带、夏家湾采空塌陷带等［3］，各地面塌陷初现时间为1972～1979年间。进入2000年后，区内复采煤矿、泥炭矿、高岭土矿开始兴起，开采过程中不合理的滥采乱挖，大肆开采前期的保安煤柱，地面塌陷进入第二个发育高峰期，于2004～008年间先后形成了娇子岭地面塌陷区（原猴子洞煤矿区）、谭家洞地面塌陷区（原谭家洞煤矿）等数个塌陷区，其余各矿山采空区内发育有零星的采空塌陷。

图2 松宜矿区地面塌陷分布图Fig.2 The distribution map of ground collapse in Songyi mine area

2.1.2 采空塌陷形成条件及控制因素

煤层开采所引发的塌陷发展过程、规模、地表形态特征与地形条件、地质构造及顶板岩体结构类型、煤层赋存条件、岩溶发育特征等矿山地质环境条件及采矿工艺密切相关，具体分述如下：

（1）地形条件

区内采空塌陷多发育在地形相对较平缓地带，坡度多在15°～35°。而在陡坡、陡崖地带，则常形成危岩体、崩塌和山体开裂变形。

（2）地质构造及岩体结构特征

构造发育地带，节理裂隙发育，岩体完整性较差，特别是断裂构造部位，岩体完整性差，多呈块裂或碎裂结构，相同条件下，构造发育部位岩体自稳能力较弱，易形成地面塌陷。此外断裂构造发育部位，特别是导水断裂带附近，地下水径流速度和频度加快，地下水运移加剧了岩体失稳变形，如区内SK85、SK86、SK208等3处采空塌陷沿坛子口断裂呈串珠状分布，塌陷规模较其余地带稍大，坑口直径4～10m。

（3）煤层赋存条件

区内煤层倾角呈缓倾至中倾。具备工业开采价值的梁山组Ⅱ层煤厚薄不均，最厚处达7.02m，平均厚1.56m。同一矿区煤层厚度大、埋藏深度浅的采空区，在地表形成的塌陷规模和危害程度较大，变形扩展到地表所需时间也相对较短，如夏家湾、跑马岭、风坡垴等区域内煤层埋藏较浅的地方，采空塌陷发育的范围广，深度大，多以采空塌陷区的形式集中分布。煤层厚度较均匀且较小，在开采深度较大的采空区，采空顶板冒落变形发展到地表所需时间则较长，产生的地面塌陷的可能性较小，危害程度也相对较轻。

（4）岩溶发育与采空地面塌陷的关系

作为矿层直接顶板的二叠系下统栖霞组、茅口组，在多期次间歇性隆起过程中发育多级夷平面，各夷平面间的垂向岩溶形态较为发育，据钻孔揭露，栖霞组、茅口组遇溶洞率达80％。岩溶发育的空间分布及地下水的赋存运移为采空塌陷的发育提供了有利的地质条件。这些垂向岩溶裂隙、管道位于采空冒落带时，可成为碎裂岩体的储存空间，间接增大了冒落带的厚度或高度；岩溶裂隙位于导水裂隙带时，可使得细小岩溶裂隙快速贯通扩展，加速诱发采空塌陷的发生；另外，岩溶裂隙、管道为地下水的快速运移提供了便捷的通道，加速了地面塌陷的发生。

（5）煤柱的破坏

一方面，由于保安煤柱设计的承载力低于实际的承载力，或在长期承载过程中因风化、地震或其它因素使其承载力降低到设计标准以下时，矿柱遭到破坏而改变采空区围岩稳定平衡状态，导致采空区顶板冒落；另一方面，受利益驱动，后期复采矿山开采过程中，见煤就挖，大肆开采保安煤柱，顶板采用自然垮塌法进行管理，加速了地面塌陷的发生。娇子岭地面塌陷区，在下部保安煤柱开采后1年内即开始出现地面塌陷坑，后续出现地裂缝，宽 0.2～2m，长 200～500m，垂直向下直达采区巷道，致使采空区内6户居民住房严重变形。

综上所述，坡度多在15°～35°的缓坡地带，构造、岩溶发育部位，煤层厚度大、埋藏深度浅的采空区，是形成采空塌陷的内在条件；粗放式的顶板管理和后期无序复采是造成区内采空塌陷多发频发的主要诱发因素。

2.2 深埋型岩溶塌陷

2.2.1 岩溶塌陷的发育分布规律

深埋型岩溶塌陷系指在煤层埋深相对较大（煤层顶板埋深大于300m）、岩溶洞隙发育的碳酸盐岩地层区，主要受矿坑长期疏排水作用，在地面形成岩溶坑（洞）的一种岩溶水动力作用过程与现象，伴随有井、泉疏干和岩溶气爆等现象发生。

除个别岩溶洞穴顶板坍塌所形成的岩溶塌陷外，区内岩溶塌陷主要发育在煤层埋深相对较大的三叠系大冶组、二叠系长兴组碳酸盐岩地层区，其下部为采空区或疏排水影响区，因该区内煤层埋深均大于300m，在单一的采空冒落作用下，不至在地表产生大规模的采空塌陷；矿山长期疏排水形成降落漏斗，地下水位大幅下降，在长期疏排地下水作用下，于岩溶强烈发育区所形成的地面塌陷，主要为真空吸蚀成因。通常伴随有岩溶泉（表层岩溶泉）干枯断流、地面下沉、建筑物变形等现象。岩溶塌陷主要分布在松木坪镇杨树坪、上石板和刘家场镇柳林冲、石家湾一带，具有集中分布的特点。

岩溶塌陷比采空塌陷形成的时间要晚，一般在采空区形成后4～10a内发育，甚至数十年内发生，如杨树坪一带煤层在20世纪80年中期即被鸽子潭煤矿采空，但区内地面塌陷集中发育于2000年前后，此时，矿山维持在-100m水平开采，地下水位降幅大于200m，矿井最大涌水量达2100m3/h，在长期大量疏排水作用下在煤层深埋区形成岩溶塌陷（图3）。

2.2.2 岩溶塌陷的形成条件及控制因素

（1）岩溶发育特征

区内发育有多层岩溶台面，各台面间的垂向岩溶洞隙发育，成为主要的储水空间和地下水径流运移的主要通道。岩溶洞隙的空间展布、发育特征是与地面塌陷存在着密切的垂向对应关系。洞隙规模愈大，塌陷也愈大；洞隙开口愈大，塌陷速度愈快。区内煤层大多位于当地最低侵蚀基准面以下，深部岩溶形态发育加速地下水径流运移，加快岩溶塌陷的发生。

（2）煤层采空对岩溶地面塌陷的作用

通常情况下，因下部煤层采空后，在采空冒落作用下，采空冒落带、导水裂隙带很难贯入地表，加上中部存在二叠系吴家坪组硅质岩、碳质页岩为相对隔水层，产生大规模地面塌陷的强度和可能性较低，但在适宜的构造条件下，导水裂隙带可抵达吴家坪组地层，并与上部岩溶强烈发育的二叠系长兴组、三叠系大冶组地层的地下水构成统一的水力联系，加速地下水的径流运移。

（3）岩溶水动力作用

岩溶水的运动是产生岩溶塌陷的主要动力因素，主要体现在矿坑疏排水形成降落漏斗、强降水入渗补给等共同作用，可导致区内地下水位大幅升降变化和岩溶水动力条件发生明显变化。未采矿前，区内地下水从垂向上可分为三叠系（T）、二叠系上统（P2）、二叠系下统（P1）三个碳酸盐岩含水系统，在二叠系底部下部梁山组（P1l）煤层开采过程中，在构造、采空冒落及长期疏排水作用下，于岩体完整性差的薄弱地带，上述三个含水系统逐步贯通，构成统一的水力联系，导致上部三叠系、二叠系上统碳酸盐岩岩溶水向矿井径流，上部含水层中的岩溶泉（表层岩溶泉）流量逐步衰减，甚至干枯断流。长此以往，地下水径流加强，径流通道在长期溶蚀、机械潜蚀作用下，逐步扩张，径流通畅，流速加快，岩溶水也逐步向集中管道状或分散网络状径流发展。地下水位大幅降低，地下水的渗透潜蚀作用、岩溶地下水位变化引起岩溶洞隙空间内正负压力作用、地下水的侵蚀和搬运作用等多个方面逐步加强，并在上述几个方面综合作用下，最终于煤层深埋区形成以真空吸蚀为主要成因的岩溶塌陷，在杨树坪、柳林冲等三叠系地层分布区时常伴随有岩溶气爆等现象产生。

图3 松宜矿区地下水埋深及降落漏斗平面示意图Fig.3 Distribution of dewatering funnels and depth of groundwater table in Songyi mine area

表1 松宜矿区地面塌陷危险性和稳定性分类统计表Table 1 Risk and stability classification of ground collapses in Songyi mine area

3 地面塌陷稳定性及危险性评价

依据《县（市）地质灾害调查与区划基本要求》中关于地面塌陷稳定性分级标准，区内地面塌陷多数稳定性差（表1），其中稳定性差或较差的地面塌陷合计284处，占总数的94.66％。地面塌陷直接威胁4670人的生命财产安全，直接威胁财产达13866×104元。

综合地面塌陷成因、发育规律、时空分布特征，矿山开采情况和地质环境条件等相关因素，划出柳林冲、淹水淌、灯盏窝、石家湾、谭家洞、杨树坪、跑马岭、风坡垴、上石板、夏家湾、榨树湾、娇子岭等12个地面塌陷集中分布区（图2）。区内集中了矿区绝大多数地面塌陷，并伴生有地裂缝、泉点流量衰减及断流、房屋开裂变形等，矿山历史遗留问题多，矿地矛盾突出，严重区内经济发展和社会稳定；同时，这些地面塌陷区也是后期松宜矿山地质环境综合治理的主要区域。

4 结论与建议

（1）由于特殊的地质背景条件和高强度的采煤活动，松宜矿区的地面塌陷按成因可分为浅埋型采空塌陷和深埋型岩溶塌陷，并且分别受岩溶发育和采煤活动的影响。

（2）采空塌陷主要位于缓坡地带，构造、岩溶发育部位；煤层厚度大、埋藏深度浅的采空区是形成采空塌陷的内在条件；粗放式的顶板管理和后期无序复采是造成区内采空塌陷多发频发的主要诱发因素。

（3）岩溶塌陷主要位于三叠系、二叠系上统岩溶发育的碳酸盐岩地层区，受采矿疏排水作用，区内地下水位大幅降低，地下水的渗透潜蚀作用、岩溶地下水位变化引起岩溶洞隙空间内正负压力作用、地下水的侵蚀和搬运作用等多个方面逐步加强；与采空冒落长期共同作用下，最终于煤层深埋区形成以真空吸蚀为主要成因的岩溶塌陷。

（4）加强地面塌陷区建筑物、地面变形监测，逐步建立群专结合的地面沉陷区位移变形监测网。

（5）在采矿过程中控制地下水位下降速度，防止突然涌水，以减少塌陷的发生。

（6）对于受地面塌陷作用而导致房屋严重变形的居民进行搬迁，对轻微至中等变形房屋进行整修加固处理。

（7）对重大地面塌陷进行工程治理。截排地面塌陷区周围的地表水。采用浆砌块石对干沟河河道进行防护，防止河水进入地下，以减少地面塌陷的发生。对于相对较浅的塌陷坑采用清除填堵法，重要地段进行灌浆处理。本着在自然条件及土地类型允许的前提下，陷坑回填时首先恢复为农业用地。

［1］松宜矿务局.松宜煤炭志［R］.1995.SONG Yi coalmining administration.SongYi coal annals［R］.1995.

［2］苏昌，陈海洋.湖北省松宜矿区矿山地质环境安全调查评价报告［R］.湖北省水文地质工程地质大队，2009.SU Chang，CHEN Haiyan.Mining geology environment safety investigation appraise ment in Songyi mine area，Hubei Province［R］.Hydrological and Engineering Geological Institute of Hubei Province，2009.

［3］湖北省地矿局鄂西地质大队，湖北省地矿局第二地质大队.鄂西山区矿产开发环境地质评价预测报告［R］.1991.Exi geological unit of Bureau of Geological＆Development of Hubei Province，the second geological unit of Bureau of Geological＆Development of Hubei Province Report of Enviorn mental Geology Appraise and Estimation of Minerals Development in the West of Hubei［R］.1991.