地面塌陷特征

1、第三章 地面塌陷特征大冶铁矿矿床是全国著名的大型矽卡岩型铁（铜）矿床，是武钢的铁矿石主要生产基地。2004年底前累计探明铁矿石资源/储量16647.38万吨。矿山1958年7月开始大规模机械化开采，至今已有50年的历史，露天开采已基本结束，资源量绝大部分消耗殆尽。为了企业的生存和持续发展，大冶铁矿积极申报和组织实施了2004至2006年度国家危机矿山接替资源勘查试点项目，取得了较好的深部找矿效果。目前，矿体的开采已由地上露天开采转入地下开采。由于地下采矿方法为无底柱分段崩落法，外加其他因素的协同，在地表形成了大小不一的四个主要塌陷区。地面塌陷是指地表岩土体在自然或人为因素作用下，向下陷落，并在

2、地面塌陷坑（洞）的一种地质现象。大冶铁矿目前除局部挂帮矿回采外，主要为地下开采，形成了大面积采空区。据黄石市地质灾害调查资料，采空区将近4km2，采空区高度10-25m，最大达40m，导致采空区顶板塌落，引起不均匀沉降与大面积的塌陷。东露天采场狮子山上世纪70年至80年代发生地面变形，目前已形成长300m，宽50-120m，深20-35m的塌陷坑，导致地表排水沟道、通风斜井井口以及部分厂房等建筑物受损破坏。尖林山、龙洞、铁门坎等采区也发生多处规模不一的地面塌陷，对铁山区三岔路村2000余人生命财产造成严重威胁，同时也危及矿业开发的正常进行，地面塌陷已成为一种严重困扰矿山开采的地质环境问题。下面

3、分别对这几个塌陷区进行研究。3.1 地面塌陷的几何学特征3.1.1铁门坎塌陷区铁门坎塌陷区由西向东一共有三个陷坑，分别命名为1号、2号、3号坑（附图2）。该矿区地貌上总体是北高南低，北部出露的岩石主要是闪长岩，南部地表几乎都被第四纪坡积物以及人工堆积物覆盖，根据中国冶金地质总局中南地质勘察院的勘察资料显示，南部下伏地层主要是三叠系下统大冶群地层，局部地方有矽卡岩侵入体。2009年野外调查时，铁门坎塌陷区只有1号坑和3号坑已经在地表有明显痕迹（图3-1）。图3-1 2009年铁门坎塌陷航片3.1.1.1 1号坑1号坑平面形态整体上呈南北窄，东西宽的长方形（图3-2），其长约75m，宽约52m。由

4、于塌陷坑后期被人工填埋，坑内裂缝及坡面特征不明显。从2009年调查开始，到2011年7月，该坑的范围未见明显扩大。在1号坑的西侧简易水泥路的地面可见长短不一的裂缝（图3-3），裂缝的长度约2m，缝宽约2-3cm，裂缝的延伸方向基本与相邻的塌陷坑边缘平行，其距离约5m。路边的居民房的地面及墙体上均出现大小不一的裂缝（图3-4、3-5、3-6）。图3-4中地面裂缝宽约2cm，两条裂缝及图3-3中屋外的裂缝基本平行，且间距大约1.4m。图3-5中墙体中的裂缝宽约4-5cm，延伸可达3m。图3-6中的裂缝为西侧墙裂缝，缝宽约2cm，缝长1m，两缝间隔1m。图3-2 1号坑全貌图3-3 简易小路上的地裂

5、缝图3-4 小屋内地面裂缝图3-5 房子墙体上的裂缝图3-6 墙体上的裂缝3.1.1.2 2号坑2号坑位于1号坑东部约100m，2009年7月本项目组进行野外调查的时候还没有出现2号坑，目前该坑的平面面积比较小，其南北长约2.5m，东西长约2m，坑的深度约1.5m，坑外缘的裂缝沿NE方向最发育，平面上整体形态呈椭圆状（图3-7）。2号坑NE侧裂缝，靠近坑边，很密集（图3-8）。离坑越近，裂缝高差越大，最大可达2530cm。裂缝最宽可达42cm，裂缝长短不一，最长可达5.2m。整体呈弧状平行坑边缘，最远的裂缝距离坑边达8m。图3-7 2号坑全貌图3-8 2号坑NE侧裂缝左图：坑远处的裂缝；右图：

6、坑边的裂缝坑南东侧裂缝最远距坑边1m，最宽可达40cm，缝长一般13m,相邻的裂缝从坑边向外由阶梯状趋势地貌过渡到平地，阶梯高差可达10-30cm（图3-9）。图3-9 2号坑SE侧裂缝图3-10 2号坑SW侧裂缝图3-11 2号坑NW侧裂缝图3-12 2009年7月调查的3号坑A.以前3号坑全貌；B.坑NW侧的地裂缝；C.NE侧的地裂缝；D.SE侧的地裂缝；F.NW侧坡体上大量裂缝坑南西侧裂缝发育于松散物中，最远裂缝距坑边4.78m。裂缝明显显示台阶状地貌（图3-10）。坑北西侧的裂缝隐隐约约出现在地表（图3-11），两条裂缝间距约60cm，长约3.7m，裂缝较平直，缝宽约2-3cm。3.1

7、.1.3 3号坑3号坑于2009年7月野外调查的时候面积比较小（图3-12A），地貌上塌陷区呈直径约3m的圆锥形，锥体的高约1m，坑南西侧有很多裂缝发育（图3-12B），并且裂缝比较密集，主要发育于塌陷坡体上，缝宽一般3-5cm。，在坑北西侧地段还可清晰的见到台阶状地形（图3-12C），台阶高差最高可达20cm，裂缝由近及远逐渐变窄。南东侧平台上也可见多条基本平行的裂缝，裂缝总体平行于坑边缘，裂缝延伸较远，且缝宽一般可达5-7cm，间距20-70cm（图3-12D）。坑北西侧有明显的坡体滑动的台阶，在下部坡体上发育大量不规则，长短不一的裂缝，裂缝延伸一般不长，缝宽最大可达10cm（图3-12F

8、）。目前 3号坑位于2号坑东边20m处，出露地表的形态形似于直径为50m的圆，地势上表现为北部高，南部低（图3-13）。图3-13 3号坑全貌左图：上部形态；右图：坑底形态3号坑北西侧上部被15m左右的松散沉积物覆盖，下部是中等风化的闪长岩（见图3-13），闪长岩中发育一组垂直坡向的节理，倾角较陡。另外，闪长岩中发育两条断层，断层带内物质松散，宽约1-3m，内有地下水渗流，其中Fa断层上盘相对于下盘向下错动3-4m,表现出正断层性质；Fb断层上盘相对于下盘向上错动2m左右，表现出逆断层性质。3号坑底部是松散碎屑物，北西侧的碎屑物比较厚，而南东侧为塌陷的坑，碎屑物受重力作用，在表面显示为上缓下陡

9、（见图3-13）。图3-14 3号坑NW侧坑缘处裂缝图3-15 3号坑NW侧平台中部裂缝图3-16 3号坑NW侧最远的裂缝左图：裂缝的整体形态；右图：裂缝的局部图3-17 3号坑SE侧全貌图3-18 3号坑SE侧裂缝北西侧平台山可见四条地裂缝，其一条位于坑边缘20cm处，平行坑边缘延伸，长约2m，裂缝宽度约5cm（图3-14）。另外有两条距离坑边缘垂直距离8-8.2m，延伸3.3-3.4m，宽2-4cm，两条裂缝间距约20cm，基本呈直线平行（图3-15）。最远的一条裂缝距离坑边缘垂直距离约14.3m，裂缝非常不规则，总体呈锯齿形状，延伸2.1m，宽1-2cm（图3-16）。坑南东侧主要是松散

10、堆积物，主要成分是细砂，含少量砾石（图3-17），地貌上显示两边高，中间低，表面有植被发育，后缘有明显的台阶地貌。每两级台阶的高差1.2m-1.6m，台阶裂缝一般延伸10m左右，每两条裂缝的水平间距约1.9m-2.5m，裂缝宽度最宽可达12cm（图3-18）。图3-17中南东的小平台上部堆积的是松散的碎屑物，下部为中等风化的闪长岩。松散物中出现断断续续的短裂缝，裂缝长一般5m左右，缝宽最大可达30cm（图3-19）。上述南东侧坳陷处裂缝和平台处的裂缝有相连接的趋势。3号坑南西侧地貌上缓下陡（图3-20a），路边裂缝最长可达14m，整体呈直线延伸（图3-20b），缝宽从坑边往外由款变窄，最宽可达

11、12cm，最窄约1mm（图3-20c），裂缝基本平行于陷坑外缘。图3-19 3号坑SE侧小平台上的裂缝图3-20 3号坑南西侧裂缝A.南西侧地貌；B.3号坑最宽裂缝；C.3号坑最细的裂缝3.1.2 龙洞塌陷区龙洞采区露天采场于1980年闭坑，1985年转入地下开采，一期的设计规模为30万ta 。由于深部矿体变薄， 近年实际生产规模为25万ta左右。到目前为止，铁山矿龙洞采区深部矿体设计主要采取无底柱分段崩落采矿方法，回采进路垂直矿体走向掘进。其特点是，随着矿山的采出，有计划地强制或自然崩落矿体顶盘岩层来充填采空区，回采过程中采空区上部岩层逐步向上塌落与松弛，乃至波及地表，产生塌陷和错动（图3-

12、21）。龙洞矿区南部（矿体上盘）主要出露岩石为大冶群第五段第三至第五亚段大理岩或白云质大理岩，北部（矿体下盘）主要为燕山期闪长岩体，其主体岩性为黑云母透辉石闪长岩，其次为中细粒含石英闪长岩，及钠钾长石化中细粒含石英闪长岩和黑云母透辉石闪长岩。各种岩石类型在近矿部位多发生不同程度的弱化（绢云母化、绿泥石化、蒙脱石化等）蚀变。图3-21 2009年龙洞塌陷区航片龙洞矿区构造发育程度中等，主体构造为龙洞铁门坎向斜，出露于矿体上盘大理岩内，核部由大冶群第五段第五亚段(T 1dy5 )白云质大理岩组成，两翼为大冶群第五段第四亚段( T1 dy4 )大理岩或白云质大理岩。向斜轴向290°，延长2

13、km 以上，两翼地层上部倾向北东，倾角3050°，下部倾向南西，倾角5060°。北翼产状与接触带产状大致一致，在一定程度上北翼产状控制接触带产状，接触带产状控制着矿体形态产状。断层有龙F1和龙F2，均为压扭断层。龙F1 位于矿体北面，地表出露长370m，走向80°，倾向南南东，倾角较陡，近直立，断层宽约5-7m，内为绿泥石所填充，强度非常低（图3-22）。龙F2 位于龙F1 南120m，其走向70°，倾向南南东或向南陡倾，局部向北陡倾，倾角7590°（图3-23），地表出露长度3060m，地下长达130m 以上，在-50m 标高以下逐渐消失，该

14、断层是由若干条平行于的断裂构成的挤压破碎带，在闪长岩和大理岩中均有发育，但未发现龙F2 切割矿体的迹象，因此可以认为断层形成于成矿之前，在闪长岩地段，断层穿过部位岩石破碎，破碎宽度约1525m ，伴随着强烈绿泥石、蒙脱石化，此外断层发育着密集的平行的断裂和节理。在大理岩层中，断层通过有串珠状溶洞发育。中国科学院武汉岩土力学研究所资料显示，随着矿体的开采龙F1 距矿体距离较远，而龙F2已在 -50 水平已尖灭，因此两条断层对塌陷的控制能力较低。图3-22 龙F1断裂图3-23 龙F2断裂图3-24 龙洞大理岩A.大理岩中的裂缝；B.大理岩表面的擦痕；C.大理岩表面的方解石晶体龙洞塌陷区的南侧出露

15、的绝大多数为大理岩，层状构造，岩石强度中等，顺层理和垂直层理方强度有差异，但不大。层间的粘聚力较高。在上部坑道揭露的大理岩层中，很少有顺层脱落的现象。断裂构造发育稀少，岩层总体结度较高。断层通过部位，常常伴有串珠状的溶洞发育。南帮大理岩边坡随着地下采空区矿大沿龙F2 发生塌裂。大理岩中主要有两组节理，产状分别为170°30°和305°79°。节理宽度较小，结合紧密，无或微少量的填充物，无张开度，节理间距较大，平均间距1m 以上，因此节理对大理岩的强度影响明显较闪长岩弱很多。大理岩中，受塌陷的影响，坡体中出现大量的裂缝（图3-24A），随着裂缝的不断深入，

16、岩体的稳定性将受到极大的威胁。在坡体表面，可明显见到岩体滑塌的光面及擦痕（3-24B）。大理石中发育一组优势顺坡向节理，产状：40°70°。大理石表面还可见到方解石晶体（3-24C）。矿区的北部主要是闪长岩体，岩体中发育两组优势节理，产状分别为65°40°和40°80°，前者平均间距40cm/条，后者平均间距约25cm/条。由于两组密集的节理非常发育，将闪长岩体分割成块状结构（图3-25）。图3-25 龙洞北帮闪长岩体另外，在矿区附近的建筑物和地表有裂缝发育（图3-26），矿区西南侧的建筑物出现轻微变形，房屋建筑倾斜和开裂方向均朝向采

17、坑，且离采坑距离越近开裂程度大。进龙洞采场的水泥公路，以及两旁的挡墙有些地方都有不同程度的破坏，而这一现象止于机修理产大门沿水泥公路往南20m 处。另外根据机修厂工人的回忆，机修厂工作车间原来墙壁开裂严重，修复后，现场调查并未发现墙壁新的开裂，因此可以从侧面反映出，当地下开采加深和南移后，下盘闪长岩的沉降量明显降低或未有沉降发生。西南坡体150米高程的平台上，多处出现平行于采帮的裂隙，宽度从1cm5cm，长度从1 米到十几米，如3-26右图所示。随着开采的继续进展，以及地下采场南移，高陡的大帮大理石边坡必然会给地下采场施加更大的压力，给塌陷带来不利因素。图3-26 龙洞矿区周边的建筑物及地表裂

18、缝左图.建筑物轻微变形；右图.西南岩体上的裂缝3.1.3 尖林山塌陷区尖林山塌陷区地表出露的岩石主要是闪长岩，采矿主要是地下开采，由于地下开采及地表节理的共同影响，地表出现较大面积的塌陷。塌陷大致有四个小坑，平面形态呈圆形（图3-27）。图3-27 2009年尖林山塌陷区航片图闪长岩体中发育三组优势节理（图3-28），分别是J1：230°55°，间距约30cm；J2:320°65-70°,平均间距约80cm；J3:180°45°，间距一般40cm。由三组节理控制的岩体结构为块状结构，随着节理的相互贯穿，山脚散落较多碎石。在北纬30&#

19、176;1336 、东经114°5343 、高程218m处，出现一条大型地裂缝（图3-29），该缝宽度可达0.5米，长约为10米。裂缝北侧的中等风化的闪长岩岩体中发育一组顺坡向节理，节理倾角比较陡。裂缝南侧的岩体由于风化作用及塌陷错动的影响，岩体比较破碎，强度比较低。图3-28 闪长岩体中的节理3-29 塌陷裂缝地表塌陷图3-30 尖林山水渠塌陷与地裂缝尖林山水渠塌陷，高程为215m，坡长9m,坡度43°,岩性为花岗闪长岩，岩体破碎，块径大小5-40cm。后缘岩石有两组优势节理面，产状为202°41°、310°70°，节理密度3条/m

20、。塌陷区地裂缝宽约10cm，长约15m，走向NNW（图3-30）。尖林山山顶塌陷区为漏斗型，长度15米，宽4-5m，塌陷区底部有大块岩石，岩石直径范围为30-60。塌陷区上缘产生多条平行地裂缝，走向约190°，南北向，裂缝最大宽度2m，最小宽度0.5m，深度1.5m（图3-31）。观音堂塌陷区呈三角形形状，长17m，宽16m，面积约130m2，地表最大下沉值约为5m（图3-32）。图3-31 尖林山顶塌陷图3-32 观音堂塌陷3.1.4 狮子山塌陷区狮子山塌陷区位于东露天采场狮子山坡脚处（图3-33），目前地下开采在72m阶段，受地下开采和爆破震动的影响,塌陷区域呈椭圆状，长度近30

21、0m，宽度约80m左右，面积约2.4×104m2。图3-33 狮子山塌陷区航片塌陷区北帮为花岗闪长岩，坡角近45°，南帮为大理岩，坡角42°，塌陷区两侧堆积成分为碎块石，塌陷坡度约80°，高度约25m。塌陷区周边地裂缝发育（图3-34），缝宽10-50cm，深90cm，长度0.5-10m，密度约1条/米。随着地下开采的持续进行，地表塌陷范围逐年递增，已严重影响到两侧高陡边坡的稳定性。2007年8月16日开始启动“正负零塌陷区回填工程”，将尾石抛于塌陷的坑内。图3-34 狮子山地面塌陷及其周边地裂缝3.2 地面塌陷的运动学特征大冶铁矿地面塌陷区较多，根据野

22、外现象的出露好坏及对周围建筑物及人员的影响性，研究塌陷的运动学特征选用铁门坎塌陷区作为研究的对象。铁门坎塌陷区从西到东共有三个塌陷坑，分别为1号坑、2号坑和3号坑（见附图2）。3.2.1 1号坑1号坑平面山总体呈长方形，根据中南冶勘的资料显示，地表被人工填土覆盖，地下主要岩性为闪长岩，地下最上面的一个采空区是位于-55米至10米的地方，有一个约高65米，宽20米的采空区（图3-35），采空区的NE侧有少量的矽卡岩发育，采空区下面发育有大冶群下三叠系T1dy2、T1dy3、T1dy4灰岩。野外采用LTD-2100探地雷达和GC100M天线进行现场检测，雷达工作时，向地下介质发射一定强度的高频电磁

23、脉冲（几十兆赫兹至上千兆赫兹），电磁脉冲遇到不同电性介质的分界面时即产生反射或散射，探地雷达接收并记录这些信号，再通过进一步的信号处理和解释即可了解地下介质的情况。由于地形限制，以及考虑检测效果，决定采取点测方式进行检测。测线布置方案已标注附图2上，共6条测线，原计划每条测线两米采一道数据，但据现场第1、2测线，由于采取道数不够，单道数据离散太大，图形效果很差，决定每点采集数据十道。1号坑的横剖面（3测线）长约48米，采集数据240道，通过检测形成信号图形（图3-36）。图中显示，地下2米信号异常强烈反射区,多层曲线反射，介电常数差异较大，层间同相轴不连续，可能有裂隙水存在；地下9-9.5米的位置存在信号异常反射区，结合地质资料判断是地表填土与地下闪长岩的岩石碎屑物的地层分界线；地下11.7米深度的雷达波同相轴比较连续