1、第三章 地面塌陷特征大冶鐵礦礦床是全國著名的大型矽卡巖型鐵（銅）礦床，是武鋼的鐵礦石主要生產基地。2004年底前累計探明鐵礦石資源/儲量16647.38萬噸。礦山1958年7月開始大規模機械化開采，至今已有50年的歷史，露天開采已基本結束，資源量絕大部分消耗殆盡。為了企業的生存和持續發展，大冶鐵礦積極申報和組織實施了2004至2006年度國家危機礦山接替資源勘查試點項目，取得了較好的深部找礦效果。目前，礦體的開采已由地上露天開采轉入地下開采。由于地下采礦方法為無底柱分段崩落法，外加其他因素的協同，在地表形成了大小不一的四個主要塌陷區。地面塌陷是指地表巖土體在自然或人為因素作用下，向下陷落，并在

2、地面塌陷坑（洞）的一種地質現象。大冶鐵礦目前除局部掛幫礦回采外，主要為地下開采，形成了大面積采空區。據黃石市地質災害調查資料，采空區將近4km2，采空區高度10-25m，最大達40m，導致采空區頂板塌落，引起不均勻沉降與大面積的塌陷。東露天采場獅子山上世紀70年至80年代發生地面變形，目前已形成長300m，寬50-120m，深20-35m的塌陷坑，導致地表排水溝道、通風斜井井口以及部分廠房等建筑物受損破壞。尖林山、龍洞、鐵門坎等采區也發生多處規模不一的地面塌陷，對鐵山區三岔路村2000余人生命財產造成嚴重威脅，同時也危及礦業開發的正常進行，地面塌陷已成為一種嚴重困擾礦山開采的地質環境問題。下面

3、分別對這幾個塌陷區進行研究。3.1 地面塌陷的幾何學特征3.1.1鐵門坎塌陷區鐵門坎塌陷區由西向東一共有三個陷坑，分別命名為1號、2號、3號坑（附圖2）。該礦區地貌上總體是北高南低，北部出露的巖石主要是閃長巖，南部地表幾乎都被第四紀坡積物以及人工堆積物覆蓋，根據中國冶金地質總局中南地質勘察院的勘察資料顯示，南部下伏地層主要是三疊系下統大冶群地層，局部地方有矽卡巖侵入體。2009年野外調查時，鐵門坎塌陷區只有1號坑和3號坑已經在地表有明顯痕跡（圖3-1）。圖3-1 2009年鐵門坎塌陷航片3.1.1.1 1號坑1號坑平面形態整體上呈南北窄，東西寬的長方形（圖3-2），其長約75m，寬約52m。由

4、于塌陷坑后期被人工填埋，坑內裂縫及坡面特征不明顯。從2009年調查開始，到2011年7月，該坑的范圍未見明顯擴大。在1號坑的西側簡易水泥路的地面可見長短不一的裂縫（圖3-3），裂縫的長度約2m，縫寬約2-3cm，裂縫的延伸方向基本與相鄰的塌陷坑邊緣平行，其距離約5m。路邊的居民房的地面及墻體上均出現大小不一的裂縫（圖3-4、3-5、3-6）。圖3-4中地面裂縫寬約2cm，兩條裂縫及圖3-3中屋外的裂縫基本平行，且間距大約1.4m。圖3-5中墻體中的裂縫寬約4-5cm，延伸可達3m。圖3-6中的裂縫為西側墻裂縫，縫寬約2cm，縫長1m，兩縫間隔1m。圖3-2 1號坑全貌圖3-3 簡易小路上的地裂

5、縫圖3-4 小屋內地面裂縫圖3-5 房子墻體上的裂縫圖3-6 墻體上的裂縫3.1.1.2 2號坑2號坑位于1號坑東部約100m，2009年7月本項目組進行野外調查的時候還沒有出現2號坑，目前該坑的平面面積比較小，其南北長約2.5m，東西長約2m，坑的深度約1.5m，坑外緣的裂縫沿NE方向最發育，平面上整體形態呈橢圓狀（圖3-7）。2號坑NE側裂縫，靠近坑邊，很密集（圖3-8）。離坑越近，裂縫高差越大，最大可達2530cm。裂縫最寬可達42cm，裂縫長短不一，最長可達5.2m。整體呈弧狀平行坑邊緣，最遠的裂縫距離坑邊達8m。圖3-7 2號坑全貌圖3-8 2號坑NE側裂縫左圖：坑遠處的裂縫；右圖：

6、坑邊的裂縫坑南東側裂縫最遠距坑邊1m，最寬可達40cm，縫長一般13m,相鄰的裂縫從坑邊向外由階梯狀趨勢地貌過渡到平地，階梯高差可達10-30cm（圖3-9）。圖3-9 2號坑SE側裂縫圖3-10 2號坑SW側裂縫圖3-11 2號坑NW側裂縫圖3-12 2009年7月調查的3號坑A.以前3號坑全貌；B.坑NW側的地裂縫；C.NE側的地裂縫；D.SE側的地裂縫；F.NW側坡體上大量裂縫坑南西側裂縫發育于松散物中，最遠裂縫距坑邊4.78m。裂縫明顯顯示臺階狀地貌（圖3-10）。坑北西側的裂縫隱隱約約出現在地表（圖3-11），兩條裂縫間距約60cm，長約3.7m，裂縫較平直，縫寬約2-3cm。3.1

7、.1.3 3號坑3號坑于2009年7月野外調查的時候面積比較小（圖3-12A），地貌上塌陷區呈直徑約3m的圓錐形，錐體的高約1m，坑南西側有很多裂縫發育（圖3-12B），并且裂縫比較密集，主要發育于塌陷坡體上，縫寬一般3-5cm。，在坑北西側地段還可清晰的見到臺階狀地形（圖3-12C），臺階高差最高可達20cm，裂縫由近及遠逐漸變窄。南東側平臺上也可見多條基本平行的裂縫，裂縫總體平行于坑邊緣，裂縫延伸較遠，且縫寬一般可達5-7cm，間距20-70cm（圖3-12D）。坑北西側有明顯的坡體滑動的臺階，在下部坡體上發育大量不規則，長短不一的裂縫，裂縫延伸一般不長，縫寬最大可達10cm（圖3-12F

8、）。目前 3號坑位于2號坑東邊20m處，出露地表的形態形似于直徑為50m的圓，地勢上表現為北部高，南部低（圖3-13）。圖3-13 3號坑全貌左圖：上部形態；右圖：坑底形態3號坑北西側上部被15m左右的松散沉積物覆蓋，下部是中等風化的閃長巖（見圖3-13），閃長巖中發育一組垂直坡向的節理，傾角較陡。另外，閃長巖中發育兩條斷層，斷層帶內物質松散，寬約1-3m，內有地下水滲流，其中Fa斷層上盤相對于下盤向下錯動3-4m,表現出正斷層性質；Fb斷層上盤相對于下盤向上錯動2m左右，表現出逆斷層性質。3號坑底部是松散碎屑物，北西側的碎屑物比較厚，而南東側為塌陷的坑，碎屑物受重力作用，在表面顯示為上緩下陡

9、（見圖3-13）。圖3-14 3號坑NW側坑緣處裂縫圖3-15 3號坑NW側平臺中部裂縫圖3-16 3號坑NW側最遠的裂縫左圖：裂縫的整體形態；右圖：裂縫的局部圖3-17 3號坑SE側全貌圖3-18 3號坑SE側裂縫北西側平臺山可見四條地裂縫，其一條位于坑邊緣20cm處，平行坑邊緣延伸，長約2m，裂縫寬度約5cm（圖3-14）。另外有兩條距離坑邊緣垂直距離8-8.2m，延伸3.3-3.4m，寬2-4cm，兩條裂縫間距約20cm，基本呈直線平行（圖3-15）。最遠的一條裂縫距離坑邊緣垂直距離約14.3m，裂縫非常不規則，總體呈鋸齒形狀，延伸2.1m，寬1-2cm（圖3-16）。坑南東側主要是松散

10、堆積物，主要成分是細砂，含少量礫石（圖3-17），地貌上顯示兩邊高，中間低，表面有植被發育，后緣有明顯的臺階地貌。每兩級臺階的高差1.2m-1.6m，臺階裂縫一般延伸10m左右，每兩條裂縫的水平間距約1.9m-2.5m，裂縫寬度最寬可達12cm（圖3-18）。圖3-17中南東的小平臺上部堆積的是松散的碎屑物，下部為中等風化的閃長巖。松散物中出現斷斷續續的短裂縫，裂縫長一般5m左右，縫寬最大可達30cm（圖3-19）。上述南東側坳陷處裂縫和平臺處的裂縫有相連接的趨勢。3號坑南西側地貌上緩下陡（圖3-20a），路邊裂縫最長可達14m，整體呈直線延伸（圖3-20b），縫寬從坑邊往外由款變窄，最寬可達

11、12cm，最窄約1mm（圖3-20c），裂縫基本平行于陷坑外緣。圖3-19 3號坑SE側小平臺上的裂縫圖3-20 3號坑南西側裂縫A.南西側地貌；B.3號坑最寬裂縫；C.3號坑最細的裂縫3.1.2 龍洞塌陷區龍洞采區露天采場于1980年閉坑，1985年轉入地下開采，一期的設計規模為30萬ta 。由于深部礦體變薄， 近年實際生產規模為25萬ta左右。到目前為止，鐵山礦龍洞采區深部礦體設計主要采取無底柱分段崩落采礦方法，回采進路垂直礦體走向掘進。其特點是，隨著礦山的采出，有計劃地強制或自然崩落礦體頂盤巖層來充填采空區，回采過程中采空區上部巖層逐步向上塌落與松弛，乃至波及地表，產生塌陷和錯動（圖3-

12、21）。龍洞礦區南部（礦體上盤）主要出露巖石為大冶群第五段第三至第五亞段大理巖或白云質大理巖，北部（礦體下盤）主要為燕山期閃長巖體，其主體巖性為黑云母透輝石閃長巖，其次為中細粒含石英閃長巖，及鈉鉀長石化中細粒含石英閃長巖和黑云母透輝石閃長巖。各種巖石類型在近礦部位多發生不同程度的弱化（絹云母化、綠泥石化、蒙脫石化等）蝕變。圖3-21 2009年龍洞塌陷區航片龍洞礦區構造發育程度中等，主體構造為龍洞鐵門坎向斜，出露于礦體上盤大理巖內，核部由大冶群第五段第五亞段(T 1dy5 )白云質大理巖組成，兩翼為大冶群第五段第四亞段( T1 dy4 )大理巖或白云質大理巖。向斜軸向290°，延長2

13、km 以上，兩翼地層上部傾向北東，傾角3050°，下部傾向南西，傾角5060°。北翼產狀與接觸帶產狀大致一致，在一定程度上北翼產狀控制接觸帶產狀，接觸帶產狀控制著礦體形態產狀。斷層有龍F1和龍F2，均為壓扭斷層。龍F1 位于礦體北面，地表出露長370m，走向80°，傾向南南東，傾角較陡，近直立，斷層寬約5-7m，內為綠泥石所填充，強度非常低（圖3-22）。龍F2 位于龍F1 南120m，其走向70°，傾向南南東或向南陡傾，局部向北陡傾，傾角7590°（圖3-23），地表出露長度3060m，地下長達130m 以上，在-50m 標高以下逐漸消失，該

14、斷層是由若干條平行于的斷裂構成的擠壓破碎帶，在閃長巖和大理巖中均有發育，但未發現龍F2 切割礦體的跡象，因此可以認為斷層形成于成礦之前，在閃長巖地段，斷層穿過部位巖石破碎，破碎寬度約1525m ，伴隨著強烈綠泥石、蒙脫石化，此外斷層發育著密集的平行的斷裂和節理。在大理巖層中，斷層通過有串珠狀溶洞發育。中國科學院武漢巖土力學研究所資料顯示，隨著礦體的開采龍F1 距礦體距離較遠，而龍F2已在 -50 水平已尖滅，因此兩條斷層對塌陷的控制能力較低。圖3-22 龍F1斷裂圖3-23 龍F2斷裂圖3-24 龍洞大理巖A.大理巖中的裂縫；B.大理巖表面的擦痕；C.大理巖表面的方解石晶體龍洞塌陷區的南側出露

15、的絕大多數為大理巖，層狀構造，巖石強度中等，順層理和垂直層理方強度有差異，但不大。層間的粘聚力較高。在上部坑道揭露的大理巖層中，很少有順層脫落的現象。斷裂構造發育稀少，巖層總體結度較高。斷層通過部位，常常伴有串珠狀的溶洞發育。南幫大理巖邊坡隨著地下采空區礦大沿龍F2 發生塌裂。大理巖中主要有兩組節理，產狀分別為170°30°和305°79°。節理寬度較小，結合緊密，無或微少量的填充物，無張開度，節理間距較大，平均間距1m 以上，因此節理對大理巖的強度影響明顯較閃長巖弱很多。大理巖中，受塌陷的影響，坡體中出現大量的裂縫（圖3-24A），隨著裂縫的不斷深入，

16、巖體的穩定性將受到極大的威脅。在坡體表面，可明顯見到巖體滑塌的光面及擦痕（3-24B）。大理石中發育一組優勢順坡向節理，產狀：40°70°。大理石表面還可見到方解石晶體（3-24C）。礦區的北部主要是閃長巖體，巖體中發育兩組優勢節理，產狀分別為65°40°和40°80°，前者平均間距40cm/條，后者平均間距約25cm/條。由于兩組密集的節理非常發育，將閃長巖體分割成塊狀結構（圖3-25）。圖3-25 龍洞北幫閃長巖體另外，在礦區附近的建筑物和地表有裂縫發育（圖3-26），礦區西南側的建筑物出現輕微變形，房屋建筑傾斜和開裂方向均朝向采

17、坑，且離采坑距離越近開裂程度大。進龍洞采場的水泥公路，以及兩旁的擋墻有些地方都有不同程度的破壞，而這一現象止于機修理產大門沿水泥公路往南20m 處。另外根據機修廠工人的回憶，機修廠工作車間原來墻壁開裂嚴重，修復后，現場調查并未發現墻壁新的開裂，因此可以從側面反映出，當地下開采加深和南移后，下盤閃長巖的沉降量明顯降低或未有沉降發生。西南坡體150米高程的平臺上，多處出現平行于采幫的裂隙，寬度從1cm5cm，長度從1 米到十幾米，如3-26右圖所示。隨著開采的繼續進展，以及地下采場南移，高陡的大幫大理石邊坡必然會給地下采場施加更大的壓力，給塌陷帶來不利因素。圖3-26 龍洞礦區周邊的建筑物及地表裂

18、縫左圖.建筑物輕微變形；右圖.西南巖體上的裂縫3.1.3 尖林山塌陷區尖林山塌陷區地表出露的巖石主要是閃長巖，采礦主要是地下開采，由于地下開采及地表節理的共同影響，地表出現較大面積的塌陷。塌陷大致有四個小坑，平面形態呈圓形（圖3-27）。圖3-27 2009年尖林山塌陷區航片圖閃長巖體中發育三組優勢節理（圖3-28），分別是J1：230°55°，間距約30cm；J2:320°65-70°,平均間距約80cm；J3:180°45°，間距一般40cm。由三組節理控制的巖體結構為塊狀結構，隨著節理的相互貫穿，山腳散落較多碎石。在北緯30&#

19、176;1336 、東經114°5343 、高程218m處，出現一條大型地裂縫（圖3-29），該縫寬度可達0.5米，長約為10米。裂縫北側的中等風化的閃長巖巖體中發育一組順坡向節理，節理傾角比較陡。裂縫南側的巖體由于風化作用及塌陷錯動的影響，巖體比較破碎，強度比較低。圖3-28 閃長巖體中的節理3-29 塌陷裂縫地表塌陷圖3-30 尖林山水渠塌陷與地裂縫尖林山水渠塌陷，高程為215m，坡長9m,坡度43°,巖性為花崗閃長巖，巖體破碎，塊徑大小5-40cm。后緣巖石有兩組優勢節理面，產狀為202°41°、310°70°，節理密度3條/m

20、。塌陷區地裂縫寬約10cm，長約15m，走向NNW（圖3-30）。尖林山山頂塌陷區為漏斗型，長度15米，寬4-5m，塌陷區底部有大塊巖石，巖石直徑范圍為30-60。塌陷區上緣產生多條平行地裂縫，走向約190°，南北向，裂縫最大寬度2m，最小寬度0.5m，深度1.5m（圖3-31）。觀音堂塌陷區呈三角形形狀，長17m，寬16m，面積約130m2，地表最大下沉值約為5m（圖3-32）。圖3-31 尖林山頂塌陷圖3-32 觀音堂塌陷3.1.4 獅子山塌陷區獅子山塌陷區位于東露天采場獅子山坡腳處（圖3-33），目前地下開采在72m階段，受地下開采和爆破震動的影響,塌陷區域呈橢圓狀，長度近30

21、0m，寬度約80m左右，面積約2.4×104m2。圖3-33 獅子山塌陷區航片塌陷區北幫為花崗閃長巖，坡角近45°，南幫為大理巖，坡角42°，塌陷區兩側堆積成分為碎塊石，塌陷坡度約80°，高度約25m。塌陷區周邊地裂縫發育（圖3-34），縫寬10-50cm，深90cm，長度0.5-10m，密度約1條/米。隨著地下開采的持續進行，地表塌陷范圍逐年遞增，已嚴重影響到兩側高陡邊坡的穩定性。2007年8月16日開始啟動“正負零塌陷區回填工程”，將尾石拋于塌陷的坑內。圖3-34 獅子山地面塌陷及其周邊地裂縫3.2 地面塌陷的運動學特征大冶鐵礦地面塌陷區較多，根據野

22、外現象的出露好壞及對周圍建筑物及人員的影響性，研究塌陷的運動學特征選用鐵門坎塌陷區作為研究的對象。鐵門坎塌陷區從西到東共有三個塌陷坑，分別為1號坑、2號坑和3號坑（見附圖2）。3.2.1 1號坑1號坑平面山總體呈長方形，根據中南冶勘的資料顯示，地表被人工填土覆蓋，地下主要巖性為閃長巖，地下最上面的一個采空區是位于-55米至10米的地方，有一個約高65米，寬20米的采空區（圖3-35），采空區的NE側有少量的矽卡巖發育，采空區下面發育有大冶群下三疊系T1dy2、T1dy3、T1dy4灰巖。野外采用LTD-2100探地雷達和GC100M天線進行現場檢測，雷達工作時，向地下介質發射一定強度的高頻電磁

23、脈沖（幾十兆赫茲至上千兆赫茲），電磁脈沖遇到不同電性介質的分界面時即產生反射或散射，探地雷達接收并記錄這些信號，再通過進一步的信號處理和解釋即可了解地下介質的情況。由于地形限制，以及考慮檢測效果，決定采取點測方式進行檢測。測線布置方案已標注附圖2上，共6條測線，原計劃每條測線兩米采一道數據，但據現場第1、2測線，由于采取道數不夠，單道數據離散太大，圖形效果很差，決定每點采集數據十道。1號坑的橫剖面（3測線）長約48米，采集數據240道，通過檢測形成信號圖形（圖3-36）。圖中顯示，地下2米信號異常強烈反射區,多層曲線反射，介電常數差異較大，層間同相軸不連續，可能有裂隙水存在；地下9-9.5米的位置存在信號異常反射區，結合地質資料判斷是地表填土與地下閃長巖的巖石碎屑物的地層分界線；地下11.7米深度的雷達波同相軸比較連續