摘要：玛曲大水金矿位于青藏高原东部，属青藏高原寒冷气候区，地处甘肃省玛曲县东北部，距县城15km，包括格尔珂和贡北两个矿区。2020年6月汛期降雨期间，格尔珂矿区86线处地面发生较大面积的塌陷，给当地周边环境、矿山巷道设备人员以及进一步开采安全造成极大威胁。笔者以甘肃玛曲大水金矿格尔珂矿区为例，结合矿区地质条件和地下开采方式，系统分析了大水金矿地下开采引起的地表突发性塌陷的原因。研究表明：地表塌陷主要受地下采矿形成的采空区的影响，在塌陷范围内存在采空区东西两侧各有延伸，与地面塌陷区的位置吻合。在一定的地质水文条件下，地表塌陷时采空区高度与采矿深度呈线型关系，地表塌陷变形大小和延展范围与地层岩性息息相关。另外，矿山前期开采方式以留矿采矿法为主，采空区因采矿预留安全矿柱过小，采空区面积过大，采空区底板岩体采空造成破碎等，导致采空区塌陷的主要原因。连续降雨沿地表下渗是矿区地面塌陷形成的主导因素。在此基础上，并提出了矿区地面塌陷防治建议。

　　关键词：地下开采；地表塌陷；塌陷现状；成因分析；防治建议

　　甘南州金属矿产资源丰富，金矿资源的开发为当地的支柱产业，但是长期的矿产资源开发利用不可避免的对矿区周边的生态环境造成一定的损伤，导致矿山地质灾害频发，严重的威胁着矿山的生产安全和周边居民。而地表塌陷是矿山地质灾害中常见的一种类型，大部分由于不合理开发导致采空区受力而出现变形、甚至破碎，进而引起地面塌陷，严重威胁矿山生产和设备、人员安全。因此，查明矿山地面塌陷成因机理及有效治理是当前亟待解决的问题。为此，许多科学家对高原采金引起地表沉降的原因和变形机制进行了大量的科学研究，取得了一些有益的成果。笔者以甘肃玛曲大水金矿格尔珂矿区为例，认为地表塌陷与地质条件、地下水活动、采空区、顶板岩性密切联系，系统分析了金属矿山地下开采引起的地表突发性塌陷的成因，并针对性的提出了防治建议。

　　1地质环境条件

　　(1)气象：矿区位于青藏高原东部，属于青藏高原寒冷气候区，受大气环流和地貌影响，高原冬季寒冷期较长，暖季短，昼夜温差较大，太阳辐射强，具有典型的青藏高原气候特征。本区降水量400mm~850mm，年均620mm，降水主要集中在6月~9月，占全年降水量的82.7%。10月开始降雪，大部分降雪发生在3月和4月，最大积雪深度为190mm。

　　(2)地形地貌：矿区位于西倾东侧的南缘，地理上属于秦岭南段。高度3600m~3900m，山体普遍西高东低，坡度约15°~45°，切削深度较浅，主体山脉走向近东西向，支脉呈梳状由北向南展布；沟谷多呈“V”型或“U”型，86线位于山沟内，山沟北高南低，两侧山体陡峭，在地貌上属中高山构造剥蚀地貌。

　　(3)地层岩性及地质构造：矿区内出露的地层岩性主要为二叠系灰岩，三叠系中下统白云岩、白云质灰岩、碎屑角砾岩。矿区位于大水—忠曲断裂带的南缘，断裂发育，金矿化受网状断层系统控制，断层系统由北西向压扭环断层组和北西向径向伸展断层组成，以北西向构造贯穿整个矿区。主要断层扰动宽度从几米到几十米不等，岩石扰动蚀变程度高，由断层角砾岩、断槽、碎裂岩和构造透镜体组成，断层角砾岩非常发达。

　　(4)水文条件：矿区内断裂构造十分发育，矿区四周是由F3、F6、F5、F13和F12五条断裂围成的一相对独立的水文地质单元。矿区地下水可分为第四系松散岩石孔隙水、碎屑孔隙水、基岩裂隙水、碳酸盐岩和岩溶裂隙水四种。矿区含水层岩性为白云岩、细晶灰岩、硅质角砾岩、似碧玉硅质岩、白云质灰岩、泥晶灰岩。大水金矿地下水均主要接受大气降水、断裂带脉状水和地表雨洪水的入渗补给。

　　2矿区开采现状

　　开采方式：采用地下开采。开采顺序为由上而下，中段内由两翼至中央后退式开采。

　　开拓运输方案：矿区从建矿初期，即由露天转地下，采用阶段平硐开拓，各中段矿岩均由各平硐运出直达地表。开拓方式为平硐、斜井、竖井混合开拓。格尔珂矿区中段分别划分为3645m、3605m、3570m、3530m、3490m、3450m、3400m共7个中段。

　　采矿方法：矿山目前采用留矿采矿法，后期将对厚大矿体采用分段空场嗣后充填采矿法回采；对连续性好的小矿体设计采用变形的倾斜通道浅孔留矿法回采。

　　3地面塌陷现状与分布规律

　　3.1地面塌陷现状

　　根据调查，大水金矿格尔珂矿区86线塌陷区位于95线竖井西南侧山沟内，于2020年6月汛期降雨期间，地面发生较大面积的塌陷，塌陷区边缘伴有长短不等的裂缝。塌陷区两侧为陡峭山体，整体呈北高南低，地面高程位于3720m~3714m之间，塌陷范围平面内呈圆形状，直径约40m，空间分布呈“倒锥形”状，4月12日调查时发现，可视塌陷深度约15m，四周塌陷裂缝长1m~3m，宽2cm~5cm，塌陷区地表塌陷范围为1012m2。2021年4月18~4月30日，该矿委托设计单位进行物探工作，物探结果初步判定该采空区已经从地表塌陷至3645m中段，空间分布为“倒锥形”状，推断地表塌陷方量约12144m3，四周因塌陷形成了裸露直立基岩面，局部有危岩体发育，坡度70°~90°。另外根据调查目前塌陷区地表周边及下部原生产硐口PD871(3685m标高)、CM86B(3665m标高)、CM86A(3645m标高)均关闭封堵，已无生产及人员活动。

　　3.2塌陷区垂直面采空区分布

　　地面塌陷受控于采矿活动，在平面分布上位于山沟和断裂段处。垂直分布上，塌陷严重区位于采矿采空区顶部，开采强度较大地段。其塌陷走向与金矿脉走向基本一致。3645m、3665m、3685m标高存在老采空区，在塌陷范围内存在3个采空区，其中3685m中段采空区东西两侧各有延伸(向东延伸约30m、向西约30m)，垂高70m~75m(此采空区为塌陷区形成主要区域)，3665m中段采空区向东西两侧各有延伸(向东延伸约75m、向西约50m)，另外在东侧可见长约65m，宽约10m的近东西向走向的采空区，结合3645m中段采空区，向北东向展布，与地面塌陷区的位置吻合。

　　4塌陷区成因分析

　　根据玛曲县大水金矿矿山环境恢复治理勘查设计的要求，在工作区共布设高密度剖面3条。为相互印证，确保工程准确性，又布设2条剖面对86线塌陷区进行瞬变电磁法勘察，为了更好地结合地质进行物探解译，G1、G2、G3号剖面方位角选择143°，长为600m和450m，S1、S2号剖面方位角选择22°基本与86线方位角相同，长为840m。塌陷区对应G1号剖面的43-54号电极，塌陷区中心位置对应46号电极，对应G2号剖面的44-57号电极，塌陷区中心位置对应50号电极。物探过程中，布设十字剖面对86号线塌陷区进行高密度电法勘察，为了更好地结合地质进行物探解译，1号剖面方位角选择53°，基本与86号勘探线方位角相同，2号剖面按垂直1号剖面方位角方向布设。受当地关系、地形和建筑物影响，两条剖面的长度分别为600m和450m。

　　根据地质图分析，高密度G1号剖面1-24号、30-48号、87-96号、103-105号电极岩性为灰岩，24-29号电极岩性为方解石脉，49-86号、97-102号电极为第四系覆盖层，106-120号电极岩性为花岗闪长岩；高密度G2号剖面8-13号、28-51号、54-55号、61-72线、83-90号电极岩性为灰岩，56-60号电极岩性为方解石脉，76-82号电极为第四系覆盖层，1-7号、14-21号电极岩性为花岗闪长岩，72-75号电极岩性为闪长玢岩。

　　根据3685m中段地质图、高密度G1、G2号剖面视电阻率反演断面图和瞬变电磁法探测成果图，G1号剖面46-48号电极对Mi矿ne山en程eering应3685中段的采空区，该采空区垂直G1号剖面向东西两侧各有延伸(向东延伸约30m、向西约30m)，反应在视电阻率反演断面图上电极表现为高阻特征，沿剖面方向视电阻率总体表现为浅部高阻特征，深部中阻特征。视电阻率等值线总体上较为密集，水平层状分布的特征不明显，视电阻率等值线呈垂向分布，局部有挤压扭曲的现象。结合地质中段图和电性特征，推断该部位存在采空区，其周围为灰岩。剖面23-27号电极表现为中-低阻特征，视电阻率等值线沿垂向展布，挤压扭曲较为严重，推断由于后期采矿等人为活动剥蚀了方解石脉，后期填埋了碎石土层，因其处于沟谷低洼地势，地表降水渗透，形成了局部低阻区，推断为富水区。G2号剖面9-15号电极、38-45号电极形成一个V字形的超低阻区，视电阻率曲线在核部稀疏、翼部密集，两处均呈现向下延伸深度较浅的特征。经地表踏勘，9-15号电极位于碎石土层回填的平台处，地势较为平坦，推断形成该段低阻的原因为后期碎土石层回填未夯实，雨水渗透形成了一个富水区，表现为超低阻特征；38-45号电极位于塌陷区的南侧，紧邻塌陷区，且处于回填后的沟谷位置，由于后期雨水作用和沟谷低洼位置等原因，渗漏积水较为严重，形成了一个富水区，表现为超低阻特征。分析35-36号电极对应3685中段的采空区，反应在视电阻率反演断面图上为超高阻。剖面46-59号电极电阻率断面图表现为高阻特征，视电阻率等值线较为疏松，表现为向深部延伸的特征，推断形成该高阻区的地质原因为灰岩。剖面60-90号电极视电阻率断面图表现为中-低阻特征，在局部位置形成超低阻区，视电阻率等值线稀疏，沿垂向展布，延伸部未闭合，结合电性测定结果，该处视电阻率与灰岩露头的视电阻率值相吻合，推断为灰岩。超低阻区位于沟谷位置，且地表为草甸土层覆盖，推断与雨水作用和地下赋水有关。

　　根据3665m中段地质图和高密度G1号剖面视电阻率反演断面图，G1号剖面41-45号电极对应3665中段的采空区，该采空区垂直G1号剖面向东西两侧各有延伸(向东延伸约75m、向西约50m)，反应在视电阻率反演断面图上为超高阻。在47号电极东侧可见长约65m，宽约10m的近东西向走向的采空区，由于高密度G1号剖面未经过该采空区的正上方，对应视电阻率断面图上的中阻区，推断为基岩区。

　　结合3645m中段地质图和高密度1号剖面视电阻率反演断面图，G1号剖面39-44号电极对应3645中段的采空区，反应在视电阻率反演断面图上为超低阻，推断该采空区出现涌水现象。该采空区向北东向展布，一直延伸到47号电极西南，与地面塌陷区的位置吻合。

　　结合视电阻率反演断面图和各中段地质图，地质现象对应地电特征，由已知到未知，得出采空区未涌水表现为超高阻特征，采空区涌水表现为超低阻特征，基岩表现为中阻特征，基岩存在断裂带表现为中阻夹低阻的特征，对G1号、G2号剖面进行反演推断出基岩、采空区和富水区等定性解释。

　　综上所述，结合地层构造、水文地质和工程地质条件，初步推断引起86号线塌陷区的原因为地下采空区以及采矿活动，对基岩造成应力和应变，导致采空区顶部抗压强度低、遇水易软化、工程地质性质差的极软岩闪长玢岩向下坍塌，再加之该采空区处于沟谷位置，是大气降水和地下水流动的主要位置，充足的雨水渗透采空区顶部的闪长玢岩，导致不断向下塌陷，形成塌陷区。塌陷过程中边部不稳定基岩碎石坍塌，造成塌陷区地面范围扩大。

　　G1号剖面视电阻率断面图向东平移推断该塌陷区，46号电极东侧三个中段的采空区是形成塌陷的主要原因，由于3645中段对应的采空区涌水，推断塌陷区的深度已达到3645m高程处，塌陷区的地下不稳定深度在75m左右。结合G2号剖面视电阻率反演，55-60号电极间为近乎直立的灰岩，现场看已经出现地面裂缝，如果没有及时治理，该段存在垮塌的风险，该段垮塌后，61号电极处存在断裂破碎带，63-77号电极间的基岩也随之存在垮塌的风险。

　　5结论

　　(1)塌陷区北侧位于近东西走向区域大断裂处，断裂基础带上地层岩性破碎，岩体不稳固。

　　(2)地面塌陷与采矿活动呈现一定的相关性。采空区沉陷的形成和发展主要与采空区存在时间、矿层维持条件、开发和再开采方式等因素有关，造成矿井塌陷的主要原因有。经过调查3645m、3665m、3685m标高存在老采空区，在塌陷范围内存在3个采空区，其中3685m中段采空区东西两侧各有延伸(向东延伸约30m、向西约30m)，垂高70m~75m(此采空区为塌陷区形成主要区域)，3665m中段采空区向东西两侧各有延伸(向东延伸约75m、向西约50m)，另外在东侧可见长约65m，宽约10m的近东西向走向的采空区。结合3645m中段采空区，向北东向展布，与地面塌陷区的位置吻合。由于矿区开采历史悠久，采空区形成时间不同。长期荷载作用下，随着时间的增加，岩体强度降低，变形增大，采空区整体稳定性降低，地表塌陷概率增大。加之采空区因采矿预留安全矿柱过小，采空区存在面积过大，采空区底板岩体采空造成破碎等。

　　(3)从3645m、3685m、3765m中段地质图中可看出，每个中段存在闪长冰岩，该岩石抗压强度较低，属软岩类，工程地质性质较差，加之常年来得采矿活动对基岩造成应力和应变，导致采空区顶部抗压强度较低、工程地质性质差的软岩闪长冰岩向下坍塌，是塌陷区形成的主要地质原因。

　　(4)地表塌陷过程中，深部采空区塌陷导致上盘产生向下移动的重力作用，导致出现大面积的坍塌，塌陷过程中边部不稳定基岩碎石坍塌，塌陷区地面范围扩大。

　　(5)地表出现裂缝而未及时回填处置，裂缝的形成和发展为地表水向下流动提供了便利的通道，山脉裂缝中的粘土和淤泥在地表水的渗透和向下流动过程中进行，极软的闪长岩-玳岩岩石不断被侵蚀，地下很容易形成隐藏的空隙。周围的页岩和砂岩整体性好，容易在附近堆积，形成高压水柱，一般的变形破坏会引起地下水的周期性突然涌动，瞬间在地下隐蔽空间产生高负压，从而导致表面塌陷。

　　(6)近几年玛曲县雨水明显增多，塌陷区四周排水不畅，加之塌陷区位于沟道内，顶部南、北、西三个方向来水，雨雪水形成的地表径流沿地表裂缝顺破碎带下渗，来水汇流后全部沿沟道流入采空区，加之该区域地表及采空区顶板岩性不稳固，地处F1断裂带上，主要为破碎带或方解石带，经雨雪水长期冲刷导致采空区逐年垮塌，使得塌陷范围扩大。

　　(7)矿山该区停采后，井下涌水沿采空区涌水水位上升，采空区内涌水水位抬高后，对四周岩体浸泡，泡水时间过长加之采空区四周不良岩体遇水极易软化，致使采空区四周围岩松软，进一步造成采空区垮塌，进而使得地表塌陷。

　　6防治建议

　　根据沉降现状及其成因分析结果，结合稳定性和危害性评估结果，结合工程综合特点，提出防治思路和相对适宜的防治措施，并提出防治建议，给予应急防控。防治工程措施分如下四类。

　　(1)规范管理。规范矿山开采管理，严格按照矿山设计开采；加强采矿预留安全矿柱、地下涌水疏排管理等，以最大限度减轻、减少地质灾害的发生。

　　(2)科学避让，追踪监测。对于已经发生的沉降，伴随因素的复杂作用，未来仍有进一步沉降的可能，建议采取工程管理和工程监测的综合防控措施。建议及时防止出现变形和塌陷的迹象。地表监测：其塌陷是否现已稳定仍需进一步在塌陷区四周布设裂缝监测设备进行追踪监测，沿塌陷区四周布设裂缝监测设备进行追踪监测。井下监控：包括巡查、顶、底板探测、仪表监测、测绘。

　　(3)修建水渠，阻断地表水。塌陷区位于沟道内，南、北、西三个方向来水，雨雪水形成的地表径流沿地表裂缝顺破碎带下渗，来水汇流后全部沿沟道流入采空区，防止大量雨水进入采空区后，加剧采空区进一步塌陷，需沿塌陷区所在沟道及顶部修建水渠。

　　(4)采空区东城治理。①充填处理：可采用废石干式充填和尾砂、碎石水力充填。填充空隙可以减少岩体和地表的运动量，减缓运动的开始和发展，防止大范围的地压。②崩落空区：根据采空区情况，采用崩落围岩以充填空区或形成缓冲岩石垫层，使能控制地压，转移或缓和应力集中，防止围岩大面积突然崩落产生的气浪危及生产区。本方法简单易行，费用较低。

　　(5)建立长效预警机制，矿山企业在当地政府和自然资源主管部门的领导下，需矿山建立矿山长效预警机制，编制矿山地灾突发事件应急方案，建立以矿山矿区为主体的地面塌陷监测小组，对出现的突发地质环境问题及时响应，及时上报。