New Karst Sinkhole Formation Mechanism Discovered in a Mine Dewatering Area in Hunan, China

Abstract

The Meitanba Coal Mine in Hunan province, China, has experienced severe karst sinkhole hazards since 1982. Mine dewatering that began in 1955 has produced a groundwater cone of depression encompassing an area of 219.19 km² as of 2014. Most dewatering-induced sinkholes occurred on three occasions: at the beginning of dewatering, at times when groundwater level dropped beneath the bedrock surface, and at times when water inrushes occurred. Sinkholes would not be typically anticipated in the stabilized groundwater cone of depression. However, over the last decades, many sinkholes including a large one, 80 m in diameter and 30 m in depth, that occurred at a primary school in 2010 have formed in the dewatering zone, even though a series of treatments have been taken to prevent such karst hazards. To determine the dynamic mechanisms of the sinkhole formation in the dewatering zone, the Dachengqiao region was selected as a study site and high-frequency monitoring of groundwater–air pressures was performed in the underlying karst conduit system. The monitoring results showed very intense pressure changes in the dewatering zone with a maximum fluctuation of 54.72 m and a maximum instant fluctuation rate of 70.6 cm H₂O/min. The abrupt pressure changes are more likely caused by air blasting and soil collapse and can be a key factor triggering the sinkhole collapses.

抽象

中国湖南省煤炭坝矿自1982年以来已经发生数次岩溶陷落柱突水。炭坝矿自1955年开始疏水,至2014年已经形成面积达219.19km2的巨大水位降落漏斗。疏水诱发陷落柱垮塌形成于三种情形:疏水之初、地下水位降至基岩面以下之后和突水发生之时。稳定的水位漏斗无法预测陷落柱。然而,在几十年之后,仍在已经采取系列岩溶灾害预防措施的疏水区形成了众多岩溶陷落柱,其中包括2010年在一所小学附近形成的直径80m、深30m的巨大陷落柱。为研究疏水区陷落柱形成动力学机理,以大城桥区为研究点,高密度监测了下伏溶蚀孔洞的地下水-气压力。监测结果表明,疏水区水压力变化剧烈,最大瞬时涨落54.72m,最大瞬时起伏率70.6 cm H2O/min。溶蚀孔洞内气爆和土壤垮塌引起水压力突变,水压力突变诱发陷落柱垮塌。

Zusammenfassung

Der Meitanba Kohlenbergau in der Hunan Provinz, China, erfuhr seit 1982 schwere Karsteinbruchereignisse. Die seit 1955 laufende Bergbauentwässerung hatte einen Grundwasserabsenkungstrichter erzeugt, welcher im Jahr 2014 eine Fläche von 219.19 km2 umfasste. Die Mehrzahl der entwässerungsbedingten Einbruchtrichter entstanden unter drei Umständen: i) zu Beginn der Entwässerung; ii) wenn der Grundwasserspiegel unter die Oberfläche des anstehenden Festgesteins fiel; und ii) zur Zeit von Wassereinbrüchen. Einbrüche in dem stabilen Grundwasserabsenkungstrichter würden eigentlich nicht erwartet. In den letzten Dekaden entstanden jedoch in der Entwässerungszone viele Einbruchschlote, darunter ein grosser mit 80 m Durchmesser und 30 m Tiefe, welcher sich 2010 an einer Volksschule ereignete, obwohl eine Serie von Vorkehrungsmassnahmen getroffen worden waren. Um die dynamischen Mechanismen der Einbrüche in der Entwässerungszone zu erkunden, wurde die Dachengqiao Region als Untersuchungsgebiet ausgewählt; in dem unterlagernden Karsthöhlensystem wurde eine hochfrequente Überwachung von Grundwasser-Luftdruck ausgeführt. Dies ergab in der Entwässerungszone sehr hohe Druckveränderungen von maximal 54.72 m und eine maximalen Kurzzeitfluktuationsrate von 70.6 cm H2O/min. Die abrupten Druckschwankungen werden vermutlich durch Luftdruckwellen und Bodenkollaps verursacht, womit sie ein Schlüsselfaktor für das Auslösen der Schloteinbrüche sein können.

Resumen

La mina de carbón Meitanba en la provincia Hunan en China, ha experimentado severos accidentes de sumideros cársticos desde 1982. El desagote de la mina que comenzó en 1955 ha producido un cono de depresión de agua subterránea abarcando un área de 219,19 km2 a partir de 2014. La mayoría de los sumideros provocados por el desagote ocurrieron en tres ocasiones: al comienzo del desagote, en los momentos donde el nivel de agua subterránea cayó debajo de la superficie del lecho de rocas y en los momentos cuando ocurrieron las irrupciones de agua. Los sumideros no serían esperables en el cono de depresión estabilizado. No obstante, despues de las últimas décadas, se han formado, en el área de desagote, muchos sumideros incluyendo uno de 80 m en diámetro y 30 m en profundidad que ocurrió en una escuela primaria en 2010, aun cuando una serie de tratamientos habían sido hechos para prevenir tales accidentes. Para determinar los mecanismos de la formación de sumideros en la zona de desagote, se seleccionó la región Dachengqiao como una zona de estudio y se llevó a cabo un monitoreo de alta frecuencia de las presiones de agua subterránea-aire en el sistema de conducto cárstico subyacente. Los resultados del monitorio mostraron muy intensos cambios de presión en la zona de desagote con una fluctuación máxima de 54,72 m y una velocidad instántanea máxima de fluctuación de 70,6 cm H2O/min. Los cambios abruptos de presión son más probablemente causados por el chorro de aire y el colapso del suelo y pueden ser las claves que desencadenan los colapsos del sumidero.