樟村坪國家礦山公園采空區(qū)穩(wěn)定性研究

郭 峰, 王水華, 蔣新洪, 渠 婧

(1.湖北省地質(zhì)局 水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊,湖北 宜昌 443000; 2.湖北省地質(zhì)局 第八地質(zhì)大隊,湖北 襄陽 441002)

樟村坪國家礦山公園采空區(qū)穩(wěn)定性研究

郭 峰1, 王水華1, 蔣新洪2, 渠 婧2

(1.湖北省地質(zhì)局 水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊,湖北 宜昌 443000; 2.湖北省地質(zhì)局 第八地質(zhì)大隊,湖北 襄陽 441002)

樟村坪國家礦山公園為全國首家磷礦國家礦山公園,園區(qū)已形成大面積采空區(qū),采空區(qū)冒落形成多處地質(zhì)災(zāi)害。通過研究分析區(qū)內(nèi)采空區(qū)及地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育分布特征與形成條件,運用FLAC/FLAC3D數(shù)值模擬方法對采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行研究,并有針對性地提出防治措施建議,對樟村坪國家礦山公園建設(shè)及類似礦山防災(zāi)減災(zāi)具有現(xiàn)實意義。

采空區(qū);穩(wěn)定性;礦山公園

樟村坪國家礦山公園所在的湖北昌達(dá)化工有限責(zé)任公司樟村坪磷礦位于樟村坪礦區(qū)Ⅲ礦段,毗鄰樟村坪集鎮(zhèn),礦區(qū)面積2.107 9 km2,是宜昌磷礦開發(fā)最早的礦區(qū)之一。2005年以來,因面臨資源枯竭,主要以回采為主,同時對原采空區(qū)進(jìn)行部分礦柱置換,截至2011年12月底,累計出礦5 869.6 kt。2013年,湖北昌達(dá)化工有限責(zé)任公司宜昌樟村坪磷礦獲批國家礦山公園。

湖北昌達(dá)化工有限責(zé)任公司宜昌樟村坪磷礦區(qū)已形成大面積采空區(qū),面積約129.7×104m2[1],占礦山總面積62%。采空區(qū)冒落導(dǎo)致礦區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害活動日漸頻繁,因該礦山毗鄰樟村坪集鎮(zhèn),采空冒落型地質(zhì)災(zāi)害不僅危及礦山安全生產(chǎn),還影響國家礦山公園旅游產(chǎn)業(yè)規(guī)模的提升,對樟村坪集鎮(zhèn)的生態(tài)、環(huán)境退化也有加劇趨勢,危害性與潛在威脅巨大。因此,通過研究分析區(qū)內(nèi)采空區(qū)及地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育分布特征與形成條件,提出有針對性的防治措施建議,對國家礦山公園開發(fā)利用及同類礦山防災(zāi)減災(zāi)具有現(xiàn)實意義。

1 區(qū)域地質(zhì)背景及開采歷史

1.1 地形地貌

區(qū)內(nèi)地貌類型屬黃陵背斜東翼單斜構(gòu)造侵蝕溶蝕中低山區(qū)。區(qū)內(nèi)地勢北西向南東逐步降低,制高點老君坐高程1 252 m,最低點樟村坪集鎮(zhèn)高程894 m,最大高差258 m。本區(qū)為黃柏河?xùn)|支的源頭——黃馬河發(fā)源地之一。西側(cè)坡陡東側(cè)斜坡稍緩,坡體中、上部震旦系上統(tǒng)燈影組白云巖出露區(qū)多為高陡絕壁、奇峰林立,坡體中下部陡山沱組炭質(zhì)微晶白云巖、炭質(zhì)頁巖出露區(qū)多構(gòu)成緩坡。具體地形參見圖1。

圖1 樟村坪礦段地形立體圖Fig.1 Topographic stereogram of Zhangcunping ore section

1.2 地層巖性

礦區(qū)出露地層由老至新為:震旦系陡山沱組(Z1d)巖性為微晶白云巖、含碳質(zhì)微晶白云巖,夾薄層泥質(zhì)白云巖、含磷礦層,礦體厚度平均3～4 m。震旦系燈影組(Z2dn)巖性為白云巖、硅質(zhì)白云巖、白云質(zhì)磷塊巖、泥質(zhì)白云巖及角礫狀白云巖組成。

圖2 樟村坪礦山公園采空區(qū)及地質(zhì)災(zāi)害分布圖Fig.2 Distribution map of goafs and geological disasters in Zhangcunping mine park1.礦山公園范圍;2.礦柱;3.礦層露頭線;4.地下井巷及編號;5.采空區(qū)礦柱、頂板、底鼓集中區(qū);6.采空區(qū)界線;7.地面塌陷及編號;8.危巖及編號;9.地裂縫及編號。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

礦區(qū)為一平緩的單斜構(gòu)造,走向近南北,傾向東,傾角5°～15°,平均8°,褶皺不發(fā)育。本區(qū)段主要斷層有8條,其中落差>20 m的有2條,按走向大體可分為北西向及北東向兩組,以北西向斷層為主。對礦區(qū)有影響的主要為樟村坪斷裂(F1),為正斷層,通過礦區(qū)南部邊緣,構(gòu)成礦段南界。斷層走向110°～290°,延伸1 000 m,傾向20°,傾角52°～62°;斷層下盤為崆嶺群變質(zhì)巖,上盤為陡山沱組;該斷層破碎帶一般為8～32 m,向深部變寬,斷裂帶發(fā)育碎裂巖、破碎巖塊,并見混合花崗巖的角礫等。

1.4 礦床地質(zhì)特征

1.5 水文地質(zhì)條件

區(qū)內(nèi)地下水類型主要為碳酸鹽巖裂隙溶隙水。磷礦層賦存于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面以上,由于礦段四周被溝溪切割較深,地表水和礦段地下水無水力聯(lián)系。地下水主要接受大氣降水補給,丁家河為區(qū)內(nèi)主要供水水源地。

1.6 礦山開采歷史及現(xiàn)狀

1966—1968年原湖北省地質(zhì)局第九地質(zhì)大隊即對樟村坪礦區(qū)進(jìn)行了普查和勘探,上世紀(jì)70年代有多家鄉(xiāng)鎮(zhèn)礦山開采;在80年代,由原化工部與湖北省政府共同投資6 648萬元興建湖北省宜昌樟村坪磷礦,2003年企業(yè)改制轉(zhuǎn)為民營,更名為湖北昌達(dá)化工有限責(zé)任公司樟村坪磷礦。

樟村坪磷礦采用地下開采方式,為房柱法和全面法回采,整個礦段布設(shè)有1 028、1 010、 987和904四個中段及1 050副中段。該礦山已形成大面積采空區(qū),總面積約129.7×104m2,此外鄰近磷礦企業(yè)在礦體北側(cè)和東側(cè)附近也形成約50×104m2的采空區(qū)面積。這些采空區(qū)基本都未加處理,依賴預(yù)留的礦柱來維持采空區(qū)的穩(wěn)定,但采空區(qū)內(nèi)預(yù)留的保安礦柱、點柱和條形礦柱曾遭受嚴(yán)重的盜采,使采空區(qū)礦柱系統(tǒng)的支撐能力削弱。大面積采空區(qū)分布對井下工作人員、設(shè)備和規(guī)劃中的國家礦山公園安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。

2 采空區(qū)及地質(zhì)災(zāi)害分布

2.1 采空區(qū)分布及變形特征

湖北昌達(dá)化工有限責(zé)任公司樟村坪磷礦已分別對1 028 m、1 010 m、987 m、984 m、982 m、981 m、980 m等標(biāo)高中段進(jìn)行開采,其中1 028中段、1 010中段、987中段已經(jīng)閉坑,已在礦山西部形成一個約71×104m2的采空區(qū),部分已塌陷;東部及東南部形成一個長條狀約41.3×104m2的采空區(qū),地表已開裂,局部已塌陷。全礦主巷道已深達(dá)1 600 m,采空區(qū)總面積達(dá)112.3×104m2。2008年以后,礦山生產(chǎn)以規(guī)?；夭蔀橹?同時對原采空區(qū)進(jìn)行部分礦柱置換,生產(chǎn)中段主要為984中段、983中段、982中段、981中段、980中段。西南角原設(shè)計預(yù)留的陡巖山坡及民房保安礦柱亦已部分開采。截至2011年12月底,礦山已形成總面積約129.7×104m2采空區(qū)(圖2),全礦備采礦量已形成,已至生產(chǎn)尾期。

井下采空區(qū)調(diào)查顯示,井下的頂板穩(wěn)定狀況、礦柱完整情況整體上呈現(xiàn)出從北到南趨好的現(xiàn)象。在1 028中段280～284、1 010中段100～105、1 010中段106～109與987中段875～877之間的雙包至T3#古裂縫區(qū)域頂板局部已冒落,冒落區(qū)邊緣部分尚未接頂,冒落體塊度大小不一,冒落區(qū)附近礦柱片落嚴(yán)重,如照片1所示。109、877以北(雙包一帶)及南側(cè)984采場1#、2#溜井附近分別出現(xiàn)礦柱壓裂、頂板顯著下沉,底鼓現(xiàn)象,礦柱受力變形破壞以受壓劈裂方式為主(照片2),破壞礦柱表層出現(xiàn)縱向裂縫并側(cè)鼓、剝離,此外部分礦柱變形破壞呈剪切方式(照片3),絕大多數(shù)破壞的礦柱并未完全壓潰或剪斷,仍有部分支撐能力,少量破壞礦柱由于留設(shè)尺寸偏小,在重力作用下已完全失去承載能力;空區(qū)內(nèi)出現(xiàn)底鼓的地點較少,底鼓開裂延伸長度也僅為2 m左右(照片4);頂板下沉現(xiàn)象較普遍,空區(qū)內(nèi)很多信號柱被壓彎、折斷,所設(shè)置的木滑尺也紀(jì)錄了一定的變形量(照片5),表明頂板圍巖由于采場開挖的卸荷回彈或受力產(chǎn)生了彎曲變形。

照片2 礦柱受壓劈裂破壞Photo 2 Splitting failure of pillar under compression

以上變形現(xiàn)象表明該區(qū)域采空區(qū)有顯著的地壓活動。從282中部、104、874～870往南胡家屋場一帶,采空區(qū)的整體穩(wěn)定性較好,空區(qū)內(nèi)礦柱分布不均勻,局部最大跨度達(dá)80～100 m,礦柱尺寸普遍為3 m×3.5 m、4 m×4 m、4 m×5 m點柱,連續(xù)礦壁很少,也有1～2 m寬的小礦柱,礦柱間最大間距一般為11～14.5 m,雖有個別礦柱破壞現(xiàn)象,但所占比例較小。在1 028中段預(yù)留的保安礦柱目前已被部分回采,邊緣的連續(xù)礦柱厚度顯著減小,回采區(qū)段多為點柱,但穩(wěn)定性較好,礦柱完好。

照片3 礦柱受壓剪切破壞Photo 3 Shear failure of pillar under compression

照片4 采場底板底鼓現(xiàn)象Photo 4 Floor heave of stope floor

照片5 采空區(qū)頂板下沉Photo 5 Roof subsidence in goafs

2.2 地質(zhì)災(zāi)害分布特征

長期采礦使樟村坪國家礦山公園區(qū)內(nèi)形成129.7×104m2的采空區(qū),引起地表山體變形開裂,形成地面塌陷及崩塌(危巖、滾石),破壞森林植被和耕地,嚴(yán)重威脅采空區(qū)地表及樟村坪集鎮(zhèn)人民生命財產(chǎn)安全。區(qū)內(nèi)共分布各類地質(zhì)災(zāi)害7處[2],其中地面塌陷(地裂縫)5處、危巖2處(表1)。

區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害形成的直接原因為采礦形成大面積的采空區(qū),主要動力來源于礦層頂板重力及雨水入滲。受毗鄰樟村坪斷裂影響,礦區(qū)巖層中高角度構(gòu)造裂隙發(fā)育,礦層頂板較薄,頂板由薄層狀的脆性巖體構(gòu)成,頂板的巖層被切割呈塊狀,完整性較差。采礦后采空區(qū)上部山體應(yīng)力重新調(diào)整及雨水的入滲加載,使頂板逐漸破壞從而產(chǎn)生塌落,因頂板薄而在地表形成地裂縫、塌陷坑及危巖體,地表變形區(qū)大致沿著淺層采空區(qū)或淺層井巷發(fā)育。如雙包地裂縫(危巖)、T3#古裂縫及羅家屋場危巖即位于1 010中段106～109與987中段875～877之間的早期采空區(qū)上部山體,據(jù)井下采空區(qū)調(diào)查資料,該區(qū)段采空區(qū)普遍存在礦柱壓裂、頂板顯著下沉、底鼓現(xiàn)象,該段地表羅家屋場、邊家屋場一帶也產(chǎn)生了地面塌陷(照片6、照片7)。

表1 樟村坪國家礦山公園地質(zhì)災(zāi)害基本特征一覽表Table 1 List of characteristics of geological disasters in Zhangcunping national mine park

照片6 羅家屋場地面塌陷導(dǎo)致房屋倒塌Photo 6 Building collapses caused by ground collapse in Luojiawuchang

照片7 邊家屋場地面塌陷導(dǎo)致地坪開裂Photo 7 Floor cracks caused by ground collapse in Bianjiawuchang

3 采空區(qū)穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

3.1 分析方法

本次運用數(shù)值模擬的方法對昌達(dá)樟村坪磷礦采空區(qū)進(jìn)行研究。FLAC/FLAC3D分析軟件適合于連續(xù)巖土介質(zhì)和巖土結(jié)構(gòu)工程問題的求解。該程序建立在拉格朗日算法基礎(chǔ)上,適合模擬大變形和扭曲。FLAC/FLAC3D采用顯式算法來獲得模型全部運動方程(包括內(nèi)變量)的時間步長解,從而可以追蹤材料的漸進(jìn)破壞和垮落。

3.2 計算幾何模型及邊界條件

計算模型[3]選取垂直于走向的一段山體進(jìn)行三維模擬計算,計算軟件采用FLAC3D。三維計算模型在水平方向的長×寬尺寸為:408 m×152 m。模型的寬度方向為礦體的走向方向,長度方向為礦體傾向方向,模型高度范圍為標(biāo)高900 m至地表。

計算模型共劃分為92 550個六面體單元,98 952個節(jié)點。計算模型的幾何形態(tài)及單元劃分如圖3所示。計算模型中的礦柱及間距,有實測數(shù)據(jù)的按實際尺寸處理,對于沒有實測數(shù)據(jù)的則按礦山標(biāo)準(zhǔn)采礦方法設(shè)計參數(shù)確定。

計算模型中,上部邊界自由;左、右邊界的水平位移固定約束,垂直位移不約束;底部邊界的垂直位移固定約束。本構(gòu)模型采用Mohr-Columb彈塑性模型。

圖3 三維數(shù)值模型Fig.3 Three-dimensional numerical model

3.3 巖體力學(xué)參數(shù)與初始應(yīng)力場

力學(xué)參數(shù)依據(jù)長沙礦冶研究院提供的湖北宜昌磷礦巖石力學(xué)參數(shù)測定報告,并采用工程地質(zhì)類比法,借鑒類似礦區(qū)所得到的巖石力學(xué)參數(shù)來獲得,初始應(yīng)力場按自重應(yīng)力場計算。具體計算參數(shù)參見表2,表中的體積模量和剪切模型按照下式得出:

K= (1)

數(shù)值模擬計算中,以壓應(yīng)力為負(fù),拉應(yīng)力為正。

3.4 計算結(jié)果

數(shù)值模擬計算根據(jù)采空區(qū)條件,分別設(shè)定多種工況計算,現(xiàn)分述如下:

3.4.1 當(dāng)前工況

在當(dāng)前開挖情況下,巖體最大變形區(qū)位于采空區(qū)頂面,隨高度增加位移減小,山體西側(cè)位移量大于東側(cè),在西側(cè)坡面下部位移較大。應(yīng)力變化分布較均勻,在最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在不規(guī)則礦柱分布的采空區(qū)區(qū)域,最大拉應(yīng)力基本上沿著開挖層的底板分布(圖4)。底板和部分礦柱產(chǎn)生受拉和剪切屈服,屈服礦柱占總礦柱的10%左右,主要集中在山峰的下方,與該位置承受的巖體自重壓力較大有關(guān),頂板也出現(xiàn)有零星的剪切屈服區(qū),但分布較分散。地表水平最大位移出現(xiàn)在山峰處,地表水平位移規(guī)律基本上是山峰左側(cè)往左位移,山峰右側(cè)往右位移。

圖4 當(dāng)前工況下山體位移等值線圖Fig.4 Contour map of the mountain displacement at the present condition

由上可見,在當(dāng)前工況下,采空區(qū)及山體整體是穩(wěn)定的,但頂板、礦柱和底板均出現(xiàn)屈服破壞區(qū),表明其穩(wěn)定狀態(tài)正逐步向臨界狀態(tài)轉(zhuǎn)化。

3.4.2 礦柱破壞工況

為了預(yù)測隨著采空區(qū)礦柱的破壞,采空區(qū)圍巖力學(xué)狀態(tài)狀況和變化趨勢,分別計算了在礦柱有10%、30%破壞和局部礦柱全部垮塌等情況下的變化。

隨著礦柱的減少,山體整體位移值呈增加趨勢,開采空間的屈服面積在逐漸增大,具體表現(xiàn)為礦柱部分主要是剪切破壞,底板和頂板表現(xiàn)為張拉破壞。當(dāng)目前礦柱破壞的數(shù)量達(dá)到30%后,頂板的張拉屈服區(qū)顯著增加(圖5),同時底板和礦柱會出現(xiàn)連片的大面積屈服破壞,因此當(dāng)?shù)V柱破壞數(shù)量超過20%后采空區(qū)穩(wěn)定性狀態(tài)將可能嚴(yán)重惡化。在現(xiàn)有條件下,若采空區(qū)出現(xiàn)局部一定范圍內(nèi)礦柱全部破壞失效的情況,該區(qū)域的頂、底板位移量呈扇形分布形式增加,顯著增加的范圍集中在附近有限的區(qū)域內(nèi),頂板產(chǎn)生應(yīng)力集中。四周的礦柱和底板出現(xiàn)屈服。

圖5 礦柱破壞30%時整體位移分布圖Fig.5 Overall displacement distribution map when the pillar is destroyed by 30%

3.4.3 礦柱力學(xué)性能削弱工況

為了研究礦柱經(jīng)過長期的風(fēng)化、蠕變、爆破震動、人為破壞等自然和人為因素的作用,力學(xué)特性弱化引起的采空區(qū)穩(wěn)定性狀態(tài)的變化,計算了該工況下,采空區(qū)圍巖位移、應(yīng)力變化特征。計算結(jié)果顯示,在礦柱的力學(xué)性能逐漸削弱下降過程中,如采空區(qū)圍巖屈服破壞區(qū)域顯著增加(圖6),礦柱幾乎完全屈服,位移量顯著增加,可能導(dǎo)致頂板的冒頂、垮落。說明大規(guī)模采空區(qū)經(jīng)過長期的弱化,必然導(dǎo)致破壞,所以在采空區(qū)治理中,采用加固支撐方法長久維護空區(qū)穩(wěn)定是不可取的。

圖6 礦柱力學(xué)性能降低后整體位移圖Fig.6 Overall displacement map after the reduction of mechanical properties of the pillar

4 采空區(qū)治理方法建議

采空區(qū)處理通常采用封閉、崩落、加固和充填四種方法,有時也聯(lián)合使用這幾種方法。

樟村坪磷礦現(xiàn)有空區(qū)體積約260×104m3,采用充填治理經(jīng)濟性差、組織實施復(fù)雜、周期長,在現(xiàn)有條件下,實施難度較大。采用加固支撐措施,工程量較大,只能起到減緩?fù)七t頂板冒落時間的作用,安全性較差。

采用強制崩落法處理采空區(qū),其結(jié)果對礦山公園而言具有不可控性。故均在樟村坪礦不適用。

樟村坪磷礦已批準(zhǔn)建設(shè)成為礦山公園,在保證采空區(qū)不影響到旅游和周邊環(huán)境安全的前提下,采用自然崩落法與封堵相結(jié)合的方法比較符合礦山當(dāng)前的實際情況。

5 結(jié)語

(1) 區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育、分布受井下采空區(qū)頂板穩(wěn)定狀況、礦柱完整情況影響明顯。地面塌陷區(qū)大致沿著淺層采空區(qū)或淺層井巷發(fā)育,變形區(qū)段采空區(qū)普遍存在礦柱壓裂、頂板顯著下沉、底鼓現(xiàn)象,其地表山體形成多處開裂、危巖。

(2) 利用地形圖、采空區(qū)及地質(zhì)災(zāi)害的分布資料,結(jié)合FLAC3D分析技術(shù),建立了三維數(shù)值模型。通過模擬顯示,在當(dāng)前工況下,采空區(qū)及山體整體是穩(wěn)定的;若采空區(qū)礦柱破壞加劇及礦柱力學(xué)性能削弱,采空區(qū)穩(wěn)定性狀態(tài)將可能惡化。

(3) 樟村坪國家礦山公園目前已啟動實施一期建設(shè)——礦山地質(zhì)環(huán)境治理。采空區(qū)穩(wěn)定性研究為下一步劃分治理區(qū)域,結(jié)合礦山公園規(guī)劃因區(qū)施策具有指導(dǎo)意義。

[1] 呂小虎.湖北省宜昌磷礦樟村坪礦區(qū)Ⅲ礦段2011年度資源儲量報告[R].宜昌:湖北昌達(dá)化工有限責(zé)任公司,2012.

[2] 郭峰,馬振,閻巍.宜昌市夷陵區(qū)地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查報告[R].武漢:湖北省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院,2016.

[3] 汪曉霖.湖北昌達(dá)化工有限責(zé)任公司宜昌樟村坪磷礦井下采空區(qū)治理方案[R].武漢:中鋼集團武漢安全環(huán)保研究院,2006.

Study on the Stability of Goaf in Zhangcunping National Mine Park

GUO Feng1, WANG Shuihua1, JIANG Xinhong2, QU Jing2

(1.HubeiInstituteofHydrogeologyandEngineeringGeology,Yichang,Hubei443000; 2.EighthGeologicalBrigadeofHubeiGeologicalBureau,Xiangyang,Hubei441002)

Zhangcunping national mine park is the first phosphate park in China with widespread goafs.There are many geological disasters formed in collapsed goafs.In the study of goafs,through research on development and distribution characteristics and formation conditions of goafs and geological disasters in the study area,some targeted prevention measures are put forward using numerical simulation,which have important practical significance to development and utilization of national mine parks and disaster prevention and reduction in related mine.

mine park; goaf; stability

TD853.391+.2

A

1671-1211(2017)06-0746-06

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.06.015

2017-08-21;改回日期2017-09-25

郭峰(1971-),男,高級工程師,水文地質(zhì)與工程地質(zhì)專業(yè),從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)勘查、調(diào)查、設(shè)計工作。E-mail:582404490@qq.com

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.P.20171027.0937.004.html數(shù)字出版日期2017-10-27 09:37

李雯)