許昌鐵礦礦區(qū)地面塌陷成因分析

王軍強,胡繼華,王靈敏

(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)勘查院，鄭州 450002)

礦山地面塌陷是礦山在開采過程中產(chǎn)生的最主要的礦山地質(zhì)災(zāi)害之一 , 由于巖體物理力學性質(zhì)、地層結(jié)構(gòu)、礦體形態(tài)、賦存條件以及采礦方法等地面塌陷影響因素復雜多變，特別是對于具有斷裂構(gòu)造、地層與礦體產(chǎn)狀復雜變化的金屬礦床,其發(fā)生、發(fā)展過程具有隱蔽性和突發(fā)性等特點 ,不但能造成礦區(qū)地面塌陷 ,同時給礦山的建設(shè)和安全運營帶來嚴重影響。大批學者采用了各種方法對地下采空引發(fā)地面塌陷的成因機理、影響因素及防治對策進行了大量研究[1-6]。其中林丹以浙江省某巖溶礦區(qū)地面塌陷為例，研究其與礦坑排水的關(guān)系，研究表明，當?shù)V區(qū)排水量急劇增大時，巖溶水位大幅度下降，使得土洞中出現(xiàn)負壓、上覆土層所受浮托力降低、孔隙水與巖溶水補排關(guān)系改變，在多種效應(yīng)共同作用下，土洞最終形成地面塌陷[7]。黃健民等對廣州金沙洲巖溶地面塌陷進行了研究得出，斷裂構(gòu)造發(fā)育是金沙洲巖溶地面塌陷的內(nèi)在因素，高鐵隧道施工抽排地下水則是巖溶地面塌陷的直接誘發(fā)因素[8]。徐繼山等采用了多種勘探方法對邢臺市隆堯地裂縫發(fā)育特征及成因分析，研究表明斷裂活動是開裂的動力基礎(chǔ)， 地下水抽采、地表水入滲是開裂的重要因素[9]。彭捷研究了大砭窯煤礦在不同開采方式條件引發(fā)地面塌陷和地裂縫的展布規(guī)律，并對礦區(qū)進行了易發(fā)分區(qū)和危險性分區(qū)[10]。周春梅以大冶鐵礦東露天采場地面塌陷為例, 從采場地質(zhì)環(huán)境、礦體特征 、采礦方法、崩落角、地面塌陷形式等方面, 分析了地面塌陷的特征, 并探討了地面塌陷的形成規(guī)律[11]。

本文以許昌鐵礦礦山為例分析其地面塌陷成因。許昌鐵礦礦山建設(shè)期間礦區(qū)內(nèi)武莊村2013年曾發(fā)生過一起地面塌陷，并造成1人死亡的嚴重后果；2015年礦區(qū)內(nèi)又發(fā)生水泥道路突然發(fā)生崩裂錯斷，9處陷洞，部分房屋墻體產(chǎn)生裂縫[12]。本文通過對金屬礦山地面塌陷機理、塌陷區(qū)內(nèi)地層、礦床頂板及圍巖、水文地質(zhì)條件綜合進行分析 ,揭示了許昌鐵礦礦山地面塌陷的成因 ,為及時處理該礦山地面塌陷提供了技術(shù)支持。

1 礦區(qū)自然條件及地質(zhì)背景

許昌鐵礦位于許昌市建安區(qū)、長葛市、禹州市交界部位，為一大型鐵礦礦山，礦區(qū)氣候?qū)俦睖貛Ъ撅L氣候區(qū)，年降水量在671.1～736.0 mm，屬淮河流域，地表水系不發(fā)育，清潩河支流石梁河在礦區(qū)塌陷區(qū)武莊村南流過，是許昌鐵礦礦山排水的主要通道。塌陷區(qū)位于淮河沖積平原區(qū)，地形平坦、開闊，地面標高為90.1～91.9 m，總體地勢為西北高東南低。

礦區(qū)位于華北地臺二級構(gòu)造單元豫西斷塊與華北拗陷的鄰接部位，三級構(gòu)造單元的嵩箕臺隆東部傾伏端。地層巖性主要有太古宇登封群變粒巖、斜長角閃巖、斜長角閃片巖，新生界新近系砂巖、黏土巖，第四系中粗砂、細砂、粉細砂、粉砂、粉質(zhì)砂土、粉質(zhì)黏土及黏土。草廟張背斜是礦區(qū)內(nèi)的主導構(gòu)造，區(qū)內(nèi)斷裂以燕山期斷裂為主，主要斷裂有北東向和近南北向兩組。塌陷區(qū)及附近分布有9條斷層，其中F3、F4、F6、F7為正斷層，多呈東北-西南向分布，呈弱富水性狀態(tài)。F8、F9、F10、F11為逆斷層，呈南北向分布，均為壓扭性斷裂，裂隙面呈緊閉狀。構(gòu)造角礫已膠結(jié)成巖，富水性和透水性差，在-200 m以下揭露到的斷層帶基本干涸，可視為相對隔水斷層。

礦區(qū)內(nèi)地下水主要補給方式為大氣降雨，其次是季節(jié)性河流的入滲補給和泉水補給，地下水流向基本與地形一致，自西北流向東南，區(qū)內(nèi)地下水以巨厚松散孔隙潛水為主，水量較大，其次為寒武系巖溶裂隙水和變質(zhì)巖系的裂隙水，水量相對較小。

2 礦山開采基本特征

許昌鐵礦開采方式為地下開采、豎井開拓，設(shè)計采用分段空場事后充填采礦方法和房柱空場事后充填采礦法。開采規(guī)模為200×104t/a。礦山基本建設(shè)已完成，尚未進行正式生產(chǎn)，2014年9月至今礦山處于停滯狀態(tài)。

一期工程主工業(yè)廣場已建有主井、副井、北進風井、北回風井以及-200 m、-250 m水平巷道。主井井筒直徑 4.5 m，一期井深 492.5 m。副井井筒凈直徑6.5 m，井深532.5 m，為礦山主要進風井，分別與-200 m、-250 m、-300 m 中段水平及-327 m破碎硐室、 -350 m裝礦水平連通，形成完整的提升、運輸和通風系統(tǒng)。巷道工程現(xiàn)已施工有-200 m、-250 m水平巷道。

前期礦山由副井和北進風井兩處排水，每天抽水4次，總抽水時間16 h，兩處的平均排水量分別為30 m3/h，每天總排水量約1 440 m3/h；后期由于礦山停滯狀態(tài)，-200 m中段水平巷道的水集中于-250 m水平至-400 m集水倉，從副井排出，每天抽水2次，抽水總時間為12～16 h，平均排水量300 m3/h左右，每天排水量4 278 m3/d。

3 地面塌陷特征

礦區(qū)內(nèi)武莊村發(fā)生地面塌陷點11處(表1)，其中2013年3月發(fā)生1處，2015年7～8月間發(fā)生10處(含道路崩裂1處)，塌陷點及塌陷區(qū)分布情況見圖1。地面塌陷平面形態(tài)呈橢圓形、近圓形、串珠形、環(huán)狀線形，剖面形態(tài)呈圓柱形、圓錐形，形態(tài)特征表現(xiàn)為單一性和重復性。

表1 礦區(qū)地面塌陷特征一覽表

圖1 礦區(qū)塌陷區(qū)及礦井巷道分布圖

4 地面塌陷機理及成因分析

4.1 地面塌陷機理分析

許昌鐵礦地下開采引發(fā)的各種地面塌陷現(xiàn)象，是由于礦山地下開采形成采空區(qū)，采空區(qū)上覆巖體在自重和上覆巖土體的壓力作用下，產(chǎn)生向下的彎曲與移動，當頂板巖層內(nèi)部形成的拉應(yīng)力超過巖層的抗拉強度極限時，直接頂板發(fā)生斷裂、跨塌、冒落，隨后上覆巖層相繼向下彎曲、移動，隨著采空范圍的擴大，受擾動發(fā)生彎曲、移動的巖層也不斷擴大，從而在地表形成塌陷。在緩傾條件下的上覆巖土體大致可形成3個帶，即冒落帶、裂隙帶和彎曲變形帶[13]。

表2 地面塌陷與礦體關(guān)系

許昌鐵礦地下開采必然引起其頂板或圍巖巖層變形與移動，頂板或圍巖變形速度、影響范圍、發(fā)生與發(fā)展時間受眾多因素的影響，如采礦方法、礦體賦存條件(地質(zhì)條件、巖土物理力學性質(zhì)、礦層傾角)、開采的深度、厚度、寬度、采場結(jié)構(gòu)尺寸、開采速度和順序，以及開采的時空關(guān)系等[11]，本文地面塌陷的形式與礦體距地表的埋深及礦體的厚度的關(guān)系如表2。

4.2 地面塌陷成因分析

4.2.1 新生界蓋層

礦區(qū)新生界包括第四系、新近系，總厚190～280 m，與下伏太古界地層不整合接觸。地層巖性主要為：第四系松散沉積粉土、粉質(zhì)黏土、鈣質(zhì)結(jié)核層、砂層，厚度62～85 m；新近系微-弱膠結(jié)粉細砂巖、中粗砂巖、黏土巖等，砂巖呈微-弱膠結(jié)狀態(tài)，厚度120～210 m。

根據(jù)有關(guān)研究資料 ,均一的黏土抗塌性能相對較好 ,而二層或多層結(jié)構(gòu)最易產(chǎn)生塌陷。 而礦區(qū)新生界蓋層土體結(jié)構(gòu)為多層結(jié)構(gòu)，從蓋層土體的結(jié)構(gòu)分析，礦區(qū)范圍內(nèi)易產(chǎn)生地表塌陷。物探成果表明，在地表塌陷下方，-40 m、-80 m兩個深度出現(xiàn)了明顯的視電阻率低阻異常，印證了中下部塌陷的存在。

松散的第四系地層與微-弱膠結(jié)新近系地層多層結(jié)構(gòu)有利于地面塌陷的形成。

4.2.2 礦床頂板及圍巖

許昌鐵礦產(chǎn)于太古界登封群變質(zhì)巖中 , 礦體與圍巖巖性過渡漸變關(guān)系，經(jīng)歷了多期地質(zhì)運動，對礦區(qū)地層的影響以燕山期地質(zhì)運動最為顯著，使得礦體頂板、圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育較強，導致其抗壓、抗拉強度降低，表現(xiàn)為頂板及圍巖斜長角閃巖、變粒巖變異性很大，部分巖石抗壓強度遠低于正常巖石(見表3)。

表3 礦床頂板及圍巖巖石力學強度表

4.2.3 冒落帶、導水裂隙帶

依據(jù)《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》(GB12719-91)附錄冒落帶、導水裂隙帶最大高度經(jīng)驗公式表，利用許昌鐵礦塌陷區(qū)附近ZK310、ZK312′、ZK313′鉆孔礦層厚度估算的冒落帶、導水裂隙帶的最大高度(巖石飽和單軸極限抗壓強度取30 MPa)。

冒落帶最大高度計算公式：

Hc=(3～4)M

導水裂隙帶最大高度計算公式：

Hf=(100M/3.3n+3.8)+5.1

估算結(jié)果見表表4。由表可知許昌鐵礦利用3個鉆孔估算的冒落帶最大高度分別為30.8 m、55.3 m、70.4 m;導水裂隙帶最大高度分別為124.8 m 、82.6 m 、75.8 m。礦床部分地段冒落帶估算的最大高度會超出礦層頂板基巖的厚度，從而影響到新生界地層；而導水裂隙帶估算的最大高度也同樣影響到新生界地層中。調(diào)查發(fā)現(xiàn)巷(坑)道巖石節(jié)理裂隙密集發(fā)育，易軟化，且巷(坑)道內(nèi)已發(fā)生巖石冒落、片幫現(xiàn)象多處[12](圖2)。

表4 冒落帶及導水裂隙帶最大高度估算表

圖2 塌陷區(qū)A-A′剖面圖

4.2.4 礦坑排水

許昌鐵礦礦山排水量由2013年的排水量1 440 m3/d遞增到4 278 m3/d，增加了近3倍。地下巷道水溫測量和水質(zhì)檢測表明，巷道坍塌處水溫降低，基巖地層中地下水與新生界蓋層地下水發(fā)生混合，巷道坍塌處的水與上部水系出現(xiàn)連通。

礦坑排水過程中，由于巷道頂板巖石變質(zhì)程度高，巖體破碎，加之距離松散層孔隙含水層很近，滲透水壓力大，造成巷道多次坍塌冒頂，礦山坑道坍塌形成冒落帶，導水裂隙帶溝通上覆新生界含水地層構(gòu)成彎曲帶，土體發(fā)生變形或錯斷或通過隔水層“天窗”，新生界含水層的孔隙水沿錯斷部位或通過隔水層“天窗”向?qū)严稁н\移，造成坑道冒落帶出水事故。地下水在運動過程中，將含水層中的一部分細粒物質(zhì)帶走，使土體內(nèi)部逐漸形成空洞，并向上部呈串珠狀發(fā)展，遇放炮震動，土體產(chǎn)生液化，這種空洞會進一步擴大。當空洞達到一定規(guī)模時，傳導至地表形成開采塌陷或陷洞。

礦坑排水量的增加是礦區(qū)地面塌陷或陷洞形成的主導因素。

5 地面塌陷防治對策

在地面塌陷成因機理及其影響因素綜合分析的基礎(chǔ)上，針對本礦山地面塌陷提出如下防治對策：

(1) 塌陷區(qū)居民搬遷避讓

塌陷區(qū)居民處于地質(zhì)災(zāi)害危險性較大區(qū)域，在礦山開采的前提下，搬遷避讓是減輕地面塌陷災(zāi)害的最佳選擇。

(2) 加強礦山安全管理

當?shù)卣拖嚓P(guān)主管部門應(yīng)按國家和省有關(guān)規(guī)定加強對礦山企業(yè)的生產(chǎn)安全檢查、督查管理，了解礦山安全生產(chǎn)動態(tài)，對出現(xiàn)礦山開采突發(fā)的安全事件及時處理、查明原因、跟蹤督辦。

(3) 嚴格礦山設(shè)計施工

武莊礦床礦山建設(shè)實踐表明，礦床地質(zhì)結(jié)構(gòu)復雜，圍巖巖石破碎，頂板冒落現(xiàn)象時有發(fā)生，與上部含水層溝通，已造成地面變形及地面塌陷，威脅地面村莊、道路和農(nóng)田。礦山企業(yè)應(yīng)加強礦床圍巖的管理，針對礦山基本建設(shè)期間和采礦過程中暴露的地質(zhì)環(huán)境問題，采取相應(yīng)的措施，做到安全生產(chǎn)，防止類似事件發(fā)生。與國內(nèi)知名的礦山研究機構(gòu)建立咨詢平臺，吸收國內(nèi)外類似礦山的施工管理經(jīng)驗，注重地表塌陷致災(zāi)機理及地壓災(zāi)害影響性綜合分析及礦山回采順序優(yōu)化及采礦方法的研究，進一步完善礦山采空區(qū)充填技術(shù)施工方案。

(4) 做好礦山監(jiān)測工作

礦山企業(yè)按礦山地質(zhì)環(huán)境保護與恢復治理方案、土地復墾方案盡快地實施監(jiān)測工作，對地面塌陷、地面變形、地裂縫、地下水位、礦山排水、井下巷(坑)道坍塌、突水、水質(zhì)、水溫、水土污染、土地壓占破壞等進行監(jiān)測，及時掌握礦山開采時序與地質(zhì)環(huán)境變化關(guān)系，指導礦山科學管理與決策。

(5) 建立預(yù)警機制

在當?shù)卣椭鞴懿块T的領(lǐng)導下，配合礦山建立礦山預(yù)警機制，編制礦山地質(zhì)環(huán)境突發(fā)事件應(yīng)急方案，專人負責，責任到人，建立以村級為主體的地面塌陷監(jiān)測小組，對出現(xiàn)的突發(fā)地質(zhì)環(huán)境問題及時逐級上報[12]。

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