萊州市某鐵礦采空區(qū)穩(wěn)定性評價

羅志波，曹朋軍，林 星

(天津市地球物理勘探中心，天津 300170)

地下金屬礦山開采在我國礦產(chǎn)開發(fā)中占有了相當?shù)谋戎兀瑸閲窠?jīng)濟發(fā)展提供重要保障，但也同時留下了大量的采空區(qū)[1]。尤其是在20世紀80年代，由于地下開采技術(shù)不成熟，出現(xiàn)了對礦產(chǎn)資源的不合理無序開采現(xiàn)象，使許多礦山遺留了大量未治理且情況不明的采空區(qū)[2-4]，并已成為我國隱蔽致災的主要原因之一[5-7]。近幾年，隨著國家及地方政府對民生地質(zhì)工作重視，也逐步加大了地下采空區(qū)勘查及治理工作。目前，對采空區(qū)問題的研究主要集中在采空區(qū)探測技術(shù)、采空區(qū)穩(wěn)定性評價、采空區(qū)治理及質(zhì)量檢測技術(shù)這4個方面[8]。其中探測技術(shù)是前提，治理是目標[9]，而采空區(qū)穩(wěn)定性評價則是采空區(qū)治理的依據(jù)，也是決定采空區(qū)處治方案的關(guān)鍵[10]，對礦山工程、安全及經(jīng)濟有效地開采都具有重要意義[11-12]。

萊州市某鐵礦采空區(qū)由淺孔房柱法地下開采所形成。前人結(jié)合以往基礎(chǔ)資料，通過地面調(diào)查、物探及鉆探等方法對其進行綜合勘查，基本查明該采空區(qū)分布范圍及特征。本研究基于其圈定的采空區(qū)范圍、分布特征及其場區(qū)地質(zhì)環(huán)境等，通過簡支梁理論及當量暴露面積法對其穩(wěn)定性做了進一步探討，旨在為后續(xù)治理提供科學依據(jù)。

1 場區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件

研究區(qū)位于膠東半島西北部，大地構(gòu)造位置處于華北地臺南緣膠北地體之膠北隆起區(qū)，沂沭斷裂帶東側(cè)[13](如圖1所示)。

圖1 研究區(qū)大地構(gòu)造位置Fig.1 Tectonic location of the study area1—第四系；2—牟平—即墨構(gòu)造混雜帶；3—膠東侵入巖變質(zhì)巖區(qū)；4—膠北隆起區(qū)；5—膠萊坳陷區(qū)；6—膠南隆起區(qū)；7—研究區(qū)

1.1 研究區(qū)地質(zhì)特征

研究區(qū)地處沿海平原，地勢平坦，海拔5.0～6.5 m，地表均第四系臨沂組(Qhl)所覆蓋。臨沂組主要由棕灰色黏土質(zhì)粉砂、灰黃色含礫粗砂、礫石等組成，為河流I級階地及高河漫灘上的一套河流沖積相碎屑沉積。根據(jù)探礦工程揭露，其下伏地層主要為古元古界粉子山群小宋組(Pt1x)二段地層，其產(chǎn)狀總體呈北東40°～60°走向，傾向北西，傾角約40°～70°。巖性主要有黑云變粒巖、石榴黑云斜長片麻巖、含石榴石斜長角閃片麻巖、黑云角閃片巖等。

1.2 礦體地質(zhì)特征

礦區(qū)鐵礦體(編號Ⅸ)位于第四系之下，賦礦層位為小宋組第二段。礦體呈透鏡狀、走向54°，傾向北西，傾角40°，長大于120 m，斜深大于100 m，厚1.9 m。根據(jù)礦山開采資料，目前該礦體已動用標高約-55 m以上鐵礦資源，進而形成了該地下采空區(qū)。

1.3 水文地質(zhì)、工程地質(zhì)特征

研究區(qū)含水層分為第四系松散巖孔隙含水層和基巖(變質(zhì)巖系)裂隙含水層2大類。第四系松散巖總體透水性、富水性均較強，下伏基巖因風化裂隙、構(gòu)造裂隙較為發(fā)育，基巖裂隙含水層也相對較為發(fā)育。項目區(qū)內(nèi)地下水位易受氣候、人工開采影響，波動較大，易于導致采空區(qū)及周圍地下水漏失。研究區(qū)巖土體分為第四系松軟沖洪積松散巖巖組和堅硬—半堅硬塊狀—層狀變質(zhì)巖巖組2大類。第四系(～15 m)及基巖風化層(15～35 m)厚度較大，加之斷裂構(gòu)造、地表人類工程活動的擾動，采空區(qū)上覆圍巖強度變?nèi)酢?/p>

綜上所述，研究區(qū)水文地質(zhì)條件總體較為復雜，工程地質(zhì)條件相對較差，易于加劇采空區(qū)塌陷和地面沉降可能。

2 采空區(qū)分布特征

采空區(qū)由地下鐵礦開采所形成，采礦方式為淺孔房柱采礦法，開采礦體為礦區(qū)Ⅸ礦體，開采深度約為45～60 m。綜合鉆探驗證工程、高密度電性異常圈定及采準巷道工程，圈定的采空區(qū)呈北東東向約55°矩形展布，空間上與Ⅸ鐵礦體分布相一致，其平面投影長約80 m，寬18～20 m，面積約1 496 m2，平均采高2.45 m，估算體積約3 665 m3(見圖2)。

采空區(qū)上覆圍巖工程地質(zhì)條件較差，部分地段頂板冒落發(fā)育。采空區(qū)開采深厚比、長跨比較小，頂板暴露面積較大，并且受地下水、人類工程活動擾動較大。另外，由于研究區(qū)北側(cè)采空塌陷發(fā)生，導致采空區(qū)內(nèi)充水明顯，井下已無法進入，采空區(qū)也一直處于封閉狀態(tài)。

3 采空區(qū)穩(wěn)定性分析

前人勘查工作對采空區(qū)頂板巖石進行鉆孔巖芯取樣，并做了相應的巖石力學試驗，其結(jié)果見表1。

采空區(qū)分布大致呈北東向矩形分布，采空區(qū)長跨比相對較小，產(chǎn)狀相對較緩，具一定規(guī)模頂板暴露面積，其鐵礦開采方式為淺孔房柱采礦法。根據(jù)采空區(qū)分布特征、開采方式，選用簡支梁理論及當量暴露面積法探討了采空區(qū)穩(wěn)定性。

圖2 鐵礦采空區(qū)綜合地質(zhì)圖 Fig.2 Comprehensive geological map of the mine-out area in iron mine1—第四系臨沂組；2—古元古界粉子山群小宋組；3— -45 m中段；4— -95 m中段；5—未見采空區(qū)鉆孔；6—已見采空區(qū)鉆孔；7—物探測線；8—鐵礦采空區(qū)范圍；9—Ⅸ礦體水平投影范圍表1 采空區(qū)頂板巖石物理力學性質(zhì)指標Table 1 Rock physico-mechanical indexes of the mine-out area’s roof

巖樣編號平均密度/(g·cm-3)飽和單軸抗壓強度/MPa飽和單軸抗拉強度/MPa抗剪強度指標c/MPaφ/(o)取樣深度/m巖樣名稱YS0137.03.0951.85.0724.25.682.3746.4858.00～64.00黑云角閃斜長片麻巖YS0249.73.9728.74.1252.95.3410.31 53.28 42.00～44.00斜長角閃片麻巖YS032.9877.43.2176.84.0163.62.828.8341.2838.00黑云變粒巖YS042.98102.33.6285.75.3973.54.3111.3641.2353.00黑云角閃片麻巖

3.1 簡支梁理論計算

根據(jù)金屬礦山采空區(qū)失穩(wěn)性研究的類比分析，可將該鐵礦采空區(qū)頂板設計為礦房頂柱，通常礦柱間距等于頂板最大允許跨度。當充分開采時，采場頂板可假設為1組簡支梁，其受力可參考兩端簡支梁理論進行分析[14]。由于巖石的抗拉強度遠小于其抗壓強度，一般來說，巖石的抗壓強度約為抗拉強度的5～15倍，因此頂板的破壞主要是受拉應力達到巖石的允許拉應力而破壞。通過簡支梁理論可獲得頂板極限跨度下承受的拉應力σ，并與圍巖極限破壞條件下單軸抗拉強度σt對比，若σ<σt，則表明采空區(qū)頂板處于穩(wěn)定狀況，若σ>σt，則不穩(wěn)定。

當?shù)V塊布置沿礦體走向時，頂板處在極限跨度條件下，頂板巖梁中性軸下表面最大拉應力為[15-16]：

(1)

式中，σ為采空區(qū)頂板圍巖承受的拉應力，MPa；L為采空區(qū)跨度，m；h為采空區(qū)高度，m；γ為巖體容重，104N/m3。

根據(jù)圈定采空區(qū)分布特征，確定空區(qū)跨度L= 18 m，高度h= 2.45 m。巖體容重根據(jù)上覆不同圍巖密度取加權(quán)平均值確定。采空區(qū)上覆圍巖總體上可分為第四系松散巖、風化巖層和未風化巖層(粉子山群小宋組二段)，其中未風化巖層由實測巖石密度確定(2.98 g/cm3，見表1)，第四系松散巖和風化巖層分別取2.30 g/cm3、2.60 g/cm3。根據(jù)鉆孔工程基本確定松散巖厚度約15 m，風化巖25 m，未風化基巖5 m厚度，進行加權(quán)平均計算，獲得上覆圍巖平均密度為2.54 g/cm3，換算巖體容重γ= 2.54 × 9.8 × 103= 2.49 ×104N/m3。

代入式(1)可得采空區(qū)頂板圍巖承受拉應力為：

基于摩爾—庫倫準則，通過巖石力學試驗獲得的巖石黏聚力和內(nèi)摩擦角，可計算巖石單軸抗壓及抗拉強度，其公式為：

(2)

(3)

式中，σc為巖石單軸抗壓強度，MPa；σt為巖石單軸抗壓強度，MPa；c為巖石黏聚力，MPa；φ為巖石內(nèi)摩擦角，( °)。

根據(jù)《工程地質(zhì)勘察規(guī)范》DBJ50-043-2005第9.2.8有關(guān)規(guī)定[17]：“當巖體完整、較完整、較破碎時，巖體內(nèi)摩擦角標準值可由巖石內(nèi)摩擦角標準值根據(jù)巖體完整性乘以0.85～0.95的折減系數(shù)確定。完整取0.95，較完整取0.90，較破碎取0.85；巖體黏聚力標準值可由巖石黏聚力標準值乘以0.20～0.40(完整取0.40，較完整取0.30，較破碎取0.20)的折減系數(shù)確定。”本次鉆孔揭露表明采空區(qū)上覆巖石裂隙相對較為發(fā)育，巖石多不完整，因此在折算巖體內(nèi)摩擦角時取0.85折減系數(shù)，黏聚力取0.20。

根據(jù)表1巖石力學參數(shù)折減可得采空區(qū)上覆巖體黏聚力c= 2.01 MPa，內(nèi)摩擦角φ= 31°，代入式(3)可得采空區(qū)頂板單軸抗拉強度為：

另外，根據(jù)Hoek-Brown經(jīng)驗方程[18]，也可通過巖石單軸抗拉及抗壓強度確定巖體的單軸抗拉強度值[19-21]。其巖石與巖體破壞時主應力之間的關(guān)系為：

(4)

式中，σ1為巖石破壞時的最大主應力，MPa；σ3為作用在巖石試樣上的最小主應力，MPa；m、s為與巖體巖性及結(jié)構(gòu)面情況有關(guān)的參數(shù)。

若σ1= 0，可得巖體的單軸抗拉強度為：

(5)

本次力學測試樣品為完整巖塊試樣，巖性以變質(zhì)程度較高的片麻巖為主。根據(jù)Hoek-Brown提出的巖體質(zhì)量和經(jīng)驗常數(shù)[18-19]，m取值25.0，s取值1.0。

代入式(2)求得巖石單軸抗壓強度值為：

將σc值代入式(5)計算得出巖體單軸抗拉強度值σmc為：

=1.77 MPa <σ=2.47 MPa

從上可知，無論是通過折減系數(shù)換算，還是基于Hoek-Brown提出的經(jīng)驗取值換算，通過簡支梁理論計算獲得的采空區(qū)頂板承受拉應力強度均大于理論單軸抗拉強度。采空區(qū)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2 當量暴露面積法計算

在普通工程類比法中，與采場總暴露面積相對應使用的是礦巖最大允許暴露面積。張志文和張志敏以板裂結(jié)構(gòu)的巖體力學模型為基礎(chǔ)提出了當量暴露面積(Se)的概念[22]：

(6)

式中，a為采場短邊長度，m；k為采場短邊a與長邊b比值。并建立判別采場穩(wěn)定性的基本原則：當采場當量暴露面積Se大于礦巖極限暴露面積St，采場將處在不穩(wěn)定狀態(tài)；反之，采場將處在穩(wěn)定狀態(tài)[23-25]。

在運用當量暴露面積法進行采場穩(wěn)定性評價時，首先應根據(jù)礦巖穩(wěn)固性確定礦巖的極限暴露面積St，再利用式(6)計算出采場的當量暴露面積Se，進而判別。

該鐵礦采空區(qū)北側(cè)約280 m處，于2009年因盜采方式不當而引發(fā)采空區(qū)塌陷。該塌陷坑長約30 m，高約20 m。由于該采空區(qū)的上盤圍巖已全部暴露，因而可用縱垂直斷面尺寸為基礎(chǔ)，確定頂板礦巖極限暴露面積。因該空區(qū)基本處于平衡狀態(tài)，礦巖極限暴露面積就等于空區(qū)當量暴露面積，取a= 20 m，b= 30 m，k= 20 / 30 = 0.67。代入(6)得采場礦巖極限暴露面積為：

= 565 m2

采場當量暴露面積中取a= 18 m，b= 80 m，k= 18 / 80 = 0.23。代入(6)得采場當量暴露面積為：

= 750 m2

根據(jù)當量暴露面積判斷原則，Se>St，采空區(qū)處在不穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)論

1)基于前期勘查圈定的采空區(qū)范圍、分布特征等，運用簡支梁理論、當量暴露面積法對萊州市某鐵礦采空區(qū)進行了穩(wěn)定性分析，實測空區(qū)頂板承受的拉應力超出了巖體抗拉強度，頂板暴露面積也超出了礦巖極限暴露面積，表明該鐵礦采空區(qū)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

2)鐵礦采空區(qū)具有開采深厚比較小、長跨比較小、頂板暴露面積相對較大、頂板冒落發(fā)育等特點。加之上覆圍巖風化程度較高、基巖裂隙較為發(fā)育、人工灌溉頻繁、年內(nèi)降雨量變化較大、地表大型機械耕種影響，易于導致采空區(qū)上覆巖層失穩(wěn)發(fā)生變形破壞，進而引發(fā)采空塌陷及地裂縫等地質(zhì)災害。

3)綜合場區(qū)水文地質(zhì)、工程地質(zhì)條件，根據(jù)采空區(qū)穩(wěn)定性分析，該鐵礦采空區(qū)引發(fā)采空塌陷及地裂縫等地質(zhì)災害潛在危險性較高?？紤]采空區(qū)長時間封閉、空區(qū)積水、頂板冒落等因素，建議對該采空區(qū)進行注漿充填治理，并加強地面沉降及水平位移監(jiān)測工作，徹底消除災害隱患，保障區(qū)內(nèi)及周邊人民的生命和財產(chǎn)安全。