廢棄鐵礦老采空區(qū)賦存特征及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

郝杰, 孫雅飛, 胡小輝, 高雋, 李海濤, 王海龍,2,3*

(1.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局八○一水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì), 濟(jì)南 250014; 2. 臨沂大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院, 臨沂 276000; 3. 深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100083)

鐵礦石的穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)是推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支撐,同時(shí),也形成了大量的采空區(qū),成為潛在的災(zāi)害源,地表塌陷事件時(shí)有發(fā)生,嚴(yán)重威脅人民的生命財(cái)產(chǎn)安全[1-4],采空區(qū)穩(wěn)定性成為當(dāng)前的熱點(diǎn)問(wèn)題。精確地掌握采空區(qū)的賦存特征是科學(xué)評(píng)判采空區(qū)穩(wěn)定性的前提,但對(duì)于一些開(kāi)采年代較為久遠(yuǎn)的鐵礦,由于開(kāi)采技術(shù)和管理方式的原因,采掘相關(guān)資料常會(huì)有缺失,此外,形成的采空區(qū)隨時(shí)間也會(huì)產(chǎn)生新的變形破壞,使得采空區(qū)賦存情況變得更模糊不清。目前,學(xué)者針對(duì)鐵礦老采空區(qū)賦存特征及穩(wěn)定性開(kāi)展了一系列研究。在采空區(qū)賦存特征研究方面,主要手段包括地球物理勘探、鉆孔鉆探和三維激光掃描[5]。楊兆林等[6]利用高密度電法,賈三石等[7]、包乃利等[8]利用瞬變電磁法,張遠(yuǎn)博等[9]利用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)鐵礦采空區(qū)分布進(jìn)行探測(cè);周楠楠等[10]利用地質(zhì)雷達(dá)和大地電磁相結(jié)合方法,羅志波等[11]利用高密度電法與鉆探相結(jié)合方法對(duì)鐵礦采空區(qū)分布進(jìn)行探測(cè)。此外,章林等[12]、李海洲等[13]利用三維激光掃描對(duì)鐵礦采空區(qū)形態(tài)進(jìn)行探測(cè)。在采空區(qū)穩(wěn)定性研究方面,主要手段包括現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、數(shù)值模擬和理論分析[14]。楊美宏等[15]利用數(shù)值模擬,賈瀚文等[16]利用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬,從地表沉降角度對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性研究;李群等[17]、申超霞等[18]利用數(shù)值模擬,從位移和應(yīng)力角度對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性研究;宮鳳強(qiáng)等[19]通過(guò)對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性影響因素權(quán)重和影響度分析,構(gòu)建穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

上述研究在一定程度上獲得了鐵礦采空區(qū)賦存特征及穩(wěn)定性,對(duì)地表塌陷災(zāi)害防控起到重要的指導(dǎo)作用,然而主要研究是以采空區(qū)平面分布為主,且選取的采空區(qū)大多停采時(shí)間不長(zhǎng),對(duì)于采空區(qū)的垂向分布,尤其是停采時(shí)間較長(zhǎng)且充填情況復(fù)雜的老采空區(qū)的垂向分布研究還較少,此外,對(duì)于穩(wěn)定性的研究主要是鐵礦開(kāi)采期間的穩(wěn)定性,對(duì)停采后較長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性研究還較少。為準(zhǔn)確探明老采空區(qū)賦存特征,現(xiàn)以濟(jì)南市頓丘鐵礦老采空區(qū)為例,首先采用地球物理勘探和鉆孔鉆探相結(jié)合的方法,獲得鐵礦老采空區(qū)賦存特征,構(gòu)建采空區(qū)三維地質(zhì)模型;采用采空區(qū)地表變形監(jiān)測(cè)、臨界載荷影響深度計(jì)算和采空區(qū)深厚比分析3種方法評(píng)價(jià)老采空區(qū)穩(wěn)定性。以期對(duì)鐵礦老采空區(qū)探測(cè)和治理具有一定指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)域概況

頓丘鐵礦位于濟(jì)南市高新區(qū),面積約0.455 km2。礦區(qū)由4個(gè)礦體群組成,礦體間互相孤立展布成近方形,每個(gè)礦體群由數(shù)個(gè)規(guī)模不一的小礦體組成,最大礦體長(zhǎng)150 m,厚24 m,最小礦體長(zhǎng)25 m,厚1 m。4個(gè)礦體群特征如表1所示。各礦體間不是獨(dú)立開(kāi)采,而是通過(guò)巷道連通,采用中央式雙斜井開(kāi)拓方式,地上和地下聯(lián)合開(kāi)采,地下采用空?qǐng)霾傻V法。

表1 頓邱鐵礦礦體群特征表Table 1 Orebody group characteristic of Dunqiu iron mine

頓邱鐵礦自1995年閉坑后,經(jīng)歷長(zhǎng)達(dá)10年的群眾私采,直至2005年才完全停止開(kāi)采,地下采空區(qū)情況非常復(fù)雜。2006年起,在原有鐵礦采空區(qū)之上開(kāi)始規(guī)劃彩虹湖公園的建設(shè)。2019年1月,在彩虹湖西部環(huán)形水道內(nèi)側(cè),即2#礦體群采空區(qū)范圍內(nèi)發(fā)生地面塌陷,導(dǎo)致湖水泄露,漏水口寬度約5 m,單日涌入地下采空區(qū)的湖水達(dá)8 640 m3,塌陷處為一個(gè)曾充填處理過(guò)的廢棄井口。

2 采空區(qū)賦存特征

考慮頓邱鐵礦采空區(qū)的復(fù)雜性,提出一種地球物理勘探+鉆孔鉆探組合式鐵礦采空區(qū)探測(cè)方法,即首先采用高精度磁測(cè)法進(jìn)行磁場(chǎng)特征探測(cè),圈定老采空區(qū)平面分布范圍,然后利用天然源面波法和可控源音頻大地電磁法進(jìn)行地層剖面測(cè)量,獲得不同位置、深度上地層電阻率和波速變化規(guī)律,進(jìn)而推測(cè)采空區(qū)的垂向分布范圍及深度,最后采用鉆孔鉆探對(duì)物探結(jié)果進(jìn)行對(duì)比和修正。以2#礦體群采空區(qū)探測(cè)為例進(jìn)行具體說(shuō)明。

2.1 地球物理勘探結(jié)果

基于已有的采掘工程資料,高精度磁測(cè)法共布置5條測(cè)線,編號(hào)C16～C20,線長(zhǎng)分別為100、100、100、80、60 m,線距為20 m,點(diǎn)距為10 m;天然源面波法共布置5條測(cè)線,編號(hào)WT04、WT05、WT24、WT25、WT26,線長(zhǎng)分別為100、120、60、60、60 m,線距為20 m,點(diǎn)距為20 m;可控源音頻大地電磁法共布置4條測(cè)線,編號(hào)K04、K05、K24、K25,線長(zhǎng)分別為90、120、60、60 m,線距為20 m,點(diǎn)距為10 m。物探測(cè)線布設(shè)如圖1所示,約定測(cè)線南部端點(diǎn)為起點(diǎn),即0 m位置。

圖1 物探、鉆探和地表變形觀測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.1 Observation points (lines) layout of geophysical exploration, exploration drilling and surface deformation

2.1.1 高精度磁測(cè)法

以磁場(chǎng)強(qiáng)度H0=52 000 nT為背景場(chǎng),高精度磁測(cè)法改正后的ΔH異常場(chǎng)如圖2所示,整體為南部和東部高,北部和西部低趨勢(shì),呈不規(guī)則狀,磁場(chǎng)強(qiáng)度范圍為700～2 200 nT,ΔH>800 nT 區(qū)域推測(cè)為鐵礦采空影響區(qū),范圍為100 m×100 m。

圖2 磁測(cè)法改正后的ΔH異常場(chǎng)分布圖Fig.2 Distribution of ΔH abnormal field after revision obtained by magnetic survey method

2.1.2 天然源面波和可控源音頻大地電磁法

以天然源面波法WT25測(cè)線和可控源音頻大地電磁法K25測(cè)線為例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明,兩條測(cè)線起始點(diǎn)完全一致,測(cè)線斷面如圖3所示。

圖3 地球物理勘探典型測(cè)線斷面圖Fig.3 Typical line sectional view of geophysical exploration

自淺部向深部,視橫波值和視電阻率有增大趨勢(shì),淺部回填土視橫波波速值小于500 m/s,視電阻率較低;基巖視橫波波速值大于500 m/s,視電阻率較高。在測(cè)線0～60 m、埋深5～50 m處,視橫波波速值小于500 m/s,推測(cè)為露天開(kāi)采回填區(qū)域;在測(cè)線位置20～60 m、埋深80～150 m處頻散曲線出現(xiàn)“之”字形拐點(diǎn),視橫波等值線呈低速異常,同時(shí)視電阻率等值線呈“V”字形,推測(cè)為地下采空影響區(qū)。在測(cè)線位置15～30 m處,推測(cè)為巖性接觸帶。

通過(guò)對(duì)物探結(jié)果解譯,2#礦體群地下采空影響區(qū)和露天開(kāi)采回填區(qū)分布如表2所示。露天開(kāi)采回填區(qū)埋深為5～50 m,地下采空影響區(qū)埋深為38～152 m。將每條測(cè)線上的高阻采空影響區(qū)段投影到平面中,物探圈定的采空區(qū)和地表回填區(qū)平面范圍如圖4所示。圈定的采空區(qū)北部進(jìn)入彩虹湖內(nèi),平面形態(tài)近似拳擊套形。受彩虹湖水面限制,圈定的地表回填區(qū)僅限于地上部分,平面形態(tài)近似躺椅形。地表回填區(qū)面積稍大于采空區(qū)面積。

圖4 采空區(qū)和地表回填區(qū)平面范圍及地層剖面線Fig.4 Plane range of goaf and surface backfill area and stratum section line

表2 采空影響區(qū)分布表Table 2 Distribution of goaf affected area

2.2 鉆孔鉆探結(jié)果

為對(duì)物探結(jié)果進(jìn)行對(duì)比和修正,在由物探圈定的采空區(qū)范圍進(jìn)行鉆孔鉆探。首先由物探圈定的高阻與低阻間的梯級(jí)帶開(kāi)始,揭露采空區(qū)后則由已知向未知,由中間向外圍逐步擴(kuò)展。2#礦體群在物探圈定的異常范圍附近共計(jì)施工19眼鉆孔,編號(hào)為ZK201～ZK219,具體的鉆孔布置如圖1所示。以鉆探過(guò)程中的掉鉆以及明顯與上下地層巖性不同的情況作為判定采空區(qū)的依據(jù)。區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)2種采空區(qū)形式:采空純空區(qū)和采空回填區(qū)。采空純空區(qū),即鉆探過(guò)程中出現(xiàn)的“掉鉆”現(xiàn)象,采空區(qū)中間不含有任何填充物;采空回填區(qū),即采礦形成的空洞被填充物部分或全部充填。

區(qū)域內(nèi)揭露采空區(qū)的鉆孔有13眼,分別為ZK201～ZK210和ZK215～ZK217,其他位于采空區(qū)邊界附近,未發(fā)現(xiàn)采空區(qū)。揭露采空區(qū)厚度為1.6～45.7 m,其中,掉鉆厚度最大的為ZK210號(hào)孔,為10.8 m;采空充填物厚度最大的為ZK208號(hào)孔,為45.7 m。

將所有鉆孔分為北、中和南3個(gè)部分,北部鉆孔揭露采空區(qū)層數(shù)主要為2層,位置基本位于地下90 m以下,最深達(dá)154.4 m,總厚度為40 m左右;中部鉆孔揭露采空區(qū)層數(shù)主要為3～4層,位置基本位于30 m以下,最深達(dá)149.6 m,總厚度均在10 m以上,ZK201號(hào)孔除外;南部鉆孔未見(jiàn)采空區(qū),僅ZK214號(hào)鉆孔在32.5～34.0 m見(jiàn)有品味較低的鐵礦。代表性的鉆孔ZK202地層柱狀如圖5(a)所示,共有采空純空區(qū)2層,采空回填區(qū)4層;代表性的鉆孔ZK210地層柱狀如圖5(b)所示,共有采空純空區(qū)2層,采空回填區(qū)2層。

圖5 代表性鉆孔地層柱狀圖Fig.5 Histogram of typical borehole formation

2.3 采空區(qū)三維地質(zhì)模型構(gòu)建

采空區(qū)邊界確定總體原則:南部邊界根據(jù)物探結(jié)果及揭露和未揭露采空區(qū)鉆孔的中間點(diǎn)確定;東部和西部邊界以物探結(jié)果為依據(jù),并將采空區(qū)邊界劃定在揭露采空區(qū)鉆孔的外圍;北部邊界位于彩虹湖水面下,根據(jù)物探解譯推測(cè)結(jié)果和搜集的基礎(chǔ)資料相互驗(yàn)證確定。綜合分析已取得的物探和鉆探結(jié)果,確定2#礦體群采空區(qū)平面分布如圖4所示,采空區(qū)整體位于彩虹湖中小島的中北部,并向北延伸至湖面,平面形態(tài)近似歪葫蘆形,南北最長(zhǎng)約67.5 m,東西最長(zhǎng)約100 m,面積為4 992.5 m2;露天開(kāi)采回填區(qū)分布確定結(jié)果與物探結(jié)果一致,面積為5 598 m2。

基于鉆孔揭露地層情況,結(jié)合鉆孔分布,共設(shè)計(jì)8條地層剖面線,3條為近東西方向,分別為AA′、BB′和CC′,5條為近南北方向,分別為DD′、EE′、FF′、GG′和HH′,地層剖面線分布如圖4所示。利用地下水模型系統(tǒng)(grounder modeling systems)軟件,建立采空區(qū)地層剖面組合模型如圖6(a)所示,采用插值法構(gòu)建采空區(qū)三維地質(zhì)模型如圖6(b)所示,采空純空區(qū)體積為17 220.54 m3,采空回填區(qū)體積為108 384.03 m3,二者合計(jì)為125 604.57 m3。

圖6 采空區(qū)地質(zhì)模型Fig.6 Geological model of goaf

3 采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

3.1 采空區(qū)地表變形特征

為獲得2#礦體群采空區(qū)地表下沉值,區(qū)域內(nèi)共設(shè)置4個(gè)地面觀測(cè)點(diǎn)JCD01～JCD04和1個(gè)建筑物監(jiān)測(cè)點(diǎn)群,如圖1所示。4個(gè)地面觀測(cè)點(diǎn)觀測(cè)時(shí)間為2019年6月15日—10月18日,歷時(shí)115 d,地表沉降值如圖7所示。區(qū)域內(nèi)下沉觀測(cè)累積最大值為-6.517 mm,出現(xiàn)在JCD4號(hào)點(diǎn);最小值為-1.533 mm,出現(xiàn)在JCD1號(hào)點(diǎn)。以年為單位進(jìn)行下沉量的換算,JCD4號(hào)點(diǎn)最大下沉量為20.68 mm/a,根據(jù)《地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估規(guī)范》(GB/T 40112—2021),從下沉量角度看,采空塌陷已經(jīng)達(dá)到中等發(fā)育等級(jí)。

圖7 采空區(qū)地表下沉曲線Fig.7 Surface subsidence curve of goaf

此外,以地面建筑物為依托設(shè)置建筑物監(jiān)測(cè)點(diǎn)群,對(duì)區(qū)域較長(zhǎng)期沉降進(jìn)行分析。需指出的是,建筑物監(jiān)測(cè)是基于建筑物建成初期同層標(biāo)高是完全一致這一前提的。該建筑物于2011年建造完成。地面塌陷事故發(fā)生后第一時(shí)間對(duì)其進(jìn)行觀測(cè),一層共設(shè)置12個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),二層共設(shè)置14個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),建筑物及其高程等值線如圖8所示。測(cè)得一層最大高程為107.728 m,最小高程為107.483 m,最大高差24.5 cm,南北方向高差19.3 cm,東西方向高差17.0 cm。西部和北部整體偏低;二層最大高程為111.993 m,最小高程為111.247 m,最大高差74.6 cm,東西方向高差23.6 cm,南北方向高差67.6 cm。房間內(nèi)最大高程值為111.499 m,最小高程值為111.247 m,室內(nèi)最大高差25.2 cm。二層整體西北偏低,呈南高北低、東高西低狀態(tài)。

圖8 建筑物及其高程等值線圖Fig.8 Building and elevation contour map

對(duì)比分析可以看出,雖然短時(shí)間內(nèi)2#礦體群采空區(qū)地表沉降不明顯,但是在時(shí)間效應(yīng)下仍會(huì)產(chǎn)生較大沉降量,尤其是不均勻沉降會(huì)引發(fā)地面建筑物的傾斜,存在潛在風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 臨界載荷影響深度

采用力平衡分析法計(jì)算極限頂板穩(wěn)定性,臨界載荷影響深度計(jì)算公式[20]為

(1)

式(1)中:H0為采空區(qū)臨界深度,m;B為巷道寬度,m;γ為上部巖層重度,kN/m3;P0為建筑物基底單位壓力,kN/m2;φ為巖層內(nèi)摩擦角,(°)。

為獲得較準(zhǔn)確的計(jì)算參數(shù),對(duì)鉆孔取芯獲得的巖樣進(jìn)行物理力學(xué)性能測(cè)試,上部巖層的平均重度為30.80 kN/m3,巖層內(nèi)摩擦角平均值為49.92°。巷道寬度選取2#礦體群采空區(qū)最大寬度,即25 m。區(qū)域內(nèi)最高建筑物為2層樓房,建筑物基底單位壓力值為1.96×105kN/m2。計(jì)算獲得臨界載荷影響深度為164.24 m。2#礦體群采空區(qū)頂板埋深為30.2～154.4 m,小于臨界載荷影響深度,為不穩(wěn)定型采空區(qū)。

3.3 采空區(qū)深厚比

深厚比越小,采空區(qū)地面越容易產(chǎn)生塌陷。2#礦體群區(qū)域內(nèi)鉆孔揭露的開(kāi)采深度和開(kāi)采厚度的情況如表3所示,深厚比最小值為0.15,最大值只有24.22,均小于25,采空區(qū)穩(wěn)定性較差。

表3 采空區(qū)開(kāi)采深度和厚度統(tǒng)計(jì)表Table 3 Mining depth and thickness of goaf

4 結(jié)論

(1)以頓丘鐵礦老采空區(qū)為工程背景,開(kāi)展地球物理勘探和鉆孔鉆探,構(gòu)建老采空區(qū)三維地質(zhì)模型,實(shí)現(xiàn)采空區(qū)賦存特征的立體展現(xiàn)。

(2)2#礦體群開(kāi)采形成的采空區(qū)平面面積為4 992.5 m2,采空區(qū)分為采空純空區(qū)和采空回填區(qū)2種形式,層數(shù)為2～4層,埋深為38～152 m,厚度為1.6～45.7 m,其中,純空區(qū)最大厚度為10.8 m。

(3)采用采空區(qū)地表變形監(jiān)測(cè)、臨界載荷影響深度計(jì)算和采空區(qū)深厚比分析3種方法評(píng)價(jià)老采空區(qū)穩(wěn)定性,2#礦體群開(kāi)采形成的采空區(qū)整體穩(wěn)定性較差,存在塌陷風(fēng)險(xiǎn)。