金屬礦山地下開采引起地面塌陷的規(guī)律

周春梅，李 沛， 虞 玨，李先福

(1. 武漢工程大學(xué)環(huán)境與城市建設(shè)學(xué)院，湖北 武漢 430074)(2. 武漢鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限責(zé)任公司大冶鐵礦，湖北 黃石 435000)

0 引 言

國內(nèi)外對(duì)礦山開采引起地表塌陷的研究由來已久，但研究成果主要是針對(duì)煤層開采的巖層移動(dòng)與地表沉陷預(yù)測.對(duì)于金屬礦山，由于巖體物理力學(xué)性質(zhì)、地層結(jié)構(gòu)、礦體形態(tài)、賦存條件以及采礦方法與煤礦存在著較大的差異，地面塌陷影響因素復(fù)雜多變.特別是，對(duì)于具有斷裂構(gòu)造、地層與礦體產(chǎn)狀復(fù)雜變化的金屬礦床，目前國內(nèi)外尚沒有比較成熟、系統(tǒng)和準(zhǔn)確的方法來研究地面塌陷的形成機(jī)理以及控制對(duì)策[1].

大冶鐵礦露天采場礦體自20世紀(jì)60年至80年代相繼開采完畢并轉(zhuǎn)入地下開采，目前除局部的掛幫礦回采外，主要為地下開采.由于長期的大量地下開采鐵礦層，形成大面積采空區(qū)，據(jù)黃石市地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與區(qū)劃資料，礦區(qū)采空區(qū)將近4 km2，采空區(qū)高度10～25 m，最大達(dá)40余米，導(dǎo)致其圍巖應(yīng)力發(fā)生改變，巖體完整性遭到破壞，采空區(qū)頂板塌落，波及地面引起不均勻沉降與大面積的塌陷[2,3].東露天采場獅子山20世紀(jì)70年至80年代發(fā)生地面變形，目前已形成長300 m，寬50～120 m，深20～35 m的塌陷坑，導(dǎo)致地表排水溝道、通風(fēng)斜井井口以及部分廠房等建筑物受損破壞.尖林山、龍洞、鐵門坎等采區(qū)也發(fā)生多處規(guī)模不一的地面塌陷，對(duì)鐵山區(qū)三岔路村2 000余人的生命財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅，同時(shí)也危及礦業(yè)活動(dòng)的正常進(jìn)行，地面塌陷已成為一種嚴(yán)重困擾礦山開采的地質(zhì)環(huán)境問題.

本文以大冶鐵礦東露天采場的地表塌陷為例，從東露天采場的地質(zhì)環(huán)境、礦體特征、采礦方法、地面塌陷的形式、崩落角分析入手，探討塌陷區(qū)的特征及形成規(guī)律，為地面塌陷的形成機(jī)理及控制對(duì)策的研究奠定了基礎(chǔ).

1 地面塌陷的形成機(jī)理及控制對(duì)策

金屬礦山地下開采地面塌陷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(dòng)，當(dāng)頂板巖層內(nèi)部形成的張拉應(yīng)力超過巖層的抗拉強(qiáng)度極限時(shí)，直接頂板發(fā)生斷裂、跨塌、冒落，接著上覆巖層相繼向下彎曲、移動(dòng)，隨著采空范圍的擴(kuò)大，受移動(dòng)的巖層也不斷擴(kuò)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三個(gè)帶，即冒落帶、裂隙帶和彎曲變形帶，這三個(gè)帶的界限一般不明顯，也不一定同時(shí)出現(xiàn)[4].

金屬礦山地下開挖必然引起巖層變形與移動(dòng)，其變形速度、影響范圍、發(fā)生與發(fā)展時(shí)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(xué)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(shí)空關(guān)系等，金屬礦山開采后地表的移動(dòng)變形函數(shù)可表示為[1]：

Dr=F(H,L,M,TH,E,J,C,φ,μ,γ,ω，…)

其中，Dr為開采后地表的實(shí)際移動(dòng)量；H為實(shí)際開采或開挖深度；L為采區(qū)的實(shí)際開采寬度；M為礦塊的實(shí)際開挖厚度(或礦層厚度)；TH為水平構(gòu)造應(yīng)力；E為采區(qū)上覆巖體的彈性模量；J為采區(qū)礦層上覆巖體節(jié)理裂隙影響系數(shù)(無量綱量)；C為礦層上覆巖體的內(nèi)聚力；φ為礦層上覆巖體的內(nèi)摩擦角；μ為礦層上覆巖體的泊松比；γ為介質(zhì)的密度；ω為地下水影響系數(shù).

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1，同時(shí)，在塌陷發(fā)生的沉陷盆地中心部位以垂向下沉為主，水平位移、傾斜位移量較少，形成沉陷盆地；在盆地邊緣及外緣裂隙拉伸帶則以傾斜位移和水平位移變形為主，可能出現(xiàn)地表裂縫、漏斗狀塌陷坑，進(jìn)而在斜坡區(qū)域引發(fā)邊坡失穩(wěn)，產(chǎn)生崩塌、滑坡等.

表1 地面塌陷與礦體關(guān)系

分析金屬礦山地下開采地表移動(dòng)范圍的方法主要有以下幾種：a.工程類比法，金屬礦山常用的一種半定量的經(jīng)驗(yàn)性方法.b.理論分析法，包括上盤漸進(jìn)崩落理論、上下盤漸進(jìn)斷裂理論、松動(dòng)區(qū)引起地表巖層移動(dòng)理論、構(gòu)造應(yīng)力控制礦山地表巖層移動(dòng)理論、礦山巖體采動(dòng)影響與控制工程學(xué)理論、概化隨機(jī)介質(zhì)理論，其中上盤漸進(jìn)崩落理論和上下盤漸進(jìn)斷裂理論適用于露天轉(zhuǎn)地下用崩落法回采的礦山.c.數(shù)值分析方法，能對(duì)地表變形破壞的定量評(píng)價(jià)，已廣泛應(yīng)用于地表移動(dòng)機(jī)理研究中[4].

2 大冶鐵礦東露天采場塌陷區(qū)

2.1 東露天采場地質(zhì)環(huán)境

大冶鐵礦東露天采場是由象鼻山、獅子山、尖林山三個(gè)礦體組成.其中西部的象鼻山最高標(biāo)高228 m，中部的獅子山最高標(biāo)高276 m，東部的尖林山最高標(biāo)高250 m，封閉圈標(biāo)高為72 m.采場總體走向NW300 °，長度為2 200 m，坑底面積為8 150 m2.

東露天采場內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，斷層節(jié)理發(fā)育，主要發(fā)育的斷裂構(gòu)造有F9、F25、F13、F10、F11、F12、F8；此外，大冶鐵礦東露天采場廣泛發(fā)育一種介于斷層與節(jié)理之間過渡類型的斷裂結(jié)構(gòu)面到區(qū)域性節(jié)理，一般由切割閃長巖體長達(dá)幾十到幾百米的剪破裂面或狹窄的構(gòu)造劈理化帶組成，對(duì)工程地質(zhì)分區(qū)、邊坡的穩(wěn)定性(特別是和斷層組合在一起)影響明顯，大冶鐵礦主要發(fā)育的節(jié)理構(gòu)造有J1-4、J5-6、J7-9[5,6].

大冶鐵礦東露天采場工程地質(zhì)巖組劃分為6組，其中大理巖、閃長巖組強(qiáng)度最高，風(fēng)化花崗閃長巖和矽卡巖組、蝕變閃長巖組次之，斷層角礫巖、砂礫石和粘土巖組強(qiáng)度最低.采場巖體結(jié)構(gòu)類型主要有塊狀結(jié)構(gòu)、層狀結(jié)構(gòu)、層狀碎裂結(jié)構(gòu)、碎裂結(jié)構(gòu)、散體結(jié)構(gòu)，其中具有碎裂結(jié)構(gòu)、散體結(jié)構(gòu)的巖體在礦山地下開采中易產(chǎn)生地面塌陷、崩塌及滑坡.

2.2 東露天采場礦體特征

大冶鐵礦獅子山礦體(26-30線)主要賦存于閃長巖與大理巖接觸帶內(nèi)，局部地段呈分枝插入大理巖或閃長巖內(nèi).礦體走向320 °，沿走向長430 m，礦體上部北傾，下部轉(zhuǎn)向南西，礦體傾角75～90°，厚度20～80 m，一般厚30～50 m，賦存標(biāo)高+170～-400 m.礦石礦物主要為磁鐵礦，次為赤鐵礦、黃銅礦、菱鐵礦、黃鐵礦、白鐵礦、斑銅礦、磁黃鐵礦等，條痕呈不同程度的紅色[7].脈石礦物主要有方解石、綠泥石、透輝石、白云石、金云母、石榴子石等.礦石結(jié)構(gòu)為自形-半自形粒狀結(jié)構(gòu)、它形粒狀結(jié)構(gòu)、交代殘余結(jié)構(gòu)、包裹結(jié)構(gòu)、隱晶粒狀結(jié)構(gòu)、環(huán)帶狀結(jié)構(gòu)等.礦石構(gòu)造為塊狀構(gòu)造、粉狀構(gòu)造、浸染狀構(gòu)造、脈狀構(gòu)造、條帶狀構(gòu)造、角礫狀構(gòu)造、晶簇狀構(gòu)造等.

2.3 東露天采場采礦方法

大冶鐵礦東露天采場地下采礦采用無底柱崩落法開采，隨著每個(gè)步距的礦石回采出來，礦體上面覆蓋的松散巖石也就隨之崩落，覆蓋到下一個(gè)分段的礦體上.如此自上而下采完各分段，覆蓋巖石和地表跟著崩落塌陷.礦塊的水平尺寸50 m×50 m或60 m×60 m，階段高度為70 m，分段高度為10 m，進(jìn)路間距為8到10 m，崩落步距為1.2至2.4 m(即1至2排炮孔距離).

2.4 東露天采場采空區(qū)地面塌陷

該塌陷區(qū)位于東露天采場獅子山坡腳處(圖1)，目前地下開采在-72 m階段，受地下開采和爆破震動(dòng)的影響,塌陷區(qū)域呈橢圓狀，長度近300 m，寬度在80 m左右，面積約2.4×104m2.塌陷區(qū)北幫為花崗閃長巖，坡角近45 °，南幫為大理巖，坡角42 °，塌陷區(qū)兩側(cè)堆積成分為土夾石，塌陷坡度約80 °，高度約25 m.塌陷區(qū)周邊地裂縫發(fā)育，垂直于塌陷方向(圖2),地裂縫寬度10～50 cm，深度90 cm，長度10～50 cm，密度約1 L/m.

圖1 獅子山地面塌陷

圖2 地面塌陷區(qū)周圍地裂縫

大冶鐵礦東露天采場獅子山采區(qū)地表塌陷與地下巷道分布如圖3，地表塌陷范圍比地下巷道范圍大，且塌陷范圍逐年遞增，嚴(yán)重影響兩邊高陡邊坡的穩(wěn)定性.地表塌陷給礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境與生態(tài)環(huán)境造成強(qiáng)烈破壞，同時(shí)也給礦山生產(chǎn)帶來嚴(yán)重威脅，隨著地下開采工程的延深，采空區(qū)塌陷與地表變形還會(huì)繼續(xù)擴(kuò)展.塌陷區(qū)于2007年8月16日開始啟動(dòng)“正負(fù)零塌陷區(qū)回填工程”，將尾石拋于塌陷的坑內(nèi).

圖3 地表塌陷與地下巷道分布圖

依據(jù)礦體賦存條件、上下盤圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)、采礦方法等進(jìn)行類比確定的巖移角如表2.類比法預(yù)測地表變形范圍屬一種經(jīng)驗(yàn)方法，它把復(fù)雜的圍巖工程地質(zhì)條件和巖體破壞概化為一種宏觀均勻的地質(zhì)變化，但實(shí)際上影響圍巖破壞的各方面因素必然存在著一定的差異性，這也將導(dǎo)致預(yù)測的移動(dòng)界線與實(shí)際上地表破壞邊界不可能完全吻合，故礦山在生產(chǎn)過程中，應(yīng)建立完善的監(jiān)測系統(tǒng)，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)，不斷修正優(yōu)化崩落角、移動(dòng)角參數(shù)，以期能獲得更好的預(yù)測效果，為地質(zhì)災(zāi)害防治和搬遷決策等提供可靠依據(jù).

表2 采空區(qū)巖體移動(dòng)角

大冶鐵礦東露采塌陷區(qū)Ⅰ-Ⅰ′剖面如圖4，在崩落鐵礦石中，存在兩種情況引起地表塌陷的形狀不一[8]：a.覆于其上的巖體隨礦石一起被崩落，其余部分則呈“懸鐘狀態(tài)”暫時(shí)保留，但這種狀態(tài)是極不穩(wěn)定的，受鄰近采礦活動(dòng)的影響，部分巖體將墜落下來，最有在其上方距源礦層數(shù)十米的地方形成如圖所示的空?qǐng)?，此時(shí)產(chǎn)生地表不均勻沉降，地表移動(dòng)呈現(xiàn)出“漏斗型”形態(tài)特征；b.利用崩落法采礦，在一般正常地段，自然崩落法需達(dá)到充滿采空區(qū)為止，頂部巖體移動(dòng)常達(dá)到地表，產(chǎn)生均勻沉降，地表移動(dòng)呈現(xiàn)出“盆地型”形態(tài)特征.

圖4 塌陷區(qū)Ⅰ-Ⅰ′剖面圖

3 結(jié) 語

a. 金屬礦山地表塌陷受礦體形態(tài)、產(chǎn)狀，采空區(qū)埋深、采厚比，礦體圍巖工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)、物理力學(xué)性質(zhì)，礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造、地下水活動(dòng)等多方面因素影響，這些因素相互作用，加上地質(zhì)上的不確定性，使得金屬礦山地表塌陷機(jī)理復(fù)雜.

b. 文中從大冶鐵礦東露天采場地質(zhì)環(huán)境、礦體特征、采礦方法、地面塌陷的形狀及與地下巷道之間的關(guān)系等方面介紹了地面塌陷的形成機(jī)理.大冶鐵礦東露天采場地面塌陷嚴(yán)重破壞了礦山地質(zhì)環(huán)境，同時(shí)也給礦山生產(chǎn)帶來嚴(yán)重威脅，隨著地下開采工程的延深，采空區(qū)塌陷與地表變形還會(huì)繼續(xù)擴(kuò)展，必須采取合理的治理方案.

致謝：論文的研究得到了武漢工程大學(xué)環(huán)境與城市建設(shè)學(xué)院課題組及武漢鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限責(zé)任公司大冶鐵礦的大量幫助，論文的資料由大冶鐵礦科技處提供，在此一并表示感謝!

參考文獻(xiàn)：

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