礦產(chǎn)開發(fā)區(qū)地表開裂與崩塌變形問題及其模型的建立——以鄂西山區(qū)礦產(chǎn)開發(fā)區(qū)為例

李小勇，林 堅，袁金榜，林肖榮，邱 鳳

(1.湖北省宜昌地質(zhì)勘探大隊，湖北宜昌 443100;2.湖北省地質(zhì)環(huán)境總站，湖北武漢 430034)

0 引言

在地形陡峻的山區(qū)進行地下采礦工程活動時，由于地應(yīng)力自然平衡條件的改變，勢必會對采礦區(qū)的地質(zhì)環(huán)境條件帶來不同程度的負面影響。諸如由于地下采場和礦房的不合理開拓或頂板管理不當，以及對礦山地質(zhì)環(huán)境的保護不予以足夠重視，均可能引發(fā)嚴重地表開裂、塌陷(洞)和危巖崩塌災(zāi)害等環(huán)境地質(zhì)問題的發(fā)生。例如:1980年6月3日發(fā)生于宜昌遠安鹽池河磷礦的嚴重山崩，導致礦毀人亡、兩百余人喪生的慘痛事件即與此密切相關(guān);2009年—2011年宜昌磷礦樟村坪礦區(qū)第III礦段普遍出現(xiàn)地表開裂和引發(fā)新危巖的成生，導致采礦區(qū)上方的民房多處出現(xiàn)不均勻沉降與開裂變形而成為危房，并由此而引發(fā)采礦區(qū)一帶水資源枯竭，當?shù)鼐用裆钣盟畢T乏，致使山上民房不得不搬遷重建，農(nóng)田亦需重新整治，不僅對當?shù)鼐用竦纳c財產(chǎn)安全構(gòu)成重大威脅，而且對礦山區(qū)的生態(tài)環(huán)境和正常工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來不良影響。

然而，礦產(chǎn)開發(fā)區(qū)環(huán)境地質(zhì)問題發(fā)生最重要和最關(guān)鍵者乃是礦坑頂板以上冒落—張裂帶的發(fā)生與發(fā)展，尤其是引發(fā)至地表的開裂和不均勻沉降變形的出現(xiàn)。由于頂板張裂帶波及至地表，不僅可能引發(fā)危巖出現(xiàn)乃至崩塌災(zāi)害事件的發(fā)生，而且將導致礦山區(qū)水資源環(huán)境條件劇變，礦坑充水因素亦會因此而發(fā)生明顯變化。

1988—1990年在完成部控“七五”重點突破項目《鄂西山區(qū)礦產(chǎn)開發(fā)環(huán)境地質(zhì)評價預(yù)測》并在提交該項目成果報告后，深感對礦產(chǎn)開發(fā)山區(qū)地表開裂變形和崩塌災(zāi)害預(yù)測的重要性和緊迫性;特別是對已出現(xiàn)地表開裂與崩塌災(zāi)害的礦產(chǎn)開發(fā)區(qū)，研究和探索因地下礦產(chǎn)的開采引發(fā)地表開裂與崩塌變形的定量性預(yù)測計算模型，以改變以往主要為定性評價的模式更顯其必要性和強烈責任感。本文也正是根據(jù)山區(qū)礦產(chǎn)開發(fā)產(chǎn)生的環(huán)境地質(zhì)問題特點，并以宜昌磷礦和鄂西山區(qū)相類似礦產(chǎn)開發(fā)區(qū)出現(xiàn)地表開裂與崩塌的實際資料為依據(jù)，通過反復多次驗算和論證，提出適宜于地形坡陡尤其是臨空面廣布的礦產(chǎn)開發(fā)區(qū)因地下采礦工程活動可能引發(fā)山體開裂變形的數(shù)學模型，籍以為采礦工程的合理布設(shè)和防災(zāi)、減災(zāi)措施提供借鑒依據(jù)。

1 影響采礦區(qū)地表開裂與塌陷發(fā)生的主要因素

如前所述，由于一些地下采礦工程的不合理開拓，從而破壞或改變了礦山區(qū)的應(yīng)力自然平衡條件。在礦山應(yīng)力調(diào)整過程中，由于地下采空面積的逐漸擴大，在采空區(qū)的負壓作用下，礦坑頂板將首先沿原生和次生軟弱或較軟弱結(jié)構(gòu)面(包括層面、裂隙或斷裂結(jié)構(gòu)面等)坍落，即所謂的頂板冒落帶。對頂板巖層厚度較大且完整性較好者，則會形成一個相對穩(wěn)定的自然拱;而對頂板巖石完整性較差者，則會形成不規(guī)則的坍落帶;與此同時，又將會在頂板外側(cè)受張應(yīng)力影響區(qū)出現(xiàn)張裂隙，尤其是地表存在臨空面一側(cè)更是如此。據(jù)宜昌磷礦各開發(fā)區(qū)的調(diào)查資料，地表裂隙(縫)的寬度一般由數(shù)厘米至80余厘米不等，最寬者可達1～2 m。而且地表出現(xiàn)的裂縫傾向大都是與臨空面傾向相反，顯示為拉張變形的特征;但在采空區(qū)中部，則表現(xiàn)為沉降變形特點，伴隨有塌陷(洞)發(fā)生(見圖1)。然而，采礦區(qū)地表開裂與塌陷問題發(fā)生與發(fā)展仍受多種因素控制，主要為:

圖1 礦坑頂板以上變形示意圖Fig．1 Schematic diagram of deformation

(1)采礦區(qū)上方地形坡度越陡，尤其是陡崖廣布的采礦區(qū)，頂板以上開裂與沉降變形帶的影響高度越大，且變形發(fā)展的速度會加快;反之，影響帶高度較小，變形速度亦變慢。

(2)巖(礦)層傾角越大，地表出現(xiàn)裂縫的可能性增大;反之，出現(xiàn)地表裂縫的可能性和裂縫規(guī)模相對會較小。

(3)頂板上覆地層巖石越具硬脆性和重度越大，開裂變形帶的影響高度越大;反之，其變形帶的高度亦相對較小。

(4)地下采礦巷道(掌子面或礦房)高度(采厚)和走向?qū)挾仍酱?，引發(fā)頂板以上開裂變形帶的高度亦越大;反之則相對變小。

(5)頂板上覆地層巖石的抗拉強度越大，開裂變形帶的影響高度越小;反之則增大。

(6)礦層埋深越大(開采深度越大)，變形發(fā)展到地表所需的時間越長，地表變形值亦越小甚至基本無影響;反之，則變形發(fā)展至地表的時間越短，地表變形值亦越大［1］。

此外，地表開裂乃至崩塌變形的規(guī)模和范圍，除與上述各項因素緊密相關(guān)外，并與地下采空區(qū)大小、頂板管理方法、開采方法與工作面推進速度等密不可分。尤其是采空面積越大，地表變形范圍與速度越大;反之則較小。

2 地表開裂與崩塌的形成機制

采礦區(qū)尤其是在崖壁廣布的采礦區(qū)，地表開裂與崩塌變形大都是自然地質(zhì)作用與地下采礦工程綜合作用促成或引發(fā)所致。地質(zhì)環(huán)境是變形破壞的條件，而地表開裂與崩塌變形則是綜合作用的現(xiàn)象和結(jié)果。就鄂西山區(qū)礦產(chǎn)地而言，一方面由于大都地形峭峻、崖高坡陡，臨空面發(fā)育，以致各采礦區(qū)卸荷裂隙(縫)普遍可見;另一方面，又由于斷裂構(gòu)造和節(jié)理裂隙發(fā)育的結(jié)果，為卸荷作用的盛行造就了有利的條件;兼以工業(yè)礦層上覆沉積蓋層中的層間結(jié)構(gòu)面較發(fā)育，從而為巖體的崩塌與開裂變形提供了有利的邊界條件。

據(jù)自1980年以來出現(xiàn)地表開裂與崩塌變形的鹽池河磷礦(崩塌物體積100萬m3)、桃坪河磷礦區(qū)大寨包崩塌(體積30萬 m3)、丁家河礦區(qū)東部礦段砦溝崩塌(體積20萬m3)、殷家溝礦區(qū)西部和東部開裂與崩塌(體積分別為10萬 m3和6萬 m3)以及樹崆坪磷礦崩塌(體積30萬m3)和樟村坪磷礦區(qū)第III礦段開裂變形體(變形體積＞60萬 m3)的調(diào)查研究，地表開裂與崩塌變形體在其發(fā)展過程中，基本都經(jīng)歷以下三個發(fā)展階段:

(1)拉裂變形階段:在地下采動作用下，礦山應(yīng)力在調(diào)整過程中，首先沿區(qū)域構(gòu)造裂隙和卸荷裂隙結(jié)構(gòu)面追蹤與逐漸拉張，并以水平位移變形為主，垂直位移不明顯。此階段一般歷時一兩個月或數(shù)月，甚至更長時間。這點取決于采動綜合作用強度的大小。

(2)滑動擴容階段:巖體沿裂隙結(jié)構(gòu)面進一步拉張變形結(jié)果，變形體中的相對軟弱結(jié)構(gòu)面在采動作用和斜坡效應(yīng)綜合作用下(包括崩塌塊石墜落裂縫中的尖劈和降雨入滲的潤化與入滲水的張壓作用等)，巖體自然平衡狀態(tài)受到進一步破壞，抗剪強度被削弱，開裂與崩塌變形的二維或三維空間的邊界條件逐漸完備，巖體的水平位移乃至垂直位移均有顯現(xiàn)，但一般仍以水平位移為主，局部由于制約因素和所處部位的不同，仍可出現(xiàn)垂直位移;甚至在垂直位移過程中，一些原為張開裂縫會出現(xiàn)開度變小或呈現(xiàn)假閉合狀，易使人誤判為趨穩(wěn)定。如鹽池河磷礦在崩塌前十余天即是如此。此階段往往伴隨局部崩塌變頻出現(xiàn)，其歷時一般十余天至數(shù)月或更長時間。但若改變采動作用強度和作用方向，或者采取其他諸如削坡減載等措施，則也有使變形破壞體處于較長時間相對穩(wěn)定狀態(tài)者。如宜昌遠安磷礦645中段上方的順層滑移體，以及樟村坪磷礦III礦段的開裂變形體即是。

(3)崩塌破壞階段:巖體崩塌變形邊界條件逐漸完備，進入了累進性變形破壞階段。在地下采動、卸荷和自重的綜合作用下，巖體的滑動破壞力已達到甚至超過其抗剪切、剪斷力的閥值，從而出現(xiàn)沿底部軟弱或相對軟弱帶剪出，表現(xiàn)為滑動—座落—傾倒崩塌。此階段常與降水的入滲，導致充填于裂縫中的充填物密實、尖劈和水壓作用增強，從而加速了山體崩塌變形的發(fā)生與發(fā)展。在此階段，地下采礦坑道頂板裂隙(縫)和坍塌變形亦更嚴重，并出現(xiàn)坑道支護結(jié)構(gòu)被壓彎、壓斷乃至頂板陷落;同時在坑道內(nèi)往往還可聽到因巖石移動、撕裂的摩擦聲(如悶雷)。這是巖體在孕育劇烈變形過程中，由于巖體中應(yīng)力的調(diào)整，使軟弱結(jié)構(gòu)面間的兩側(cè)巖石產(chǎn)生巨大摩擦所致;其甚者，此期間還會引起崩塌變形區(qū)附近的雞、犬、鼠等敏感性較強的動物出現(xiàn)狂奔、不安寧狀。所有這些都是山體劇烈變形破壞前夕的明顯征兆。如前述的鹽池河磷礦崩塌和桃坪河大寨包崩塌等在臨崩前，上述征狀均有顯現(xiàn)①林肖榮、高星輝等，鄂西山區(qū)礦產(chǎn)開發(fā)環(huán)境地質(zhì)評價預(yù)測，湖北省鄂西地質(zhì)大隊、第二地質(zhì)大隊，1991。。

3 地表開裂變形帶與模型的建立

如前所述，由于礦產(chǎn)開發(fā)區(qū)的地表開裂變形的出現(xiàn)，不僅破壞或進一步破壞了巖體的完整性，導致原有危巖向更不穩(wěn)定方向發(fā)展乃至崩塌致災(zāi)事件發(fā)生。而地表開裂帶的影響高度與范圍的大小，又與采礦區(qū)的地形地貌、礦層埋深、頂板上覆地層的物理力學性能、采礦坑道掌子面(或礦房)的高度與寬度，以及巖礦層傾角的大小和采礦方式、方法與采礦強度等密切關(guān)聯(lián)。

近年來，對鄂西山區(qū)一些礦產(chǎn)開發(fā)區(qū)(主要是震旦紀海相沉積磷塊巖和二疊紀煤礦區(qū))進行礦山地質(zhì)環(huán)境評估調(diào)查結(jié)果顯示，坑道頂板以上開裂變形帶高度(Ht)一般都在160～290 m之間，并以200 m左右為多見，亦即均較以往一些有關(guān)規(guī)范和教科書中提出的計算頂板冒落帶和導水裂隙帶最大高度的經(jīng)驗公式計算結(jié)果要大得多［2］。

通過對湖北宜昌鹽池河磷礦崩塌及其他同類或相似礦產(chǎn)開發(fā)區(qū)出現(xiàn)地表開裂和崩塌災(zāi)害的發(fā)生與發(fā)展特點，以及變形的因果關(guān)系進行分析研究后，于1994年宜昌地質(zhì)勘探大隊林肖榮、肖春錦兩人首次提出了因地下采礦工程活動引發(fā)山體開裂變形帶高度(Ht)的定量性評價計算模型。當時提出的模型式為:

式中:K——安全系數(shù)，一般取2;η——頂板以上巖石完整程度有關(guān)系數(shù)，在2～4之間:巖石破碎者取大值，反之取小值;γ——頂板上覆地層平均重度(kN/m3);h——坑道采高(m);β——地層(礦層)平均傾角(°);α——采空區(qū)上方地形平均坡角(°);Rc——頂板上覆地層平均抗壓強度(MPa)。

此后該計算式在對宜昌磷礦各礦區(qū)進行礦山地質(zhì)環(huán)境與災(zāi)害地質(zhì)預(yù)測評估中普遍運用，并為宜昌一些地質(zhì)勘查單位在地質(zhì)環(huán)境評估工作中引用。但通過近十余年實踐，深感上述模型式仍欠全面，尤其是式中對頂板以上巖石的力學性能只考慮其抗壓強度欠完善;同時在具正相關(guān)性的因子中，只考慮采礦高度而不考慮采礦坑道(掌子面)的寬度等亦覺不妥。故自2010年后，通過對近年來出現(xiàn)地表開裂與崩塌災(zāi)害事件的采礦區(qū)進一步調(diào)查研究，并引入與頂板以上地層巖石變形關(guān)系更直接的巖石強度脆性系數(shù)和抗拉強度參數(shù)，提出了改進的定量性評價模型式為:

式中:Ht——山體開裂變形帶高度(m);K——頂板以上地層巖石的碎脹系數(shù)(在1．3～1．6之間:巖石硬脆、易碎裂者取大值;反之取小值);η——頂板以上巖層完整性系數(shù)(在1～3之間:巖體完整者取小值;反之取大值);γ——頂板上覆地層巖石平均重度(kN/m3);h——坑道掌子面采礦高度(m);b——掌子面(或礦房)沿走向?qū)挾?m);B——頂板上覆地層巖石平均脆性系數(shù)(通過巖石抗壓與抗拉強度指標計算確定);Rt——頂板上覆地層巖石抗拉強度(kPa);α——由坑口至掌子面垂直投影至地表點連線的仰角(°);β——地層(礦層)平均傾角(°)。

上式經(jīng)對已發(fā)生地表開裂、崩塌變形災(zāi)害的多個礦產(chǎn)開發(fā)區(qū)驗證，都說明是符合或基本符合實際的。以1980年6月3日發(fā)生的鹽池河磷礦崩塌為例，其地質(zhì)環(huán)境條件為:工業(yè)磷礦層賦存于震旦系下統(tǒng)陡山沱組下部，直接頂板為陡山沱組下段上亞段的厚層狀白云巖，厚10～12 m;其上的陡山沱組中及上部為中厚夾薄層狀白云巖，厚95 m左右;再上為震旦系上統(tǒng)燈影組厚層狀白云巖，厚185 m;坑口標高520 m，山頂標高810 m(掌子面垂直投影至地表點)，相對高差290 m。其他參數(shù)為:α =40°，β =10°，h=3．0 m，b=25 m，B=23．5，K=1．6，η =3．0，γ =24 kN/m3，Rt=4 130 kPa。代入上式計算結(jié)果為:Ht=351．6 m，即Ht大于坑道掌子面至山頂?shù)母叨?為290 m)。故鹽池河崩塌事件的出現(xiàn)是必然的。再如樟村坪磷礦III礦段:該礦段磷礦上覆地層巖性與鹽池河相同，但地形條件較鹽池河要緩些。其地質(zhì)環(huán)境條件為:磷礦直接頂板厚層狀白云巖厚3．7 ～26．44 m，平均厚 15．0 m;其上的陡山沱組中及上部亦為中厚夾薄層狀白云巖，厚74～103 m，平均厚90．0 m;再上為震旦系上統(tǒng)燈影組厚層狀白云巖，厚48～62 m，平均厚50 m;坑口標高987 m，深部回采富礦掌子面投影至地表最高點標高1 220 m，相對高差為233 m。其他參數(shù)為:α =30°，β =9°，h=2．80 m，b=30 m，B=25．4，K=1．5，η =2．8，γ =24 kN/m3，Rt=5 940 kPa。上述參數(shù)代入上式計算結(jié)果，Ht=218．5 m。雖Ht值略小于地下掌子面與地表投影點的相對高差(為233 m)，但Ht值上部端點已達到坡頂最高點以下14．5 m，亦即已波及至地表燈影組白云巖構(gòu)成的巖體上部，從而使本來就處于臨空狀態(tài)的巖體出現(xiàn)地表開裂并形成體積約4 000 m3的不穩(wěn)定的危巖體，且崖壁下緩坡地帶多處出現(xiàn)地表開裂縫(分布標高1 150～1 200 m)，均顯示礦坑頂板以上開裂變形帶的高度在213 m以上。說明用上述公式估算因地下采礦工程活動的影響高度是符合或基本符合地形坡陡、臨空面發(fā)育的礦產(chǎn)開發(fā)區(qū)實際的。

4 結(jié)語

位處峰巒疊嶂、崖谷廣布的礦產(chǎn)開發(fā)區(qū)，地表開裂變形是引發(fā)其他環(huán)境地質(zhì)問題發(fā)生與發(fā)展的最主要因素。由于它的發(fā)生與發(fā)展，不僅可導致危巖和崩塌災(zāi)害事件的發(fā)生，而且還必將引起礦山區(qū)水文與工程地質(zhì)條件出現(xiàn)顯著變化，從而使礦山區(qū)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量降低。因此，研究礦坑頂板以上裂隙和沉降變形帶的分布特點與規(guī)律，進而預(yù)測裂隙帶的高度，特別是評價其影響至地表的可能性，是礦山地質(zhì)環(huán)境評估工作中最重要的一環(huán)。

本文是以鄂西山區(qū)的礦產(chǎn)開發(fā)區(qū)為例，提出因地下采礦工程活動引發(fā)礦坑(地下采場)頂板以上包括冒落帶在內(nèi)的裂隙帶，尤其是張裂變形帶高度的估算式。誠然，由于影響頂板以上開裂變形的因素繁多，在提出的計算式中，只考慮其主要和具制約意義的影響因素，肯定還會有不足、不完善之處，有待今后在實踐中逐步完善和提高。

致謝:本文在編寫與定稿過程中，得到宜昌地質(zhì)勘探大隊總工程師羅洪和副隊長冉瑞生的具體指導和幫助，在此深表謝意!

［1］ 工程地質(zhì)手冊［M］.第四版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009:567－569.

［2］ GB12719—91，礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范［S］.