婁底市雙峰縣杏子鋪鎮(zhèn)虎塘村“7.25”特大型地面塌陷成因分析

彭洪峰 肖敏

摘要：雙峰縣杏子鋪鎮(zhèn)虎塘村突發(fā)特大型礦山采空區(qū)地面塌陷，受災(zāi)人口達(dá)250余戶700余人，造成經(jīng)濟(jì)損失約4000萬元。本文分析認(rèn)為，條形保安礦柱尺寸嚴(yán)重偏小、礦房跨度過大、上下采場礦柱重疊率低是引發(fā)大面積采空區(qū)地面塌陷的根本原因。

關(guān)鍵詞：梓門橋組；石膏礦；采空區(qū)；地面塌陷

雙峰縣杏子鋪鎮(zhèn)虎塘村“7.25”地面塌陷是一場特大型礦山地質(zhì)災(zāi)害，影響區(qū)面積約0.55km2，采空區(qū)巖移盆地最大下沉值為2.5m，最大水平位移1.5m。塌陷區(qū)最長裂縫達(dá)300m，最寬處達(dá)4.8m；伴生塌陷坑（洞）46個(gè)，洞口直徑最大達(dá)15m，最大洞深達(dá)12m，并造成地下水位異常下降，井泉干涸。

1塌陷區(qū)環(huán)境概況

虎塘村及周圍為低丘寬谷地貌。區(qū)內(nèi)山丘海拔最高160.4m——位于庵堂沖西南300m處，最低點(diǎn)是北面虎塘。最大高差77m，地面斜坡坡度一般為12°～20°，局部較陡，約25°～30°。區(qū)內(nèi)無大的地表水體。當(dāng)?shù)貫閬啛釒Ъ撅L(fēng)型濕潤氣候，年平均氣溫16.8℃，極端最高氣溫40.3℃(1971.7.26)，極端最低氣溫-6℃(1977.1.30)。年蒸發(fā)量1036.9～1598.6mm，平均1298.68mm，年降雨量1009.3～2035.8mm，平均1376mm，月最大降雨量587.6mm(1954.7)。

塌陷區(qū)及附近基巖地層總體上為單斜構(gòu)造，巖層傾向南西，傾角25°～30°。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造弱發(fā)育，但無大的斷層分布。

2石膏礦開采方式等情況

雙峰縣石膏礦采用斜井開拓，主、副斜井均布置在底板中，采用房柱法開采，前進(jìn)式采礦，留設(shè)條形保安礦柱。該礦開采梓門橋組Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ膏層，共分二個(gè)水平（-150m和-248m）、8個(gè)區(qū)段開采，每個(gè)區(qū)段垂高為32～34m，斜長74m左右。

礦山自建成投產(chǎn)至今近二十年，歷經(jīng)國有、私營兩個(gè)時(shí)期，設(shè)計(jì)開采參數(shù)進(jìn)行了多次調(diào)整?！?.25”之前，雙峰縣石膏礦各水平采空區(qū)均存在不同程度的頂板垮冒現(xiàn)象。

3“7.25”地面塌陷成因機(jī)理力學(xué)分析

以礦柱支撐頂板為核心的房柱法開采，其采空區(qū)頂板穩(wěn)定性主要由頂板和礦柱兩個(gè)基本要素決定。

3.1 采場頂板穩(wěn)定性分析

本文采用三帶理論、Barton“當(dāng)量尺寸”極限跨度分析法等方法從頂板安全厚度、允許跨度等方面分析采空區(qū)頂板穩(wěn)定性。

3.1.1 頂板安全厚度分析

（1）三帶理論分析。石膏礦層采出后，石膏礦采空區(qū)周圍巖體將發(fā)極為復(fù)雜的移動(dòng)和變形，變形移動(dòng)穩(wěn)定后可分為三個(gè)不同破壞程度的開采影響帶：冒落帶、裂隙帶和彎曲帶。

①冒落帶高度的預(yù)計(jì)與計(jì)算

在礦體傾角小于55°，頂板為堅(jiān)硬覆巖時(shí)，計(jì)算公式為：

式中：M——開采法線厚度（m）；

②裂隙帶高度的預(yù)計(jì)與計(jì)算

采用煤礦充分采動(dòng)時(shí)的經(jīng)驗(yàn)公式：

③計(jì)算結(jié)果與分析

雙峰石膏礦采場高度與礦層厚度基本一致，為4～5m，按充分采動(dòng)情況分析頂板巖層冒落帶高度為21.36m，裂隙帶高度為71.4m。冒落帶高度遠(yuǎn)小于采空區(qū)深度，不會(huì)導(dǎo)致地面發(fā)生整體塌陷（變形）；裂隙帶高小于隔水層厚度，沒有明顯破壞頂板隔水層，不會(huì)導(dǎo)致地下水位超常下降而引發(fā)地面塌陷。

3.1.2 采場頂板允許跨度分析

在頂板厚度滿足穩(wěn)定性要求的條件下，根據(jù)巖體工程地質(zhì)調(diào)查及巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)，采用Q分類結(jié)果計(jì)算頂板在各條件下的允許暴露跨度。

（1）分析原理。開挖體的最大無支護(hù)跨度SPAN與Q值和開挖體支護(hù)比（ESR）的關(guān)系如下式：SPAN＝2Q0.66＝2×（ESR）×Q0.4

（2）計(jì)算分析

根據(jù)以上公式，當(dāng)ESR值為1.6時(shí)（雙峰石膏礦采空區(qū)Q＝23.225817），其最大無支護(hù)跨度為11.26m，即當(dāng)采場寬度為11.26m，其頂板整體穩(wěn)定性較好。據(jù)調(diào)查，雙峰石膏礦礦房（采場）寬大部分為13～16m，所以采空區(qū)頂板穩(wěn)定性差，不能滿足安全要求，是引發(fā)本次采空區(qū)冒頂?shù)闹匾蛩亍?/p>

3.1.3 重疊開采采場穩(wěn)定性分析

房柱式開采是以留設(shè)礦柱的方式支撐采空區(qū)上覆巖層，在多層復(fù)合采動(dòng)的情況下，上層開采后礦柱所承受的荷載必將傳遞到下層礦柱柱上。因此，只有當(dāng)上下兩層礦柱完全對(duì)齊，才能使上覆巖層的重量有效通過礦柱順利地傳遞到底板巖層，保證采場的穩(wěn)定性。

礦柱重疊率是評(píng)估分層開采時(shí)，隔離層頂板穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。在重疊開采時(shí)，如果上下分層礦柱留設(shè)不當(dāng)，將造成上下疊加二個(gè)或多個(gè)采空區(qū)上下連通活化，從而導(dǎo)致大規(guī)模的采空區(qū)上覆巖層垮塌。

令e代表上下層礦柱重疊的百分率，其表達(dá)式為：

式中：WP上下——上下礦柱重疊部分的寬度，m；

WP下——下層礦柱寬度，m。

根據(jù)彈性薄板理論推導(dǎo)出重疊開采條件，上下礦柱對(duì)齊所要求的臨界重疊率ecri須同時(shí)以下二個(gè)關(guān)系式：

式中：——上下礦柱完全不對(duì)齊情況下，下分層頂柱巖體所要承受的上覆巖層的垂直荷載，MPa；

——上下礦柱完全對(duì)齊情況下，下分層頂柱巖體所承受的均布荷載，MPa； ——頂柱巖（礦）體單軸抗拉強(qiáng)度，MPa；——頂柱巖（礦）體的抗剪強(qiáng)度，MPa；

A、B——由巖（礦）柱的長、寬和巖體泊松比確定的系數(shù)。

計(jì)算結(jié)果為：只有當(dāng)-150m水平Ⅱ膏層與-183m水平Ⅲ膏層礦柱重疊率大于71.1%、-216m水平Ⅱ膏層與-248m水平Ⅲ膏層礦柱重疊率大于77%時(shí)，隔離層頂板才不會(huì)發(fā)生拉伸破壞，但根據(jù)調(diào)查，雙峰縣石膏礦采空區(qū)礦柱重疊率遠(yuǎn)未達(dá)到上述要求，因此隔離層頂板穩(wěn)定性很差，也是導(dǎo)致“7.25”采空區(qū)冒頂事故的主要因素之一。

3.2 礦柱穩(wěn)定性分析

礦柱不僅用于維護(hù)礦房穩(wěn)定，也用于隔離大面積空?qǐng)龊捅Ｗo(hù)井巷、地表及建筑物的安全，因此，礦柱間距應(yīng)小于極限跨度，且礦柱本身橫斷面尺寸應(yīng)滿足強(qiáng)度要求。否則，礦柱一旦被壓垮，勢必造成采場實(shí)際跨度過大而導(dǎo)致冒頂，同時(shí)，上覆巖石壓力會(huì)轉(zhuǎn)移到其它相鄰礦柱上，可能引起礦柱破壞而發(fā)生連鎖反應(yīng)。

礦柱是否穩(wěn)定，取決于礦柱平均應(yīng)力（σP）和礦柱強(qiáng)度（Sp）二個(gè)因素共同決定。計(jì)算式如下：

式中：σP——礦柱平均應(yīng)力；

γ——巖石容重；Z——礦柱埋藏深度；Wo、Wp——分別為礦房和礦柱的寬度

式中：α——常數(shù)，本礦山取1.0；Wp /h——礦柱寬高比；SL——礦柱的抗壓強(qiáng)度，MPa。

取硬石膏抗壓強(qiáng)度值為43MPa，計(jì)算-150m至-280m水平硬石膏采場各參數(shù)條件下礦柱安全系數(shù)如表2。

根據(jù)礦柱穩(wěn)定性安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果評(píng)價(jià)：

①按03年11月以前的設(shè)計(jì)參數(shù)開采，-150～-248m水平硬石膏礦柱為安全系數(shù)1.61～2.25，滿足安全要求。

②按03年11月至09年2月的設(shè)計(jì)開采參數(shù)開采，-150～-248m水平硬石膏礦柱安全系數(shù)為1.14～1.59，-183m及以下水平礦柱安全系數(shù)不滿足安全要求。

以上是對(duì)硬石膏礦柱的安全系數(shù)計(jì)算。而普通石膏（Ⅱ膏層）的強(qiáng)度不到硬石膏的1/2，按相同參數(shù)開采，普通石膏礦柱安全系數(shù)將遠(yuǎn)低于硬石膏礦柱。另一方面，實(shí)際開采過程中對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)的執(zhí)行很不到位，條形礦柱(墻)穿孔現(xiàn)象較普遍。

所以，礦柱太小，礦柱安全系數(shù)低是雙峰縣石膏礦長期存在的嚴(yán)重安全隱患，也是引發(fā)“7.25”地面塌陷的最主要原因。

綜上所述，礦柱嚴(yán)重偏小，采場跨度過大，礦柱重疊率低是引發(fā)雙峰石膏礦采空區(qū)大面積冒頂?shù)母驹颉?/p>