湖北遠(yuǎn)安鹽池河磷礦開采區(qū)穩(wěn)定性評價

連志鵬，譚建民，李景富

（中國地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心，武漢 430205）

湖北省遠(yuǎn)安縣荷花鎮(zhèn)磷礦資源豐富，是磷化重鎮(zhèn),全鎮(zhèn)已探明可開采儲量在1800萬噸以上，鎮(zhèn)內(nèi)擁有磷礦開采、加工、銷售企業(yè)20余家，集中分布于三個礦區(qū)——鹽池河、桃坪河、殷家溝礦區(qū)。磷礦的開采，在區(qū)內(nèi)形成大面積采空區(qū)，同時引發(fā)了一系列地質(zhì)災(zāi)害。區(qū)內(nèi)因磷礦開采引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害共19處，其中崩塌（含危巖體）15處、不穩(wěn)定斜坡2處、地面塌陷1處、泥石流1處，以中-大型為主。已造成284人死亡，84戶320人搬遷，直接經(jīng)濟(jì)損失3628.5萬元，現(xiàn)威脅328人以及礦山安全，威脅資產(chǎn)2478萬元（由采礦產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益未參與計算）[1]。因此有必要對礦區(qū)內(nèi)磷礦開采區(qū)進(jìn)行穩(wěn)定性評價。

1 磷礦開采區(qū)概況

1.1 開采范圍

區(qū)內(nèi)有規(guī)模的磷礦開采開始于1969年的鹽池河磷礦，1975年擴(kuò)大開采規(guī)模，1978年12月之后至1980年6月3日發(fā)生震驚全國的鹽池河崩塌，在采空區(qū)地表及崩坍山體中先后出現(xiàn)地表裂縫10條。1980年6月3日晨，標(biāo)高830 m的鷹嘴崖部分山體從700 m標(biāo)高處俯沖到500 m標(biāo)高的谷地，堆積在谷底寬緩河谷地帶和崖下斜坡上，在山谷中形成南北長560 m、東西寬400 m、石塊加泥土厚度20 m的堆積體，崩塌堆積的體積共100萬方，最大的巖塊重2700噸，并形成堰塞湖[2]。鹽池河磷礦崩塌造成巨大的生命、財產(chǎn)損失，亂石塊把磷礦區(qū)的五層大樓掀倒、掩埋，死亡284人，還毀壞了該礦的設(shè)備和財產(chǎn)，財產(chǎn)損失達(dá)2500萬元。鹽池河磷礦共采礦68萬噸，形成采空區(qū)面積6.4萬m2。

此后，區(qū)內(nèi)相繼大規(guī)模的磷礦開采，主要集中于秦家-砂磨頭一帶、豬米山-鹽池河一帶、魚林溪溝兩側(cè)、神農(nóng)河兩岸。磷礦開采共形成采空區(qū)及其影響范圍達(dá)19 km2。其中老采空區(qū)主要在秦家-砂磨頭一帶、鹽池河附近，采空區(qū)影響面積3 km2，已停止開采。豬米山-鹽池河一帶、魚林溪溝兩側(cè)、神農(nóng)河兩岸磷礦目前正在有規(guī)模、有次序的開采，根據(jù)礦山開采規(guī)劃，現(xiàn)采空區(qū)及其將來可能形成的采空區(qū)范圍如圖1所示。

1.2 開采地層

礦區(qū)出露地層主要為前震旦系混合花崗巖（Anz），震旦系陡山沱組（Zbd）、燈影組白云巖（Zbdn）及下寒武統(tǒng)天河板組（C1t），石牌組（C1sn），水井沱組（C1s）灰?guī)r夾砂質(zhì)頁巖。磷礦開采地層為陡山沱組（Zbd），該組地層巖性自下而上分別為:①灰黑色粉砂質(zhì)頁巖，為磷礦層直接底板，巖性比較軟弱，易風(fēng)化，極易變形；②磷礦層；③致密塊狀白云巖(厚6 m左右)；④薄至中厚層白云巖、白云質(zhì)泥巖及砂質(zhì)頁巖夾磷礦，砂質(zhì)頁巖，節(jié)理發(fā)育，風(fēng)化后呈鱗片狀，遇水易軟化，薄至中厚層板狀白云巖，層間摩擦強(qiáng)度低；厚層塊狀白云巖，巖體完整。區(qū)內(nèi)主要開采陡山沱組（Zbd）下部的磷礦層，礦層厚1～3 m（圖2）。

圖1 磷礦開采區(qū)范圍平面圖Fig.1 Floorplan of phosphate mining area of Yuan’an area,Hubei,China

1.3 開采方法

研究區(qū)內(nèi)主要采礦方法為房柱法[3]，這種方法是將礦體劃分為礦房和礦柱，分兩類回采，先回采礦房后回采礦柱，在回采時期形成采空區(qū)，利用礦柱的支撐來控制地壓力；在回采礦房時，采場臨時留下的礦體主要起到工作臺的作用，并對采場起到臨時支撐的輔助作用。采用這類方法，在采空區(qū)形成之后，對礦柱的設(shè)計和要求比較高，所以在礦柱沒有回采之前，采空區(qū)的地面變形相對較小。礦柱回采之后，下部沒有礦柱的支撐作用，地面的變形就會加大，甚至塌陷。

圖2 磷礦開采區(qū)工程地質(zhì)剖面圖Fig.2 Engineering geological profile of phosphate mining area

1.4 采空區(qū)分布特征

區(qū)內(nèi)采空區(qū)的分布特征與礦體的分布特征具有一致性，礦體呈似層狀產(chǎn)出，礦洞大多分布于陡山沱組底部沿線，區(qū)內(nèi)地層產(chǎn)狀總體傾向東，巷道距地面的厚度由西向東逐漸增加。通過調(diào)查，在一個采空礦場的左、右隨時可見到同樣的采空礦場，標(biāo)高有相同的，有錯開的。大的采空礦場中留有保安礦柱，淺部采空礦場中的保安礦柱大多被盜采（大部分無保安礦柱）。

因此，采空區(qū)分布總體特征是似層狀產(chǎn)出，采空區(qū)距地表的距離除井口處，總體上由西向東逐漸增大。

2 采空區(qū)變形機(jī)制分析

2.1 采空區(qū)地表變形特點

本區(qū)處于中低山地區(qū)，受地形地貌影響，地表變形有其相應(yīng)的特點。與平原地區(qū)采空區(qū)地表變形以地面塌陷為主相比，區(qū)內(nèi)采空區(qū)地表變形主要表現(xiàn)為山體開裂，形成危巖體或者崩塌。

通過調(diào)查分析，研究區(qū)內(nèi)山體裂縫的發(fā)生發(fā)展過程及其空間展布一般具有如下特點[4]:

1、裂縫一般是在其下對應(yīng)的地下采礦中段回采放頂后一段時間后形成的；

2、裂縫大都分布在采空區(qū)上方或采空與非采空區(qū)對應(yīng)的邊界部位；

3、裂縫出現(xiàn)的順序與中段的回采順序基本相同，裂縫的總體方向與采空區(qū)邊界總體上一致。

這些特點，說明地表裂縫的形成與地下采礦有直接關(guān)系。

2.2 采空區(qū)地表變形成因機(jī)制

區(qū)內(nèi)磷礦采礦方法大都為留規(guī)則礦柱的房柱法及全面采礦法，采用多平硐中央斜井聯(lián)合開拓方案?；夭身樞蛴缮隙?，每個中段按先里后外的礦房回采順序。受磷礦層地層巖性控制，采場頂板為白云巖，比較穩(wěn)定，但礦柱會發(fā)生片幫、崩裂現(xiàn)象，此外因底板為粉砂質(zhì)頁巖，巖性軟弱，易變形破壞。隨著對礦房的回采，中央斜井可能會發(fā)生比較嚴(yán)重的變形，使得頂板下沉，同時底板鼓起，巷道頂?shù)装搴喜?，出現(xiàn)切穿礦層頂?shù)装宓牧芽p[4]。

圖3 采空區(qū)邊界地段地應(yīng)力高度集中Fig.3 Highly centralized stress at mining boundary

當(dāng)?shù)貙觾?nèi)的局部礦體被開采出之后，在巖體內(nèi)形成一個空洞，使其周圍的應(yīng)力平衡狀態(tài)受到破壞，產(chǎn)生局部應(yīng)力集中（圖3）[5]。這也正是裂縫大都分布在采空區(qū)上方或采空與非采空區(qū)對應(yīng)的邊界部位的原因。據(jù)分析認(rèn)為，地應(yīng)力升高的來源有兩個方面，一部分是采空區(qū)懸空巖體重量的轉(zhuǎn)移，另一部分是采空區(qū)懸空頂板巖層的運動所形成。礦層的上覆巖層在應(yīng)力作用下，發(fā)生變形、斷裂、位移和冒落，這是一個十分復(fù)雜的物理、力學(xué)變化過程。在這個過程中，巖層產(chǎn)生移動和破壞，當(dāng)彎曲巖層的底部懸露到一定跨度，達(dá)到極限時，在靠近磷礦層壁端巖層的上表面會首先產(chǎn)生開裂；繼之，在跨度中央、巖梁(層)的下表面也發(fā)生開裂，進(jìn)而引起采空區(qū)塌陷，造成地表變形。區(qū)內(nèi)采空區(qū)的頂板巖層在自重力和其上覆巖層的壓力作用下，產(chǎn)生向下的彎曲和移動。當(dāng)頂板巖層內(nèi)部所形成的拉張應(yīng)力超過該層巖層的抗拉強(qiáng)度極限時，頂板首先發(fā)生斷裂和破碎并相繼冒落，接著是上覆巖層相繼向下彎曲、移動，進(jìn)而發(fā)生斷裂，產(chǎn)生裂縫，破壞巖體的完整性。在陡崖地段使巖體孤立，加速卸荷，形成危巖體，在其它地質(zhì)或外界因素影響下進(jìn)而發(fā)生崩塌；在平緩地段形成地裂縫，進(jìn)一步發(fā)生地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害，鹽池河崩塌就是先冒落、拉裂形成危巖體，受軟弱夾層控制及三面臨空的條件下，進(jìn)一步滑移變形形成大規(guī)模崩塌的[4]。

3 穩(wěn)定性分區(qū)評價

3.1 評價方法

采空區(qū)是否穩(wěn)定看其對地表變形影響大小，主要表現(xiàn)為是否存在或發(fā)生地裂縫、地面沉降、地面塌陷、崩滑等地質(zhì)災(zāi)害，以及將來是否可能發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害。因此本文以地質(zhì)災(zāi)害的可能性來對采空區(qū)的穩(wěn)定性進(jìn)行分區(qū)評價。

影響采空區(qū)地表變形的因素很多，而開采深厚比（H/M）是綜合反映開采礦層賦存條件的一種指標(biāo)，在預(yù)測采空區(qū)地表變形評估中一般把開采深厚比作為考慮的一個重要因素。在定性評價中，用開采深厚比定量的判定采空區(qū)地面變形的強(qiáng)弱。開采礦層的埋藏深度和采厚比與采空區(qū)可能引起的地表變形關(guān)系密切，一般規(guī)律是，深厚比越小，地表變形表現(xiàn)也越強(qiáng)烈，變形影響越大，可能產(chǎn)生的危害也越大[6-7]。根據(jù)《地質(zhì)災(zāi)害危險性評估規(guī)范》5.2.2條，采空區(qū)地表發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害可能性可以從開采深厚比（H/M）進(jìn)行判定，若開采深厚比（H/M）小于120，則發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的可能性較大[8]，具體劃分見表1。

表1 采空區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生可能性按開采深厚比判定[8]Table 1 Geologic harzards possibilty based on mining H/M value

3.2 穩(wěn)定性評價

首先建立磷礦開采區(qū)內(nèi)深厚比（H/M）等值線圖。通過現(xiàn)場的詳細(xì)調(diào)查，了解了采空區(qū)內(nèi)地質(zhì)環(huán)境特點，采空區(qū)內(nèi)礦硐分布以及開采的基本情況，根據(jù)這些情況利用GIS軟件模擬出采空區(qū)內(nèi)磷礦層，再將磷礦層厚度與采空區(qū)內(nèi)高程值進(jìn)行疊加，得到了采空區(qū)開采深厚比值，采空區(qū)內(nèi)深厚比（H/M）值范圍為0～315，按40一根，大于200時不再細(xì)分的標(biāo)準(zhǔn)，將深厚比（H/M）值進(jìn)行劃分，從而得到區(qū)內(nèi)開采深厚比（H/M）值等值線圖（圖4）。

由圖4可知，地質(zhì)災(zāi)害分布與采空區(qū)頂板埋深關(guān)系密切，多分布在開采深厚比小于120的范圍內(nèi)，深厚比大于200時，未發(fā)現(xiàn)地表變形跡象。依據(jù)表1地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度的判別標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合開采深厚比（H/M）等值線圖，對采空區(qū)進(jìn)行分區(qū)，并將其劃分為三個區(qū):Ⅰ—開采深厚比小于120區(qū)域，II—開采深厚介于120～200區(qū)域，Ⅲ—開采深厚比大于200區(qū)域。

根據(jù)上述原則，考慮地形地貌、地層巖性的影響，對采空區(qū)地表巖土體穩(wěn)定性進(jìn)行劃分，得到采空區(qū)穩(wěn)定性分區(qū)圖（圖5），從圖中可以看出，磷礦開采區(qū)地表穩(wěn)定性共分3個區(qū)域，各區(qū)的情況如下:

Ⅰ穩(wěn)定性差區(qū)

磷礦開采深厚比（H/M）小于120，該區(qū)面積為10 km2，占采空區(qū)面積57.2%，溝谷斜坡地貌，一級斜坡區(qū)，地形坡度一般大于30°，多為陡崖，形成多個自由面；出露地層主要為震旦系陡山沱組（Zbd），巖性為灰黑色中厚層狀、薄板狀灰?guī)r與炭質(zhì)頁巖互層，夾白云質(zhì)灰?guī)r，含隧石結(jié)核及磷礦層，巖性較脆，結(jié)構(gòu)面發(fā)育，含軟弱面。區(qū)內(nèi)共發(fā)育地質(zhì)災(zāi)害19處，其面密度為1.73處/km2，其中崩塌、危巖體15處，不穩(wěn)定斜坡2處，地面塌陷1處、泥石流1處。總體上該斜坡穩(wěn)定性差，地表易發(fā)生變形破壞，形成地質(zhì)災(zāi)害，為地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)。

圖4 遠(yuǎn)安縣鹽池磷礦開采區(qū)深厚比（H/M）等值線圖Fig.4 Conture map of H/M in Yanchi Phosphate mining,Yuan’an，Hubei,china

圖5 遠(yuǎn)安縣鹽池磷礦采空區(qū)穩(wěn)定性分區(qū)圖Fig.5 Stability partition of Yanchi Phosphate mine,Yuan’an,Hubei,China

Ⅱ穩(wěn)定性較差區(qū)

磷礦開采深厚比（H/M）介于120～200，該區(qū)面積為6 km2，占采空區(qū)面積30.9%，溝谷斜坡地貌，位于坡肩，地形坡度一般大于30°，沖溝切割深，多形成陡崖；出露地層主要為震旦系燈影組（Zbdn），巖性為厚層狀白云質(zhì)灰?guī)r。目前區(qū)內(nèi)地表變形情況不明顯，尚未發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害；但隨著時間推移，下覆采空區(qū)頂板發(fā)生冒落，保安礦柱風(fēng)化片幫，地表將可能發(fā)生變形，形成地裂縫，受地形控制，將會形成崩塌、地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害。

Ⅲ穩(wěn)定性較好區(qū)

磷礦開采深厚比（H/M）大于200，該區(qū)面積為2.2 km2，占采空區(qū)面積11.9%，地貌上為山頂斜坡地貌，地形坡度較緩，出露地層主要為下寒武統(tǒng)天河板組（C1t）、石牌組（C1sn）、水井陀組（C1s），巖性為灰?guī)r夾砂質(zhì)頁巖。區(qū)內(nèi)地表無變形情況，無采礦誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生，地表受地下采空區(qū)影響小，穩(wěn)定性較好。

4 結(jié)論與建議

通過上述論述可知，磷礦開采區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害都集中于穩(wěn)定性差區(qū)內(nèi)，該區(qū)地表變形明顯，受采空區(qū)影響大，穩(wěn)定性差，地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)；穩(wěn)定性較差區(qū)內(nèi)，地表受采空區(qū)影響一般，地表變形不明顯，雖尚未發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害，但隨著采空區(qū)頂板及礦柱變形加劇，地表極可能發(fā)生變形，形成地質(zhì)災(zāi)害，該區(qū)地質(zhì)災(zāi)害中等易發(fā)；穩(wěn)定性較好區(qū)內(nèi)，地表受采空區(qū)影響小，山體斜坡穩(wěn)定性較好。

根據(jù)對開采區(qū)穩(wěn)定性評價結(jié)果，針對開采區(qū)的具體情況提出如下防治建議:

1、穩(wěn)定性差區(qū)（Ⅰ區(qū)）:該區(qū)采空面積大，開采形成縱橫交錯的采場，保安礦柱不斷受到破壞，形成跨度大的空腔，采場頂板巖層應(yīng)力條件在不斷發(fā)生變化，變形會逐漸波及到地表，形成地質(zhì)災(zāi)害。由于采空區(qū)內(nèi)巷道分布特征難以查清，如對地下進(jìn)行處理，治理費用相當(dāng)大，處理結(jié)果不一定能達(dá)到預(yù)期目的，且目前區(qū)內(nèi)災(zāi)害體較多，地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，地表穩(wěn)定性差，因此應(yīng)對此區(qū)實行移民政策，采取避讓措施。

2、穩(wěn)定性較差區(qū)（Ⅱ區(qū)）:該區(qū)相對Ⅰ區(qū)地下窿道相對稀疏，上覆巖層厚度較大，地表變形情況不明顯，尚未引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，地下巷道頂板變形破壞波及到地表時間相對要長，同樣對地下巷道采取處理措施難度大，費用高，經(jīng)濟(jì)條件許可下進(jìn)行搬遷避讓為上策，如經(jīng)濟(jì)上不許可，可以對地表進(jìn)行常年的動態(tài)觀測，如發(fā)現(xiàn)地表產(chǎn)生大的變形，應(yīng)及時采取相應(yīng)措施，根據(jù)監(jiān)測的結(jié)果分批搬遷。

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