廣東矽卡巖型鐵礦頂部巖溶形成、失穩(wěn)塌陷機理分析及治理

方 平 何 濤

(五礦二十三冶建設集團)

廣東矽卡巖型鐵礦頂部巖溶形成、失穩(wěn)塌陷機理分析及治理

方 平 何 濤

(五礦二十三冶建設集團)

依據(jù)巖溶相關理論及探測技術，結(jié)合實際地質(zhì)鉆探，建立矽卡巖型巖溶地質(zhì)模型，通過數(shù)值計算軟件FLAC3D，分析降雨滲透、地下水抽排、地表靜載荷對巖溶穩(wěn)定性的影響及巖溶失穩(wěn)塌陷機理，并提出巖溶治理措施。

巖溶地質(zhì)模型 數(shù)值計算 失穩(wěn)塌陷機理 治理措施

目前采用的一些定性、定量方法分析矽卡巖型鐵礦巖溶地質(zhì)形態(tài)是一個極其復雜的問題[1]。巖溶一般在地下深部碳酸巖系中發(fā)育，目前只能通過物探技術獲取粗略的巖溶分布情況，精確的巖溶分布則需要通過鉆孔探測獲取，但鉆探成本較高。本文通過物探及鉆探技術相結(jié)合，了解特定礦區(qū)巖溶空隙在地下的分布規(guī)律及其與巖溶塌陷的關系，為此類巖溶防治提供理論依據(jù)。

1 矽卡巖型鐵礦巖溶地質(zhì)特征

廣東懷集藤鐵鐵礦礦體頂板為白云質(zhì)大理巖、花崗巖、矽卡巖，底板為矽卡巖、花崗巖，且淺層溶洞發(fā)育，上覆的第四系松散層厚度較薄，其分布如圖1所示。

鐵礦含水層主要有松散巖類孔隙水、碳酸巖類裂隙巖溶水、層狀巖類裂隙水、塊狀巖類裂隙水4層，影響礦體開采的含水層主要是松散巖類孔隙水和碳酸巖類裂隙巖溶水。通過高密度電法勘探技術、水文地質(zhì)鉆探及抽水試驗、水文地質(zhì)及工程地質(zhì)編錄、水文地質(zhì)孔觀測數(shù)據(jù)及氣象等水文地質(zhì)工作，得出以下結(jié)論：①估算礦床巖溶裂隙水的靜儲量為39萬m3，礦床巖溶的供水源為滕鐵埂溪，水流量為3 m3/s；②礦床巖溶分為2層發(fā)育，屬于多層巖溶發(fā)育地質(zhì)概化模型，第1層巖溶主要由串珠型小巖溶組成，第2層巖溶由直徑30 m的巖溶構(gòu)成，兩層巖溶通過特殊管道連通，地質(zhì)構(gòu)造如圖1，圖2所示;③第一層巖溶范圍為地表下10～30 m,第二層巖溶主要為含水巖溶，其范圍為地表下40～70 m，其探水鉆孔出水流量為50～60 m3/h，第二層單個巖溶含水量約14 137 m3。

圖1 騰鐵鐵礦Ⅱ礦體巖溶分布示意

圖2 地表補充水文地質(zhì)鉆孔巖芯試樣

2 矽卡巖型鐵礦巖溶塌陷機理

(1)碳酸巖類巖溶水與松散巖類空隙含水層的水力梯度差是造成巖溶塌陷的主要原因之一[2-4]。兩含水層間的水位差導致水流垂直向下運動，由于第四系松散含水層的內(nèi)聚力較小，孔隙水由特殊管道向下運動，地下水在運動中產(chǎn)生潛蝕掏空作用，使巖溶頂板巖層不斷脆化，直至上覆巖層塌陷。

巖溶的穩(wěn)定系數(shù)

K=(σntanφ+C)/r(q+rt) ,

(1)

式中,σn為正應力；r為巖溶半徑；φ為內(nèi)摩擦角；rt為土體容重；q為巖溶上載荷。

當K<1時，巖溶失穩(wěn)塌陷；K>1時，巖溶保持穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)地下水天然流場受到降雨的影響，地表水系經(jīng)特殊管道直接補給地下巖溶水，從而影響地下水水位幅度、水流速、水力梯度等[5-6]。礦區(qū)地表最大徑流量在雨季5～6月份，最小流量在1月份，其水位變化幅度約1.52 m,暴雨后徑流量大幅增大,地下水位同樣大幅增長。

綜上所述華南地區(qū)頻繁的降水及礦區(qū)不合理的抽排水、礦石堆放是造成礦區(qū)巖溶塌陷的直接原因。

3 巖溶塌陷機理的數(shù)值模擬

數(shù)值計算模型z方向長度80 m,x方向長度 120 m，y方向長度10 m,采用理想彈塑性模型本構(gòu)關系,選用Mohr-Coulomb屈服準則判斷巖體的破壞。模型上邊界施加均布載荷3.75 MPa，模擬巖溶上方堆放的鐵礦石，其中第一層3個巖溶直徑8 m,第二層最大巖溶直徑30 m,巖層厚度及力學參數(shù)如表1所示。

表1 數(shù)值計算巖層分布和物理力學參數(shù)

按堆放鐵礦石均布荷載(3.75 MPa)施加在巖溶上，得到的垂向應力分布、塑性區(qū)如圖3(a)、圖3(c)所示。從圖中可見，應力主要集中分布在小巖溶的頂?shù)装澹畲髱r溶的頂板處，而且運算過程拉應力主要分布地表第四系土層中小巖溶頂?shù)装寮按髱r溶頂板處。數(shù)值計算結(jié)果表明，自然情況下大巖溶、小巖溶均處于穩(wěn)定狀態(tài)，沒有發(fā)生小巖溶塌陷現(xiàn)象，張裂的分布范圍也很窄，巖溶上方靜載荷并不是巖溶塌陷的決定性因素。

分析地下水抽排致使巖溶塌陷的影響。從圖3(b)，圖3(d)可以得出巖溶中應力集中在大巖溶的兩側(cè)，最大值達3.5 MPa，顯然比靜力載荷狀態(tài)下大，抽水帶來的滲透力造成大巖溶頂板處拉應力集中，而且大巖溶開始變形塌陷，兩旁小巖溶向中心偏移，決定了巖溶塌坑的最終形狀，即在地表形成漏斗形塌陷區(qū)。

從計算結(jié)果可知，巖溶區(qū)域地下水位受迫下降，地表失穩(wěn)現(xiàn)象是巖溶塌陷的最主要原因，從礦區(qū)井下抽水造成地表14#礦房區(qū)域塌陷可以得到證實。

圖3 巖溶的力學狀態(tài)

4 巖溶治理措施

前期工作證明巖溶水與第四系含水層的水力梯度差是巖溶塌陷的主要原因之一，而且第四系地下水通過第一層串珠式巖溶補給第二層大巖溶。為此，提出以下針對性治理措施：

(1)采礦前，對靠近礦體的滕鐵埂溪進行改道，以斷絕地表水系對第四系地下水的補給，間接阻礙巖溶水的補給。

(2)確定大巖溶的中心位置，并以此為中心確定三個注漿孔。第一層巖溶多為充填或半充填，采用化學灌漿法處理，可有效防止鉆孔樁施工時泥漿流失、流砂及坍孔現(xiàn)象。處理后封閉了第四系水系與巖溶水溝通的渠道，巖溶土體強度不小于原地層強度。

(3)前期化學灌漿法可保證成孔及水下水泥混凝土澆注等工序順利完成，水泥砂漿(可用尾砂代替)充填大巖溶，穩(wěn)固采礦頂板，消除巖溶威脅。

5 結(jié) 論

(1)依據(jù)高密度電法勘探技術及鉆孔技術，確定矽卡巖型巖溶地質(zhì)概化模型，矽卡巖型巖溶一般屬于多層巖溶范疇。

(2)分析了產(chǎn)生巖溶塌陷的基本條件和誘發(fā)原因為:巖溶發(fā)育、一定厚度的松散堆積層、地質(zhì)條件脆弱斷層破碎帶、地下水位下降和人類采礦活動。

(3)巖溶塌陷的形成是深淺部隱伏巖溶連通效應、機械潛蝕效應和降水入滲效應、地下水抽排綜合作用的結(jié)果。

(4)提出巖溶塌陷的主要防治措施：隔斷地表補給水源，化學灌漿法阻隔第四系水系的補給、水泥砂漿充填大巖溶。

[1] 程 星.巖溶塌陷機理及其預測與評價研究[M].北京：地質(zhì)出版社，2006.

[2] 賈淑霞,馬霄漢.武漢市區(qū)巖溶地面塌陷成因機理與預測研究[J].中國地質(zhì)災害與防治學報,1994(S1):103-108.

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[4] 賀可強,王 濱,萬繼濤.棗莊巖溶塌陷形成機理與致塌模型的研究[J].巖土力學,2002(5):564-569，574.

[5] 王澤群.新橋硫鐵礦巖溶塌陷成因及防治措施探討[J].金屬礦山,2001(6):47-49.

[6] 梁國印,何 游.貴州省德江縣大頂上巖溶塌陷成因及防治措施[J].貴州大學學報：自然科學版,2012(2):67-71，86.

2014-07-24)

方 平(1963—)，總工程師，410000 湖南省長沙市勞動東路289號。