雷溪石膏礦地面沉陷特征及沉陷機(jī)理

李益陳，饒凌志，藺 力（.成都理工大學(xué)，四川 成都 60000；.江西省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，江西 鷹潭 335000）

雷溪石膏礦地面沉陷特征及沉陷機(jī)理

李益陳1，饒凌志2，藺 力1
（1.成都理工大學(xué)，四川 成都 610000；2.江西省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，江西 鷹潭 335000）

【摘 要】在對雷溪石膏礦沉陷區(qū)地面和采空區(qū)變形現(xiàn)象進(jìn)行大量地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，結(jié)合開采概況和礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境，分析了地面和采空區(qū)變形破壞特征，總結(jié)得出該石膏礦區(qū)地面沉陷機(jī)理，是其內(nèi)外因素綜合作用的結(jié)果，為探究礦區(qū)地面沉陷的原因提供了理論依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】雷溪石膏礦；地面沉陷；采空區(qū)；沉陷機(jī)理

地面沉陷是一種地質(zhì)災(zāi)害，其形成的原因是復(fù)雜多樣的，地下采礦就是誘因之一，地下采礦導(dǎo)致地面沉陷的過程是一個復(fù)雜的系統(tǒng)性問題[1]。地下工程開挖必然引起巖層變形與移動，其變形速度、影響范圍、發(fā)生與發(fā)展時間受眾多因素的影響，諸如巖體物理力學(xué)性質(zhì)、開挖深度、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件以及開挖施工工序與工藝等都是影響巖層移動的重要因素[2]。雷溪石膏礦區(qū)自2010年開始出現(xiàn)地面沉陷現(xiàn)象，在礦區(qū)形成三個沉陷中心，并逐漸向外擴(kuò)散，礦區(qū)地面一旦大規(guī)模沉陷，將對礦區(qū)及鄰近居民的生命和財產(chǎn)安全造成威脅。

1　礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境與開采概況

雷溪石膏礦礦區(qū)位于羅河沖積階地，地勢平坦，階地寬370～2500m，高出河床2.0～4.0m，階地地面高程約43m。礦區(qū)南、東面為低緩坡丘陵地區(qū)，山體呈渾圓狀，山體起伏小，山坡較平緩，天然坡角一般5～15°，谷底較開闊，山坡植被不發(fā)育。出露地層為第四系松散層和白堊系贛州組(K2g)粉砂質(zhì)泥巖、砂礫巖、砂巖、粉砂巖，巖層走向300～310°，傾向北東，傾角15～20°，此層為富礦層。礦區(qū)地處于廣豐—東鄉(xiāng)深大斷裂帶的南側(cè)，信江凹陷與武夷隆起的接壤部位，屬盛源向斜西翼，礦區(qū)巖體發(fā)育兩組節(jié)理裂隙：①組產(chǎn)狀30～50°∠20～30°，可見裂寬1.50～3.0mm，延伸長0.50～1.0m；②組產(chǎn)狀140～165°∠35～42°，裂寬1～3mm，砂泥質(zhì)充填，往深部尖滅閉合，長度0.30～1.20m。

雷溪石膏礦礦床呈層狀產(chǎn)出，產(chǎn)狀40°∠8～20°，屬于緩傾巖層，平均傾角15°。礦床沿走向長約1000m，礦體傾向延伸260m，礦體厚度最大2.12m，平均厚度1.63m，本礦區(qū)地質(zhì)總儲量為848 萬t，平均品位56.48%。開采方法為長壁房柱法地下開采，開拓方式為斜井開拓，運輸方式為輕軌礦車。主斜井由-21.5m，下掘到-50.18m，傾角約15°，斜長約155.1m。目前，此礦山已停止生產(chǎn)，采空區(qū)主要由三部分組成，采空總面積為0.86km2。石膏礦采空區(qū)內(nèi)頂板標(biāo)高：-20.15～-51.35m，底板標(biāo)高：-23.15～-54.35m，采空區(qū)高2.1～4.lm，平均高度3m，采空頂板覆巖巖性為青灰色粉砂質(zhì)泥巖，礦區(qū)平面分布圖見圖1。

2　沉陷區(qū)地面及采空區(qū)變形破壞特征

2.1地面變形破壞特征

雷溪石膏礦區(qū)自1999年開采，隨著石膏礦開采進(jìn)行，采空區(qū)逐漸形成，2010年開始出現(xiàn)地面沉陷變形，截至2013年9月，礦區(qū)共出現(xiàn)三處沉陷區(qū)，分別命名為C1、C2、C3。礦區(qū)地面沉陷使多處民用及公共建筑設(shè)施不同程度開裂，并造成鄉(xiāng)村公路及橋梁等交通設(shè)施受到不同程度的破損?，F(xiàn)以C1沉陷區(qū)為例，說明該礦區(qū)地面沉陷變形破壞特征。

2011年5月沉陷區(qū)第一期裂縫帶基本形成，第一期裂縫帶單條裂縫平均長度約12m，平均裂縫寬度約25cm，平均裂縫深度2m。一期裂縫帶所包括的沉陷范圍形成了(40×45)m2的近圓形區(qū)域，其最大沉陷深度為1.2m(見圖2)。

圖1　雷溪石膏礦沉陷區(qū)平面分布圖

圖2　第一期裂縫

2012年7月沉陷區(qū)第二期裂縫帶基本形成，其單條裂縫平均長度約8m，平均裂縫寬度約20cm，裂縫平均深度1.4m。二期裂縫帶所包括的沉陷范圍形成了(70×100)m2的橢圓區(qū)域，其最大塌陷深度為0.8m(見圖3)。

2013年12月第三期裂縫帶基本形成，單條裂縫平均長度3m，裂縫平均寬度約16cm，裂縫平均深度0.7m。三期裂縫帶所包括的地面沉陷范圍為(90× 160)m2的橢圓形區(qū)域，橢圓長軸走向150°，長160m；短軸走向67°，最大沉陷深度為0.5m(見圖4)。

C1沉陷區(qū)裂縫分布情況表明，裂縫帶逐漸向外擴(kuò)展，外圍裂縫長度、深度與寬度都比靠近沉陷中心的裂縫帶要小。其沉陷面積從2011年的1475m2擴(kuò)大到2013年的11340m2，面積擴(kuò)大約7.6倍。其沉陷范圍以沉陷中心為基點向四周擴(kuò)展，沿橢圓形沉陷區(qū)長軸方向及礦房展布方向擴(kuò)展速度最快。

圖3　第二期裂縫

圖4　第三期裂縫

2.2采空區(qū)變形破壞特征

C1區(qū)地下采空區(qū)變形破壞情況較嚴(yán)重，主要表現(xiàn)為頂板彎曲、冒落與礦柱的變形，具體變形特征如下：

(1)礦房礦柱沿結(jié)構(gòu)面剝落，剝落堆積物呈現(xiàn)碎塊狀，礦柱厚度變薄(見圖5)。

圖5　礦柱剝落

(2)礦房左側(cè)礦柱下沉，但礦柱并未發(fā)生較大變形或剝落，礦柱下覆巖體強(qiáng)度較低，在礦柱及其上覆巖體共同作用下產(chǎn)生擠壓變形，導(dǎo)致礦柱下陷。該側(cè)下陷后，上覆巖體對右側(cè)礦柱產(chǎn)生更大的彎矩，且右側(cè)礦柱下覆基巖強(qiáng)度好于左側(cè)，則出現(xiàn)了左側(cè)下沉右側(cè)彎曲的情況(見圖6)。

圖6　礦柱彎曲與下陷

(3)礦房左側(cè)的礦柱發(fā)生較大程度的彎曲但結(jié)構(gòu)仍較完整，右側(cè)礦柱在與頂板接觸的邊緣部分受擠壓破碎，并剝落碎塊狀塊體形成堆積，頂板出現(xiàn)彎曲并向一側(cè)傾斜。礦柱受壓彎曲并沿剪切面錯斷，頂板受覆巖垂向壓力彎曲，并由于兩側(cè)礦柱高度不同，向礦柱高度低的一側(cè)傾斜(見圖7)。

圖7　礦柱、頂板彎曲

(4)礦房左側(cè)礦柱變形較小，右側(cè)礦柱嚴(yán)重下陷與底板相互擠壓，形成擠壓破壞的堆積體。受兩側(cè)礦柱高度差的影響，頂板發(fā)生嚴(yán)重傾斜(見圖8)。

圖8　頂板傾斜

(5)頂板巖層大面積冒落并呈碎裂化分布，崩落塊石粒徑約30～40cm(見圖9)。

(6)頂板被兩組交錯的X型節(jié)理面切割，形成楔形結(jié)構(gòu)，并由于層面近水平，層間結(jié)合力不足，導(dǎo)致頂板沿層面依次破壞(見圖10)。

雷溪石膏礦區(qū)從2010年開始出現(xiàn)地面沉陷現(xiàn)象。迄今為止，采空區(qū)C1礦柱破壞最為嚴(yán)重，礦柱、頂板均出現(xiàn)冒落；C2沉陷區(qū)受地下水侵蝕，礦柱風(fēng)化作用強(qiáng)烈，頂板傾斜破壞，甚至坍塌；C3采空區(qū)變形情況相對C1較弱，且C3沉陷區(qū)礦房、礦柱破壞程度較輕微。從地表變形與采空區(qū)變形破壞情況可以發(fā)現(xiàn)，礦柱與礦房變形破壞是地表沉陷變形的根本原因。

圖9　頂板冒落、傾斜

圖10　頂板沿X節(jié)理剝落

3　地面沉陷機(jī)理分析

地下采礦引起的地面沉陷成因歸根結(jié)底是采空區(qū)的失穩(wěn)，因此研究地面沉陷機(jī)理需重點分析采空區(qū)穩(wěn)定性，對于房柱式開采的石膏礦房，其采空區(qū)穩(wěn)定性分析最關(guān)鍵在于礦柱穩(wěn)定性分析。礦柱與頂板作為一個應(yīng)力與應(yīng)變相互作用系統(tǒng)，在研究石膏礦采空區(qū)穩(wěn)定性時，需將礦柱與頂板作為一個整體進(jìn)行研究。

3.1礦柱失穩(wěn)機(jī)制分析

3.1.1礦柱變形破壞模式

通過對雷溪石膏礦礦房礦柱變形破壞特征的分析，可以將石膏礦房礦柱變形破壞方式分為以下三種。

(1)沿軟弱面剪切破壞。

石膏礦柱中存在節(jié)理、裂隙、層理、軟弱夾層等軟弱結(jié)構(gòu)面，礦柱的整體性將受到影響。在上覆荷載及地下水的影響下，作用在這些軟弱結(jié)構(gòu)面上的剪切力大于該面上的抗剪強(qiáng)度時，礦柱就會沿著軟弱面發(fā)生剪切破壞，隨著時間推移，被剪切破壞的礦柱巖體沿著結(jié)構(gòu)面剝落(見圖11a)。

(2)壓張破壞。

礦柱經(jīng)過長時間風(fēng)化剝蝕及上覆荷載的作用，礦柱的高寬比減小，礦柱沿水平方向?qū)a(chǎn)生橫向張力，當(dāng)橫向張力大于礦柱抗拉強(qiáng)度時，礦柱會發(fā)生拉張變形，出現(xiàn)嚴(yán)重的片幫現(xiàn)象(見圖11b)。

(3)彎曲破壞。

礦柱受頂板及底板兩端垂直荷載超過了礦柱抗壓強(qiáng)度時，礦柱將向應(yīng)力釋放的一側(cè)彎曲變形，并出現(xiàn)彎曲拉裂現(xiàn)象(見圖11c)。

圖11　礦柱變形破壞模式

3.1.2礦柱失穩(wěn)機(jī)制

大量巖石力學(xué)試驗結(jié)果表明，巖石受載時，應(yīng)力與應(yīng)變作用關(guān)系為：加載開始時，在應(yīng)力作用下巖石中原本存在的微裂紋閉合，隨著巖石所受載荷增加，巖石到達(dá)線彈性變形階段，巖石變形超過其彈性極限時，巖石中微裂紋會迅速傳播，直至巖石的應(yīng)力達(dá)到其峰值強(qiáng)度。隨著變形的增加巖石的抗變形能力不斷減小，巖石開始表現(xiàn)出應(yīng)變軟化現(xiàn)象。隨著礦體開采，采空區(qū)礦柱受開挖的影響，礦柱中部分巖體應(yīng)力集中并超過巖體屈服極限，巖體狀態(tài)由彈性轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄?，并形成松動區(qū)，并最終導(dǎo)致礦柱失穩(wěn)。同時，在開采范圍內(nèi)頂板懸伸部分覆巖的荷載由兩側(cè)礦柱承擔(dān)，因此礦柱間距與位置是否合理也影響了礦柱穩(wěn)定性，礦柱間距不合理時，礦柱承受荷載過大失穩(wěn)后將荷載轉(zhuǎn)移集中到相鄰礦柱，引發(fā)相鄰礦柱相繼失穩(wěn)破壞。

雷溪石膏礦采空區(qū)礦柱破壞主要是由于長期受到上覆巖體的壓應(yīng)力及地下水侵蝕的共同作用產(chǎn)生蠕變，使得石膏礦柱內(nèi)較為發(fā)育的節(jié)理裂隙進(jìn)一步發(fā)展，從而形成了以軟弱結(jié)構(gòu)面為主控因素的破壞模式，并伴有礦柱的彎曲變形破壞。石膏礦柱內(nèi)部巖體強(qiáng)度的降低是礦柱失穩(wěn)破壞的主要因素，影響礦柱失穩(wěn)破壞的因素主要有如下幾方面：

(1)礦柱巖體的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。

(2)礦柱所承受上覆巖體荷載大小。

(3)礦柱中的軟弱結(jié)構(gòu)面。

(4)礦柱的寬高比。礦柱寬度與高度比值越小，礦柱越易失穩(wěn)。

(5)礦柱的留設(shè)間距。

3.2采空區(qū)頂板失穩(wěn)機(jī)制分析

3.2.1頂板破壞模式

通過對雷溪石膏礦采空區(qū)頂板變形破壞特征的分析，可以將頂板的變形破壞模式主要分為以下三種類型：

(1)頂板拱形冒落。

根據(jù)“普氏地壓學(xué)說”，采空區(qū)頂板巖塊在自重作用下，會逐漸冒落，最終形成一定高度的免壓拱以支撐上覆巖體自重，免壓拱形成后，采空區(qū)頂板會趨于穩(wěn)定(見圖12a)。

(2)頂板楔形冒落。

礦房頂板巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，部分頂板巖體被多條較大裂隙切割后形成楔形巖體，楔形體在自重作用下脫離母巖冒落。頂板被兩組交錯的X型節(jié)理面切割，形成楔形結(jié)構(gòu)，并由于層面近水平，層間結(jié)合力不足，導(dǎo)致頂板沿層面依次破壞(見圖12b)。

(3)頂板離層折斷冒落。

采場頂板及其覆巖的移動特征是，礦層頂板處于受拉狀態(tài)，當(dāng)其拉伸變形超過巖石的允許抗拉強(qiáng)度時，直接頂板及其上部的部分巖層便與整體分開[3]。采空區(qū)上覆巖層為層狀，如果巖體層間結(jié)合力小，單層連續(xù)性好，單層巖層厚度小，巖石強(qiáng)度低而頂板跨度較大，則在構(gòu)造應(yīng)力和巖體自重共同作用下，頂板巖層之間會分離，直接頂板產(chǎn)生彎曲變形，當(dāng)彎曲變形超過巖層抗拉強(qiáng)度時，折斷頂板形成碎塊巖體向采空區(qū)冒落(見圖12c)。

圖12　頂板變形破壞模式

3.2.2頂板失穩(wěn)機(jī)制

據(jù)雷溪石膏礦三個沉陷區(qū)采空區(qū)頂板變形特征及其頂板變形破壞模式，可以將采空區(qū)頂板失穩(wěn)機(jī)制歸為以下三類。

(1)應(yīng)力集中導(dǎo)致頂板失穩(wěn)。

礦體開挖前，圍巖應(yīng)力狀態(tài)自然平衡。開挖后，自然平衡狀態(tài)破壞，原巖應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，采空區(qū)圍巖應(yīng)力重新分布。隨著工作面的不斷推進(jìn)，原巖應(yīng)力分布狀態(tài)不斷改變而產(chǎn)生新的應(yīng)力場，從而在礦房頂板中會出現(xiàn)應(yīng)力集中。根據(jù)“普氏地壓學(xué)說”，采空區(qū)形成后，在應(yīng)力集中作用下，頂板免壓拱形成范圍內(nèi)頂板巖體應(yīng)力狀態(tài)失去平衡，頂板巖層會出現(xiàn)下沉、彎曲現(xiàn)象。當(dāng)拉應(yīng)力增加到一定大小并超過頂板巖體極限抗拉強(qiáng)度時，頂板巖層出現(xiàn)拉張裂縫，隨著時間推移，拉張裂縫會不斷延伸擴(kuò)大最終致使頂板冒落。

(2)“關(guān)鍵塊體”導(dǎo)致頂板失穩(wěn)。

在半堅硬和堅硬巖層中，各種結(jié)構(gòu)軟弱面將頂板巖體切割成鑲嵌塊體。礦體開挖前，這些鑲嵌塊體處在應(yīng)力平衡狀態(tài)。礦體開挖后，鑲嵌塊體暴露并失去了支撐，暴露出的鑲嵌塊體失去平衡，會沿著巖體中結(jié)構(gòu)軟弱面滑動、失穩(wěn)。這些鑲嵌塊體即為“關(guān)鍵塊體”?！瓣P(guān)鍵塊體”是保持采空區(qū)頂板穩(wěn)定的關(guān)鍵組成部分，同時也是控制采場頂板穩(wěn)定的薄弱部分。采空區(qū)頂板中存在的某個“關(guān)鍵塊體”的冒落，會使相鄰塊體相繼失穩(wěn)并冒落，連鎖反應(yīng)下會導(dǎo)致采空區(qū)頂板塊體的連續(xù)冒落，甚至致使采空區(qū)頂板整體失穩(wěn)、冒落。

(3)地質(zhì)構(gòu)造軟弱面導(dǎo)致頂板失穩(wěn)。

石膏礦巖層在形成過程中隨地質(zhì)演化形成的地質(zhì)構(gòu)造軟弱面，對頂板的穩(wěn)定性影響很大，軟弱面的存在破壞了頂板的完整性，并使巖性、頂板組合結(jié)構(gòu)改變，頂板的強(qiáng)度降低，最后導(dǎo)致頂板冒落。當(dāng)裂隙、節(jié)理等構(gòu)造較發(fā)育時，頂板巖體受壓后容易破碎，如果未支護(hù)，會頻繁出現(xiàn)小規(guī)模冒頂，極端時會發(fā)生大面積頂板冒落。層理發(fā)育形成的軟弱面，則會使頂板組合結(jié)構(gòu)改變，頂板巖體沿層理產(chǎn)生離層裂隙，導(dǎo)致巖層和母巖分離，使頂板巖體強(qiáng)度降低從而發(fā)生離層冒落。并且當(dāng)巖石抗壓強(qiáng)度相同，有層理弱面的巖層厚度越小，頂板也越容易失穩(wěn)。

4　結(jié)語

通過對地面變形破壞特征及采空區(qū)礦房頂板和礦柱失穩(wěn)模式的分析，得出頂板和礦柱的失穩(wěn)機(jī)制，礦區(qū)地面沉陷是內(nèi)外因素綜合作用的結(jié)果，為礦區(qū)地面沉陷原因提供了理論依據(jù)。

【參考文獻(xiàn)】

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[2]趙靜波,高謙,李莉.地下采動巖層移動預(yù)測理論分析與研究[J].礦冶工程,2004,24(3):1-4.

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Ground Subsidence Features and Settlement Mechanism of Leixi Gypsum Mine

LI Yi-chen1, RAO Ling-zhi2, LIN Li1
(1. Chengdu University of Technology, Chengdu 610000, China; 2. Jiangxi Bureau of Geology and Mineral Exploration and Development Bureau, Yingtan 335000, China)

Abstract:On the basis of many geological explorations of deformation phenomena of ground and goaf in Leixi gypsum mine's subsidence, combining mining overview and geological conditions, we analyzed the deformation characteristics of ground and goaf, concluded the settlement mechanism of the mine. It is the result of the combined effects of internal and external factors and provides theoretical basis for mine subsidence ground reasons.

Key words:Leixi gypsum mine; ground subsidence; goaf; settlement mechanism

【收稿日期】2015-03-16

【中圖分類號】TD327

【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【文章編號】1007-9386(2015)06-0048-05