采空區(qū)上方斜坡地形塌陷災(zāi)害研究——以申家山采空塌陷為例

羅 川，陳劍文，官在平

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074;2.湖北興發(fā)化工集團股份有限公司，湖北宜昌 443711)

在人類活動強烈的采礦地區(qū)，由于人類的采礦活動破壞了礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境的原始平衡狀態(tài)，引起各種地質(zhì)環(huán)境問題，形成各類地質(zhì)災(zāi)害，對人們的生產(chǎn)生活造成極大的危害。

采空塌陷是采礦地區(qū)常見的一種地質(zhì)災(zāi)害。本文以湖北省興山縣樹空坪磷礦區(qū)梁家山坡(申家山)礦段為例，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查與相關(guān)資料，對該區(qū)域的地質(zhì)災(zāi)害進行分析，證實為地下采空區(qū)所引起的地面塌陷，并對其成因機理進行了研究，最后針對該區(qū)域的具體情況提出了相應(yīng)的治理措施。

1 礦區(qū)概況及地質(zhì)背景

樹空坪磷礦區(qū)位于湖北省宜昌市的興山縣，東與夷陵區(qū)接壤，是宜昌開發(fā)較早的磷礦之一。該礦區(qū)屬亞熱帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，雨量充沛，四季分明。其開采始于20世紀80年代初，在2003年以前，先后有13家礦山企業(yè)(其中縣辦企業(yè)1家、集體企業(yè)8家、私人企業(yè)4家)在此區(qū)域內(nèi)進行磷礦開采，屬于鄂西磷礦帶較早開發(fā)的區(qū)域之一。

礦區(qū)位于宜昌市興山縣水月寺鎮(zhèn)樹崆坪村二組，開采標高為1210～1267m。采用地下井巷開采方式。Ph21和Ph13礦層設(shè)計可利用資源儲量174.7×104t，可采儲量82.24 ×104t，年產(chǎn)10 ×104t，礦山服務(wù)總年限8.5 a。

申家山區(qū)(圖1)地貌類型屬構(gòu)造剝蝕中低山區(qū)，礦區(qū)總體地勢呈北高南低。區(qū)內(nèi)山高坡陡，溝谷深切，最高海拔為1499.6 m，最低海拔為1175 m(樹空坪河河床)，最大相對高差約324.6 m。地形自然坡度一般為25°～40°，局部形成70°～90°的陡壁或懸崖。塌陷區(qū)為切割高山溝谷區(qū)斜坡，坡體前緣直抵樹空坪河，線長160 m，高程1175～1178 m;后緣線長160 m，高程為1460 m，前后緣最大高差285 m，后緣整體呈圈椅狀，陡壁明顯。斜坡傾向為170°左右，地形呈后陡前緩形態(tài)，前緣坡度約20°，后緣坡度約40°，平均坡度約36°，坡度變化大。斜坡體后緣拉裂立面80°～90°，基本直立，坎高2.5～6.7 m。

圖1 梁家坡(申家山)地貌Fig．1 The landform of the LiangjiaHillside(Shenjia Mountain)

樹空坪磷礦區(qū)內(nèi)主要出露的地層為前震旦系崆嶺群(Anz)，分布于礦區(qū)的西南部;震旦系上統(tǒng)陡山沱組(Z2d)，分布于礦區(qū)的中東部，為礦區(qū)的主要含磷巖系;第四系殘坡積(Qel-dl)及人工堆積物(Qml)位于礦區(qū)的樹空坪河兩岸，主要為農(nóng)田及礦渣堆。梁家坡(申家山)位于樹空坪磷礦申家山區(qū)火石嶺梁家坡附近，為申家山原礦洞區(qū)山體，坡體下方存在大面積的采空區(qū)(圖2)，其巖體主要由震旦系碳酸鹽巖組成。

圖2 采空區(qū)平面分布圖Fig．2 The distribution of mined-out area

申家山區(qū)地處黃陵背斜的北翼西端，為一平緩的單斜構(gòu)造，傾向NW。NE—NEE向斷層較發(fā)育，多為正斷層。受區(qū)域構(gòu)造及斷裂的影響，區(qū)內(nèi)巖石節(jié)理裂隙較發(fā)育。申家山巖體中原生結(jié)構(gòu)面發(fā)育，在淺部經(jīng)風(fēng)化形成軟弱結(jié)構(gòu)面及軟弱夾層和構(gòu)造結(jié)構(gòu)面較發(fā)育、風(fēng)化較劇烈的地段，巖石呈碎片狀，巖層中微形態(tài)巖溶較發(fā)育，由于溶蝕作用及風(fēng)化的影響，巖石力學(xué)強度降低。

2 梁家坡塌陷災(zāi)害宏觀分析

梁家山坡(申家山)下伏基巖主要由淺灰白、灰黃色中厚-厚層狀粉晶-細晶質(zhì)白云巖及夾少量中晶(團粒)白云巖組成的逆向坡，剖面地形見圖3(剖面位置見圖2)。其坡腳巖層產(chǎn)狀近似水平，1470 m高程處存在寬50～60 m，長約180 m的平臺，怪石林立。平臺后壁近似直立，高約50 m，巖層產(chǎn)狀近似水平，而坡體中部巖層產(chǎn)狀內(nèi)傾，傾角約5°～32°。在坡的后緣可觀察到明顯的裂縫，裂縫多呈弧形狀，延伸走向為90°～100°，與坡體傾向呈約80°角，裂隙延伸長度約為1.5～5 m，裂隙寬度約0.5～2 cm，深度一般為0.5～15 cm，最大下錯高度可達2～10 cm。

通常由于受坡面臨空面的控制，斜坡地區(qū)容易發(fā)生巖土體向臨空面方向運動的崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。而地下采空區(qū)的存在，使得梁家山坡(申家山)巖土體的運動受坡面和地下采空區(qū)周邊臨空面控制，其可能發(fā)生的破壞型式將更加多樣與復(fù)雜。

圖3 梁家坡(申家山)坡體剖面示意圖Fig．3 The sketch section of the LiangjiaHillside(Shenjia Mountain)

一般崩塌或滑坡發(fā)生后，崩滑體會沿運動方向在低處的堆積區(qū)堆積，從梁家山坡(申家山)現(xiàn)在的地形來看，倘若發(fā)生崩滑災(zāi)害，則崩滑體最有可能堆積于谷底的樹空坪河一帶。根據(jù)其現(xiàn)地形，僅坡體后緣缺失量便高達50×104m3，而在坡體前緣樹空坪河一帶及其周邊區(qū)域并未發(fā)現(xiàn)相應(yīng)規(guī)模與成分的堆積體。且坡腳河床寬度僅5～10 m，如此規(guī)模的堆積體勢必會阻塞樹空坪河，但是經(jīng)走訪附近居民，該河流從未發(fā)生阻塞，種種跡象表明此處不是由崩滑破壞而引起。鑒于梁家山坡(申家山)下方存在大面積的采空區(qū)(圖2)，可初步判定梁家山坡(申家山)為老采空區(qū)引起的坡體向下塌陷。

3 梁家坡塌陷成因分析

造成梁家山坡(申家山)地面塌陷的原因歸結(jié)起來主要是地質(zhì)因素和采礦因素兩方面。其成因與鹽池河山崩相比有較大不同。

3.1 地質(zhì)因素

申家山所處地層巖性為Z2dn1地層，其新鮮巖石強度較高，但由于該處巖體風(fēng)化較強烈，其風(fēng)化深度較大，風(fēng)化程度不均，風(fēng)化裂隙極發(fā)育，從現(xiàn)在表面可見有大量的黏土成分，致使巖體的強度局部很低，且結(jié)構(gòu)性極差。

梁家山坡巖體主要發(fā)育有兩組裂隙，雖然其密度不大，但其延展性較好，略具張性，山體受其切割，完整性較差，且這兩組裂隙均近垂直發(fā)育，造成坡體容易向下部采空區(qū)陷落。主控裂隙的產(chǎn)狀及其切割山體的赤平投影分別見表1和圖4。

表1 主控裂隙產(chǎn)狀Table 1 The occurrences of the main fractures

圖4 主控裂隙赤平投影Fig．4 The stereographic projection of the main fractures

較為破碎的巖土體及陡傾裂隙的發(fā)育為塌陷的發(fā)生提供了有利條件。

3.2 采礦因素

梁家坡(申家山)坡體后緣的下方存在大面積的采空區(qū)。采空區(qū)的存在導(dǎo)致坡體之下出現(xiàn)臨空面，使得坡體有向地下臨空面發(fā)生變形破壞的趨勢。

梁家坡(申家山)所處地帶磷礦層厚度較大，由于早期無設(shè)計亂采和過量開采，造成礦坑高度過大，而預(yù)留礦柱小且少。過小的礦柱難以承受上覆巖體的壓力，在上覆巖體巨大壓力的長期作用下，礦柱逐漸變形以致破壞，上方的坡體亦隨之下沉。同時，預(yù)留礦柱太少造成礦柱之間的頂板巖體跨度過大，地下磷礦采出后，頂板巖層在自身重力的長期作用下逐漸發(fā)生變形、破裂和垮落，并逐漸向地表發(fā)展。

上覆巖層的破壞程度自采空區(qū)向地表逐漸減小，因此可從頂板張裂影響帶高度的角度定量分析梁家山坡是否受地下采空的影響。

“三下采煤”規(guī)程和《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》中均提供了地下采礦導(dǎo)水裂隙帶高度的計算公式［1～2］。由于裂隙帶的影響高度受多種因素的影響，不同礦區(qū)的地質(zhì)條件和采礦條件通常有所差別，因此規(guī)范中提供的計算公式的適用程度對不同礦區(qū)亦會有所差別。近年來，對鄂西山區(qū)一些礦產(chǎn)開發(fā)區(qū)的調(diào)查結(jié)果顯示，坑道頂板以上開裂變形帶高度(H)一般都在160～290 m之間，并以200 m左右為多見，均較以往一些有關(guān)規(guī)范和教科書中提出的經(jīng)驗公式計算結(jié)果要大得多。宜昌地質(zhì)勘探大隊的林肖榮等于1994年提出了適用于宜昌地區(qū)的地下采礦引起的地表開裂變形帶高度的計算公式［3］，此后該式在宜昌各磷礦區(qū)的礦山地質(zhì)環(huán)境與地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測評估中廣泛運用。李小勇等于2012年引入巖石強度脆性系數(shù)和抗拉強度參數(shù)對林肖榮等提出的計算式進行改進［3］。梁家坡的磷礦開采標高為1210～1267 m，根據(jù)梁家坡的情況，分別采用不同公式的計算結(jié)果如表2所示。

表2 裂隙帶高度計算結(jié)果Table 2 The calculation results of the fracture zone height

綜合以上計算結(jié)果，梁家坡的采空區(qū)影響帶高程為1260～1450 m之間，而從該礦區(qū)地形來看，梁家坡的高程范圍在1175～1499.6 m之間，其地表變形范圍多在高程1450 m以下，為采空區(qū)影響帶高程范圍內(nèi)，由此可見，地下采礦是引起梁家坡塌陷的重要因素。

3.3 與鹽池河巖崩成因?qū)Ρ?/h3>

梁家山坡(申家山)與湖北遠安鹽池河的情況頗為相似，二者同為采空區(qū)上方的斜坡，均為深切高山溝谷地形，且都是采磷礦山，災(zāi)害發(fā)生后，坡體后緣都出現(xiàn)陡壁。但是所發(fā)生的災(zāi)害類型有所不同，在外在的宏觀表現(xiàn)上有較大區(qū)別。1980年6月3日，湖北省遠安縣鹽池河磷礦突然發(fā)生了一場巨大的巖石崩塌(圖5)。根據(jù)相關(guān)資料顯示，山崩時，標高830 m的鷹嘴崖部分山體從700 m標高處俯沖到500 m標高的谷地，在山谷中形成南北長560 m、東西寬400 m、石塊加泥土厚20 m的堆積體，崩塌堆積的體積共100×104m3。最大的巖塊有2700 t重。頃刻之間鹽池河上筑起一座高達38 m的堤壩，形成堰塞湖［4］。而梁家山坡(申家山)谷底并無大量從上部落下的堆積體，谷底的樹空坪河亦未發(fā)生堵塞，而只是出現(xiàn)山體沉陷。

鹽池河磷礦與申家山磷礦同為斜坡地形下方的磷礦開采，所發(fā)生的災(zāi)害形式卻不同，是因為二者在形成原因上有所不同。鹽池河磷礦岸坡山體除采場底部為粉砂質(zhì)頁巖及崩塌山體底部為泥質(zhì)白云巖與砂頁巖互層，其余主要巖性為白云巖，而申家山磷礦岸坡山體的主要巖性為白云巖，二者均存在采場上覆山體整體性下沉，且均發(fā)育有兩組近垂直的節(jié)理，垂直節(jié)理的存在為山體發(fā)生破壞提供了有利條件。鹽池河磷礦地表裂縫正是沿垂直節(jié)理向深部追蹤發(fā)展，由于巖層傾向坡外且崩塌山體底部巖層摩擦強度低，在Ⅰ號裂縫擴展到崩塌山體底部時，大致沿巖層層面傾向方向形成追蹤滑動面，完成對崩塌山體的側(cè)向切割，而Ⅳ號裂縫則將崩塌山體切割為兩部分(圖5)，崩塌山體先是沿追蹤滑動面?zhèn)认蚧?，而后再沿岸坡方向傾倒崩塌［5～7］。但是梁家山坡的巖層內(nèi)傾，為逆向坡，雖然也產(chǎn)生了地表裂縫，但是并沒有產(chǎn)生類似的追蹤滑動面，因此不容易造成部分山體脫離母巖而形成崩滑破壞，而是形成采空區(qū)上方的山體整體性下沉的塌陷。

圖5 鹽池河磷礦山崩示意圖［5～7］Fig．5 Sketch map of Yanchihe landslide

4 結(jié)論

(1)梁家山坡(申家山)受采空區(qū)的影響，產(chǎn)生地面塌陷。梁家山坡(申家山)谷底并無大量從上部落下的堆積體，谷底的樹空坪河亦未發(fā)生堵塞，而只是出現(xiàn)山體沉陷。

(2)梁家山坡(申家山)采空塌陷是由采空區(qū)上覆巖體在重力作用下向坡體下方臨空面發(fā)生變形、破裂和移動引起，其發(fā)育受地質(zhì)因素與采礦因素共同作用的影響。

(3)梁家山坡與鹽池河岸坡山體的地質(zhì)條件不同，因此同樣受地下采空區(qū)的影響，卻導(dǎo)致最終的破壞型式不同。鹽池河岸坡山體側(cè)傾向坡外，且傾角遠小于坡角，崩塌山體下方的泥質(zhì)白云巖與砂頁巖互層摩擦強度低，追蹤滑動面就是在該巖層大致沿巖層層面形成。相比之下，梁家山坡(申家山)的巖層內(nèi)傾，為逆向坡，這樣的坡面與結(jié)構(gòu)面組合比鹽池河岸坡山體的穩(wěn)定性要好，不易發(fā)生側(cè)向破壞，因此梁家山坡中并未形成追蹤滑動面以致部分山體分離。

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