王玉喜　胡克榮　任金來

摘 要：地下磷礦資源的開采的形成了大面積的采空區(qū)，引發(fā)了采空地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害。本文以蘇北某磷礦為研究對(duì)象，論述了研究區(qū)礦產(chǎn)地質(zhì)條件及采礦方法，查明了礦區(qū)采空地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害情況，分析了影響因素，在此基礎(chǔ)上闡明了采空地面塌陷的成因機(jī)理，為礦區(qū)安全生產(chǎn)和地質(zhì)災(zāi)害防治提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：磷礦；地質(zhì)災(zāi)害；采空地面塌陷

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)及工業(yè)發(fā)展迅速，磷礦作為生產(chǎn)各種磷肥的主要原料，也是化工、輕工、國防等工業(yè)的重要礦物原料，磷的開采量日益增大。地下磷礦資源的開采的形成了大面積的采空區(qū)，引發(fā)了突出的地質(zhì)環(huán)境問題，以采空地面塌陷為主，不僅占用、毀壞了大量的土地資源，而且破壞了礦區(qū)生態(tài)景觀，污染了礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，嚴(yán)重影響了礦區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及人們的正常生產(chǎn)、生活，也成為了制約企業(yè)安全生產(chǎn)的一大難題[1]。

本文以蘇北某磷礦礦區(qū)為研究對(duì)象，調(diào)查區(qū)內(nèi)采空地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育情況，研究其影響因素及成因機(jī)理，為地質(zhì)災(zāi)害防治提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

該磷礦系前震旦紀(jì)沉積變質(zhì)磷灰?guī)r礦床，礦體賦存于錦屏組第一段含磷大理巖，白云二長片麻巖，云母片巖中。礦體呈似層狀，夾層一般1-2層，巖性以含磷大理巖為主，片麻巖夾層較少。礦體向北東側(cè)伏，側(cè)伏角28°，巖層走向3°～19°，傾向93°～109°，傾角南小北大32°～51°。整個(gè)礦區(qū)地表都有第四系分布，主要為陸海相砂、粘土淤泥等松散碎屑沉積物，厚度18.11～26.67m。

礦體圍巖：礦體頂板為白云質(zhì)大理巖，云母大理巖，白云二長片麻巖；礦體底板全為白云質(zhì)大理巖。區(qū)域頂板巖石質(zhì)量屬于劣的-中等，局部巖性較松散，含軟弱夾層，巖體完整性差，穩(wěn)固性較差。

礦區(qū)構(gòu)造：礦區(qū)位于錦屏倒轉(zhuǎn)背斜東南正常翼的中段，為一單斜構(gòu)造。根據(jù)資料顯示，礦區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)破壞礦體和影響開采的斷裂構(gòu)造。在含磷地層中，有局部的小錯(cuò)動(dòng)和巖石破碎現(xiàn)象。

水文地質(zhì)：研究區(qū)礦產(chǎn)賦存于海州群錦屏組變質(zhì)巖中，巖性變化中等，主要涌水量為錦屏組第一段上部的巖溶裂隙水。砂層孔隙承壓含水層與基巖裂隙承壓含水層具有一定的水力聯(lián)系，大氣降水通過砂層間接補(bǔ)給基巖裂隙巖溶含水層。地下水的排泄主要依靠生產(chǎn)巷道的疏干排水，礦山在生產(chǎn)過程中，地下水已疏干到-400m標(biāo)高，由于長期抽取地下水，已形成很大的降落漏斗。

礦床采礦方式：礦區(qū)為地下開采，采用豎井、盲豎井開拓。按照礦體的不同厚度和開采深度，采用了不同的采礦方法：主要有淺眼房柱法、崩落法、空?qǐng)龇ā⒈Π徇\(yùn)礦房法、階段礦房法和底盤漏斗分段采礦法。

2 研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害情況

研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害類型主要為采空地面塌陷。據(jù)調(diào)查，該磷礦自建礦以來曾發(fā)生過多起地面塌陷，曾在1978年4月至1980年4月期間，-50m中段由于采用分段崩落法采礦，至使第四系流砂和淤泥多次潰入坑道，并引起地面塌陷，特別是1983年11月24日在-42.2m標(biāo)高處地面塌陷面積達(dá)24410m2。后來，為防范采空區(qū)繼續(xù)塌陷，不再采用分段崩落法采礦，而使用房柱法，同時(shí)加大了-80m中段的頂柱和間柱，使-80m以下的采礦和-50m中段隔離開來，防止礦層頂板冒落連通第四系砂層和淤泥。

近年來礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，先后發(fā)生3次地面塌陷：2013年12月25日，地表形成了直徑約110米、面積約8106m2倒立圓臺(tái)塌陷坑（見照片1），坑底地下投影位置位于-200m中段，塌陷造成了東側(cè)約70m處的浦發(fā)路路基局部出現(xiàn)不均勻沉降和裂隙；2016年3月4日，在該磷礦采空區(qū)范圍內(nèi)再次發(fā)生地面塌陷，形成了長軸約130m，短軸約100m的橢圓形倒立圓臺(tái)塌陷坑，塌陷地表面積約9400m2（見照片2），坑底地下投影位置位于-120m采礦中段附近；2016年12月31日，第三次發(fā)生地面塌陷，塌陷坑呈漏斗狀，地表塌陷區(qū)影響范圍9960m2，下涌淤泥和流砂體積約10萬m3，造成塌陷坑外圍地表和西側(cè)礦山道路多處裂縫（見照片3）。

3 礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害影響因素及成因機(jī)理研究

3.1 影響因素分析

采空地面塌陷是指地表巖石或土層由于地下礦產(chǎn)被采空而引起地表的下陷或塌落。采空地面塌陷是諸多因素綜合作用的結(jié)果，通過對(duì)評(píng)估影響范圍地面塌陷的詳細(xì)調(diào)查和對(duì)地面塌陷的破壞表現(xiàn)形式的研究并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)的工作經(jīng)驗(yàn)，主要影響因素有以下幾個(gè)[2-3]。

3.1.1 礦藏條件因素

礦層埋深：礦層埋深越大，變形發(fā)展到地表所需的時(shí)間越長，地表變形值越小，變形比較平緩均勻，但是地表影響范圍增大。

頂板巖性：上覆巖層強(qiáng)度高、分層厚度大時(shí)，產(chǎn)生地表變形所需采空面積大，破壞時(shí)間長，甚至長期不產(chǎn)生地表變形；強(qiáng)度低、分層薄的巖層，常產(chǎn)生較大的地表變形，且速度快，但變形均勻，地表一般不出現(xiàn)裂縫；脆性巖層地表易產(chǎn)生裂縫。厚度大、塑性大的軟弱巖層作為上覆層時(shí)，地表變形不明顯；層薄的軟巖層作為上覆層時(shí)，地表變形會(huì)很快并出現(xiàn)裂縫，地表變形強(qiáng)烈。

3.1.2 地質(zhì)條件因素

地質(zhì)構(gòu)造條件：巖層節(jié)理裂隙發(fā)育會(huì)促進(jìn)變形加快，增大變形范圍，擴(kuò)大地表裂縫區(qū)。斷層發(fā)育地區(qū)會(huì)破壞地表移動(dòng)的正常規(guī)律，改變地表變形帶的位置和大小且加劇地表變形。

松散層厚度，地表第四系的堆積物越厚，則地表變形值增大，但是應(yīng)力釋放空間較大，變形平緩均勻。

水文地質(zhì)條件：地下水活動(dòng)（特別是抗水性弱的軟弱巖層或節(jié)理裂隙發(fā)育的強(qiáng)透水巖層）會(huì)加快變形速度，擴(kuò)大地表變形范圍，加劇地表變形。

3.1.3 開采條件因素

礦床的開采方法、開采深度、采動(dòng)程度、礦層頂板的處置方法以及采空區(qū)的大小、形狀等都會(huì)對(duì)采空區(qū)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，誘發(fā)采空地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害。

3.2 成因機(jī)理研究

根據(jù)研究分析，研究區(qū)采礦誘發(fā)的地面塌陷的成因機(jī)理如下：

①研究區(qū)內(nèi)礦體呈似層狀，厚度多大于5米，當(dāng)采深采厚比較小時(shí)（小于30%），加之頂板白云質(zhì)大理巖，整體上屬劣質(zhì)的軟弱巖石，強(qiáng)度相對(duì)較小，穩(wěn)定性較差，沒有有效的支撐頂板。在地下礦層開采形成采空區(qū)的過程中，周圍巖體的應(yīng)力場產(chǎn)生變化，應(yīng)力調(diào)整和重新分布，采空區(qū)頂板覆巖表現(xiàn)出應(yīng)力集中，促使采空區(qū)頂板覆巖遭受剪切破壞，完整性降低，裂隙進(jìn)一步發(fā)育，使巷道頂板、底板和側(cè)幫巖層產(chǎn)生變形，出現(xiàn)頂板冒脫、裂隙帶和彎曲帶；礦山多年開采引起頂板巖層移動(dòng)已明顯波及到地表，其地表沉陷和變形在空間上和時(shí)間上都有明顯的不連續(xù)特征，地表變形劇烈，采空區(qū)上方會(huì)形成較大的裂縫或塌陷坑[4]。

②研究區(qū)內(nèi)坑道的主要涌水量為錦屏組第一段上部的巖溶裂隙水，片麻巖隔水層有張裂隙，其透水性較好。上部巖層富含地下水，通過構(gòu)造裂隙滲入深部圍巖和采空區(qū)，導(dǎo)致裂隙張開，強(qiáng)度降低；同時(shí)，地下礦層開采時(shí)，在地下水疏排過程中，隨著地下水位不斷下降，形成很大的降落漏斗，覆蓋層由于自身重力及縫隙水壓力向下形成壓力，從而加劇巖層破壞，最終誘發(fā)頂板覆巖和地表冒落塌陷。

③采用房柱法開采的礦層，留設(shè)保護(hù)礦柱，但礦房被開采后，破壞了原始應(yīng)力平衡狀態(tài)，導(dǎo)致了采場應(yīng)力的重新分布，隨著時(shí)間的推移和應(yīng)力場的改變，在不斷積累的應(yīng)力作用下，發(fā)生劈裂、片幫等現(xiàn)象，最后上覆巖層會(huì)失去支撐而導(dǎo)致冒落下沉，在垂直方向的破壞和移動(dòng)，形成比較明顯的“三帶”破壞形，進(jìn)而引發(fā)上覆巖層沉降和采空塌陷。

礦柱對(duì)采礦引起載荷的整體響應(yīng)取決于礦柱大小、礦柱中的地質(zhì)構(gòu)造和圍巖對(duì)礦柱所施加的表面約束等。在接近礦柱強(qiáng)度的應(yīng)力作用下，礦柱發(fā)生破壞，致使表面剝落、剪切破裂、內(nèi)部劈裂、穿透節(jié)理或撓曲破壞。

④采礦過程中，井內(nèi)放炮震動(dòng)使得巖土體發(fā)生破裂、位移和砂土液化現(xiàn)象，巖土體強(qiáng)度降低，從而引發(fā)地面變形。另外，采礦及運(yùn)輸設(shè)備振動(dòng)，地表荷載增加等，也會(huì)對(duì)采空區(qū)產(chǎn)生影響擾動(dòng)，加劇頂板破壞，誘發(fā)采空地面塌陷。

4 結(jié)論

①研究區(qū)采空地面塌陷近年來發(fā)生頻率增加，是礦產(chǎn)埋藏條件、礦區(qū)地質(zhì)條件和開采條件多方面因素共同作用的結(jié)果；

②研究表明礦區(qū)的采深采厚比、圍巖的性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、地下水條件和開采方式是發(fā)生采空地面塌陷的主要原因。在采空區(qū)形成的過程中，采空區(qū)頂板覆巖遭受較為嚴(yán)重的破壞，加這構(gòu)造裂隙較為發(fā)育，地下水作用等外部因素的誘發(fā)，采空區(qū)發(fā)生地面塌陷；

③礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，威脅地下礦井生產(chǎn)安全，同時(shí)危害礦區(qū)內(nèi)生產(chǎn)人員及構(gòu)建筑物安全。了解其地質(zhì)災(zāi)害成因及機(jī)理是地質(zhì)災(zāi)害防治工作的重要依據(jù)，是礦區(qū)周邊土地規(guī)劃及綜合利用的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王兆遠(yuǎn)，徐婷，李源匯，梅甫定.磷礦采空區(qū)風(fēng)險(xiǎn)管理體系探討[J].安全與環(huán)境工程，2011，18（2）：77-80.

[2]于大鵬，覃秋雅，馬秉智，毛偉.礦山采空區(qū)地面塌陷危險(xiǎn)性預(yù)測[J].工礦自動(dòng)化，2010（3）：78-81.

[3]馮有利，羅清威.基于Roughset的采空區(qū)地面塌陷危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)[J].河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，35 （6）：759-764.

[4]劉佑榮.巖體力學(xué)[M].北京：中國地質(zhì)大學(xué)出版社，2012.

作者簡介：

王玉喜（1985- ），男，籍貫：江蘇鹽城，本科，工程師，主要從事水工環(huán)地質(zhì)相關(guān)工作。