武安市礦山鎮(zhèn)鐵礦冒落塌陷分析與預(yù)測(cè)

宋鵬杰

（河北省地礦局第九地質(zhì)大隊(duì)，河北 邢臺(tái) 054000）

1 礦區(qū)概況

礦區(qū)位于武安凹斷束北端，區(qū)內(nèi)地層總體產(chǎn)狀為北北東，傾向南東東，傾角一般為5～15°，局部較陡，區(qū)內(nèi)有一些小型的褶皺背斜與向斜；斷裂以正斷層為主，構(gòu)造線的方向北北東～北向?yàn)橹鳎浯螢楸睎|東向。礦山鎮(zhèn)鐵礦為一埋藏較深、規(guī)模較大、品位較高的矽卡巖型磁鐵礦床。中關(guān)～礦山鎮(zhèn)背斜是區(qū)內(nèi)主要控巖、控礦構(gòu)造。礦區(qū)內(nèi)較厚礦體為Ⅰ-1、Ⅱ-1礦體，礦層傾角 10～15°，局部 45°左右。

2 采空區(qū)塌陷預(yù)測(cè)研究分析

地下礦層大面積采空后，礦層上部的巖層失去支撐，平衡條件破壞，使巖層塌落、彎曲，以致引起地面下沉變形。繼而形成移動(dòng)盆地，移動(dòng)盆地的邊界通常超出地下采空區(qū)的邊界范圍。本礦區(qū)鐵礦層直接頂板為奧陶系中統(tǒng)灰?guī)r，巖石多致密堅(jiān)硬，在構(gòu)造有利部位裂隙極為發(fā)育。底部為閃長(zhǎng)巖、蝕變閃長(zhǎng)巖，較為堅(jiān)硬，局部蝕變部位較破碎。

本區(qū)內(nèi)鐵礦體多呈透鏡狀、囊狀、條帶狀。較厚部位在ZK08、ZK06、CK10孔附近，鐵礦體呈透鏡狀，其直接頂板為磁縣組厚層大理巖，巖性堅(jiān)硬完整，裂隙發(fā)育。由此我們可以參閱西石門鐵礦的塌陷情況。

采空區(qū)在上覆巖石自重應(yīng)力作用下，促使采空區(qū)頂板某一高度內(nèi)巖層發(fā)生破裂和冒落，由下往上分為冒落帶、裂隙帶、整體下沉帶[1]。冒落下來的巖石碎塊由于碎脹，體積有一定的增大，根據(jù)附近西石門鐵礦資料，碎脹系數(shù)取1.2，其中冒落帶高度可以用下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

式中：M—開采厚度（m）

k—碎脹系數(shù)

α—礦層傾角，

α 值 10～15°，取 15°

h1—冒落帶高度（m）

n─經(jīng)驗(yàn)系數(shù),其值3～5,這里取4

h2—裂隙帶高度（m）

3 預(yù)測(cè)結(jié)果

地表塌陷坑深度等于采空區(qū)頂板冒落高度減去鐵礦層埋深，當(dāng)開采深度小于冒落帶高度時(shí)，地表就會(huì)產(chǎn)生塌陷。當(dāng)開采深度大于冒落帶高度而小于裂隙帶高度時(shí)，地表只產(chǎn)生裂縫。采空區(qū)地表塌陷坑四周及附近總有伴生裂縫相隨產(chǎn)生，塌陷坑一般呈橢圓形，當(dāng)采空區(qū)冒透地表時(shí)，地表的變形與破壞表現(xiàn)為在塌陷區(qū)的周邊形成許多間隔的斷裂線。約在ZK06、CK10孔周邊及ZK08孔周邊，在36600m2范圍內(nèi)預(yù)測(cè)采空后將會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)主要塌陷坑，呈橢圓形，分別為：

預(yù)測(cè)1#塌陷坑：長(zhǎng)軸約70m，短軸約40m,最大深度約為48.68m。預(yù)測(cè)2#塌陷坑：長(zhǎng)軸約120m，短軸約75m,最大深度約為139.33m。該兩坑可能在此基礎(chǔ)向四周擴(kuò)展，尤其預(yù)測(cè)2#塌陷坑深度大，其擴(kuò)展較預(yù)測(cè)1#塌陷坑有更大空間。計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 地面塌陷區(qū)冒落高度計(jì)算結(jié)果表

4 采空區(qū)頂板冒落過程分析

根據(jù)采空區(qū)頂板巖性、空區(qū)狀態(tài)、空區(qū)頂部穹拱及采礦實(shí)踐，分析空區(qū)頂板冒落過程，主要包括以下4個(gè)階段：

初始冒落階段。采空區(qū)內(nèi)礦石采出后，頂板處于臨空狀態(tài)，在拉應(yīng)力的作用下，穹拱平衡被打破，巖體順節(jié)理擴(kuò)展、貫通，導(dǎo)致巖體破壞并在自重作用下自然崩落下來，形成新的穹拱。

間斷冒落階段?？諈^(qū)頂板塌陷后暴露面積不斷擴(kuò)大，更多巖體參與繼續(xù)順節(jié)理向上發(fā)展，不時(shí)發(fā)生冒落，穹拱在趨于平衡但達(dá)不到平衡的情況下向上發(fā)展，冒落范圍呈間斷性地?cái)U(kuò)大，穹拱也呈間斷性向上擴(kuò)張。

地表冒落階段。當(dāng)空區(qū)頂板冒落接近地表時(shí)，穹拱頂部巖石隨臨空面積增大常常產(chǎn)生整體變形和破壞，周邊受剪應(yīng)力破壞常以突發(fā)形式呈大規(guī)模冒落，此時(shí)可能引發(fā)具有危害性的氣浪，同時(shí)造成穹拱被破壞。

擴(kuò)展下移階段?？諈^(qū)上部地表崩落后，周邊巖石逐漸向空區(qū)崩落、崩落下來的周邊巖石充填到空區(qū)，空區(qū)崩落邊界逐漸向外擴(kuò)展至達(dá)到新的平衡狀態(tài)采空區(qū)塌陷結(jié)束。

由此我們可以發(fā)現(xiàn)空區(qū)頂板的冒落形式：前期及后期主要是順節(jié)理或裂隙發(fā)展的以散體形式冒落，中后期是受周邊剪應(yīng)力影響而大規(guī)模的批量冒落。

5 結(jié)語

采空區(qū)地面塌陷是一個(gè)復(fù)雜的拉應(yīng)力、剪應(yīng)力針對(duì)巖層的方向不斷變化、位置不斷變化的，且時(shí)間與空間不連續(xù)的變化過程，具有間斷性和突發(fā)性，并且與采空區(qū)頂板的巖性、構(gòu)造及裂隙發(fā)育程度有很大的聯(lián)系，也與冒落后形成的穹拱形狀有關(guān)[2]。但是地表塌陷總有伴生裂縫相隨且提前出現(xiàn)，地裂縫總沿一定方向延伸，在同一地點(diǎn)同一地區(qū)地裂縫延伸方向大致相同或相似。將來礦區(qū)可通過對(duì)采空區(qū)地表塌陷區(qū)的伴生裂縫裂隙研究分析觀測(cè)，能夠更加準(zhǔn)確地掌握塌陷區(qū)在具體時(shí)空上的發(fā)生發(fā)展變化。

在開采中應(yīng)根據(jù)采空區(qū)的空間形態(tài)大小規(guī)模采取適當(dāng)方法進(jìn)行提前預(yù)防，以阻止礦體頂板含水層石灰?guī)r裂隙的擴(kuò)展延伸而有可能引起的局部涌水量突然增大；同時(shí)還可避免塌陷后，塌陷坑地表處的兩個(gè)沖溝逢雨季時(shí)雨水灌入。根據(jù)不同情況可采取回填礦渣、噴漿支護(hù)、錨桿支護(hù)、錨噴支護(hù)、錨網(wǎng)支護(hù)等措施，避免并減少坍塌，降低地表出現(xiàn)塌陷坑的幾率，將危險(xiǎn)系數(shù)盡力降低。