荊門市白廟街辦石膏礦采空區(qū)特征及穩(wěn)定性分析

朱文彩，陳勝林，陳 松，劉 杰

(湖北省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院,湖北 武漢 430050)

荊門市白廟街辦轄區(qū)內(nèi)共有4家石膏礦企業(yè)(荊花礦、榮興礦、寶龍礦、明珠礦),石膏礦山自2016年停產(chǎn)后至2018年底的2年間,多次發(fā)生采空區(qū)地面塌陷,導致周邊大面積建(構)筑物損毀,土地無法利用[1]。本文以白廟辦轄區(qū)的四家石膏礦山為對象,分析探討石膏礦采空區(qū)的變形特征、影響因素及穩(wěn)定性。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)處于丘陵和江漢平原的過渡地帶,屬低緩丘陵地貌,山體坡度5°～10°。區(qū)內(nèi)地表大部分為第四系地層覆蓋,地層從上至下為第四系(Q)粘性土、古近系夾馬槽組(Ejm)泥質(zhì)粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖、白堊系跑馬崗組(K2p)泥質(zhì)粉砂巖,跑馬崗組地層夾3層石膏礦層,礦層厚度1.27～4.23 m,最大厚度12.89 m。受荊門斷裂作用的影響,區(qū)內(nèi)巖層產(chǎn)狀平緩,傾角在3°～8°之間,為單斜構造[2]。

2 采空區(qū)特征

白廟街辦石膏礦區(qū)于上世紀八、九十年代建礦,歷經(jīng)近三十年的開采形成了規(guī)模不等的采空區(qū),各采空區(qū)礦柱、采高特征見表1,采空區(qū)形態(tài)特征見圖1。

表1 白廟街辦石膏礦采空區(qū)特征匯總表Table 1 Summary of goaf characteristics of Baimiaojieban gypsum mine

圖1 白廟街辦石膏礦采空區(qū)剖面示意圖Fig.1 Section diagram of goaf in Baimiaojieban gypsum mine1.粘土(表土)；2.泥質(zhì)粉砂巖；3.粉砂質(zhì)泥巖；4.石膏礦層；5.礦柱及采空區(qū)；6.地層界線。

3 采空區(qū)變形特征

研究區(qū)內(nèi)石膏礦山企業(yè)自2016年停產(chǎn)后至2018年底的2年間,共發(fā)生14起采空區(qū)地面塌陷,年均發(fā)生量達7次之多,較前20多年間年平均1.4起有近5倍增幅。礦區(qū)采空區(qū)地面變形的主要表現(xiàn)方式為地面塌陷和地面裂縫。區(qū)內(nèi)的采空區(qū)變形根據(jù)采空深度和地面變形的特征可分為“切冒型”和“拱冒型”兩種。

(1) “切冒型”主要發(fā)生于采空深度<100 m的礦房及巷道,地表呈圓形、橢圓形的塌陷,塌陷面積小于采空區(qū)面積。整體冒落形狀呈反漏斗狀,塌陷深度較大,陷坑周壁巖層出露清晰,雖然影響范圍不大,但對地表形成的破壞性及危險性較大[3]。

(2) “拱冒型”主要發(fā)生于采空深度>100 m的采空區(qū),地表呈盆地狀、圓形、橢圓形的塌陷,變形范圍在平面上超出采空區(qū)范圍。采空區(qū)的四周冒落高度小,中部冒落高度大,冒落后地表出現(xiàn)縱橫交錯的張開裂縫,裂縫位置可在采空區(qū)平面范圍內(nèi)側或外側盆地邊緣處,變形的延續(xù)時間較長,可達幾天—數(shù)月。

近年在白廟街辦轄區(qū)的四家石膏礦的14次塌陷中,10次為“拱冒型”,4次為“切冒型”。

4 采空區(qū)變形的影響因素

研究區(qū)的石膏礦經(jīng)多年開采形成的采空區(qū)面積大,空間結構較復雜,影響采空區(qū)穩(wěn)定的因素較多,根據(jù)礦區(qū)地面塌陷的發(fā)育分布規(guī)律、變形特點,結合區(qū)域水文地質(zhì)工程地質(zhì)條件及礦山特點綜合分析,影響采空區(qū)地面變形的主要因素為[4]：

(1) 采礦作業(yè)不規(guī)范的影響。采空區(qū)的形狀、大小等幾何參數(shù)對采空區(qū)穩(wěn)定性有著直接影響。采空區(qū)寬度越小,高度越小,采空區(qū)面積越小,預留礦柱面積比率越大,采空區(qū)越穩(wěn)定,反之則越不穩(wěn)定。

(2) 區(qū)域巖土工程地質(zhì)條件差。圍巖質(zhì)量對采空區(qū)穩(wěn)定性起著決定性作用。圍巖質(zhì)量越好,強度越高越穩(wěn)定;反之,質(zhì)量越差,強度越低,其承受應力釋放帶來的變形能力就越差,圍巖就越不穩(wěn)定。石膏礦圍巖多為軟質(zhì)巖類,不利于采空區(qū)的穩(wěn)定。

(3) 地下水的影響。石膏礦物飽水后會明顯軟化,抗壓強度、抗拉強度顯著降低。

(4) 礦區(qū)構造作用。斷層或裂隙處容易滲水,采空區(qū)上覆地層受地下滲水的長期沖刷,容易導致護頂層巖石的弱化,從而影響到采空區(qū)的穩(wěn)定性。

5 采空區(qū)穩(wěn)定性分析及發(fā)展趨勢預測

5.1 計算參數(shù)

采空區(qū)圍巖可分為表土、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、石膏巖四類,根據(jù)礦區(qū)勘查報告,并參考周邊工程地質(zhì)資料,穩(wěn)定性分析計算的巖體力學參數(shù)見表2。

表2 巖體的力學參數(shù)Table 2 Mechanical parameters of rock mass

5.2 礦柱穩(wěn)定性分析

采用房柱法采礦時,礦柱強度對采空區(qū)的穩(wěn)定起著很大的作用。采用緩傾斜礦體礦柱計算法來估算采空區(qū)的穩(wěn)定性。礦柱相對面積應滿足下式：

S0/S≥γhnk/σ0kf

(1)

式中：S為礦柱支撐面積(m2);S0為礦柱橫截面積(m2);k為荷載系數(shù),據(jù)石膏礦特點取k=1;σ0kf為礦柱礦石立方形試件單軸抗壓強度(MPa),用頂板巖石的抗壓強度Rc來代替σ0kf;n為安全系數(shù),當?shù)乇聿辉试S陷落或礦柱需長期保留時,取3～5;kf為礦柱的形狀系數(shù);γ為覆巖容重;h為采空區(qū)距地表深度。在已知礦柱、礦房尺寸時,由上式求得礦柱安全系數(shù)n。

相關研究成果表明石膏礦在泡水后,其強度將大大降低,軟化系數(shù)約為0.8,石膏礦柱因流變強度折減系數(shù)為0.66,由此計算出礦柱的平均安全系數(shù),詳見表3。

表3 礦柱穩(wěn)定性安全系數(shù)計算結果表Table 3 Calculation results of safety factor of pillar stability

計算結果表明,采空區(qū)在礦柱泡水后,礦柱的穩(wěn)定性將得不到保障。

5.3 采空區(qū)上覆巖層穩(wěn)定性計算

石膏礦開采之后,采空區(qū)上覆巖層的穩(wěn)定性根據(jù)重力與摩阻力的力學平衡之間的關系來判斷。根據(jù)力學平衡分析,當采空區(qū)埋深H增大到某一深度時,上覆巖層恰好保持自然平衡狀態(tài),此時的H稱為臨界深度H0,則臨界深度計算公式為：

(2)

式中：B為巷道寬度(m);φ為巖層的內(nèi)摩擦角(°)。比較采空區(qū)埋藏深度H與臨界深度H0,即可粗略地評價上覆巖層的穩(wěn)定性。當H1.5H0時,采空區(qū)上覆巖層穩(wěn)定。計算時,φ取上覆巖土層的內(nèi)摩擦角加權平均值標準值作為計算值,取φ=32°。根據(jù)上述公式計算出石膏礦覆巖穩(wěn)定性所需厚度,如表4所示。

表4 覆巖厚度計算結果表Table 4 Calculation results of overburden thickness

計算結果表明,采空區(qū)覆蓋層厚度不滿足穩(wěn)定要求,穩(wěn)定得不到保證。

石膏礦采空區(qū)變形是一個長期持續(xù)的過程。研究區(qū)內(nèi)的四家石膏礦采用房柱法開采,采空區(qū)跨度較大,采高較高,采空區(qū)覆蓋層厚度不滿足穩(wěn)定要求,采空區(qū)的穩(wěn)定性將得不到保證。對礦區(qū)環(huán)境、安全等方面形成了極大的安全隱患[5]。

6 塌陷危險區(qū)處置措施

目前,地下采空區(qū)的處理方法通常有封閉、崩落、加固和充填四大類。在具體的采空區(qū)處理過程中,由于各個礦山存在的采空區(qū)數(shù)量、所處位置、形態(tài)特征不一樣,必須針對各采空區(qū)的特點和條件,分別采取相應的處理方法。有時采用兩類方法聯(lián)合處理,如采用加固法與充填法聯(lián)合、崩落法與充填法聯(lián)合等。

2019年初荊門市開始對研究區(qū)內(nèi)石膏礦采空區(qū)及影響區(qū)進行地面變形專業(yè)監(jiān)測工作,并根據(jù)采空區(qū)特征及目前變形程度的不同,分別采用不同的處置措施,從而有效地規(guī)避了地質(zhì)災害的發(fā)生。如：對分散居住的受采空區(qū)變形威脅居民采取緊急搬遷避讓安置；對因采空區(qū)變形受損嚴重的道路、橋梁、輸電線路進行緊急異地重建；對目前變形較為輕微的采空區(qū)進行灌漿回填處置等。