新浦磷礦采空區(qū)地面塌陷誘發(fā)因素研究

胡克榮

江蘇省地質礦產局第六地質大隊，江蘇 連云港 222000

新浦磷礦位于連云港市主城區(qū)，自建礦以來已發(fā)生50余起采空區(qū)地面塌陷，距今最近一次較嚴重的面塌陷發(fā)生在2016年12月31日，塌陷中段位于-440m，塌陷區(qū)輻射地表影響范圍約1萬m2，事發(fā)時磷礦當班作業(yè)人員30人，其中29人成功升井，1人被困井下，事故給當地政府和企業(yè)造成了嚴重的影響。采空區(qū)地面塌陷誘發(fā)因素比較復雜，因此有必要對采空區(qū)地面塌陷誘發(fā)因素進行多方面研究。

1 采空區(qū)地面塌陷情況

根據歷史資料統(tǒng)計，自1978年4月至1980年4月，新浦磷礦在-50m中段使用崩落法采礦，發(fā)生了多次地面塌陷。1981年，改變了采礦方法，使用空場法采礦，加大了-80m中段的頂柱和間柱，隔離-80m以下與-50m中段，防止礦層頂板冒落連通第四系砂層和淤泥，使采空區(qū)塌陷得到有效控制。但1983年11月24日，在-120～-80m中段又發(fā)生了地面塌陷，此后陸續(xù)發(fā)生多次小型塌陷。使用礦房法后，采空區(qū)塌陷重新得到控制。2013年12月25日，在-200m中段，地表形成了直徑110m倒立圓臺塌陷坑；2014年4月，對該塌陷坑采用尾砂和淤泥等填充物進行了回填；但是，2016年12月31日，又發(fā)生了規(guī)模較大的地面塌陷。

2 采礦活動概況

新浦磷礦礦床賦存在第四系淤泥和含水層之下，淺部工程地質條件復雜。1966年初步設計生產能力為30萬t/年，但實際采礦能力維持在15萬t/年。礦床采礦方式為地下開采，-50m中段采用崩落法采礦。由于海淤流砂多次下泄，給安全生產帶來了嚴重威脅，年產量一般不超過10萬t，且無選礦設備，出現采富棄貧現象，致使資源利用率低。其中，-50m中段回采率為31%，-80m中段回采率為40%。

1980年6月27日至7月1日，對采礦方法進行改進，決定由崩落法改為空場法，經過-120m中段的回采，證明該采礦方法合理，回采率為54.84%。由于水平的頂底柱受力情況差于垂直（垂直于礦體）的頂底柱受力，在-160m中段、-200m中段、-240m中段、-280m中段決定采用爆力搬運礦房法采礦，將頂底柱改為垂直設計，從回采情況來看，中段回采率有所提高。為了促進資源的合理利用，2002年新浦磷礦組織有關技術人員對采礦方法進行了改進論證，決定在厚礦體采用階段礦房法，以提升回采率。2007年-550～-280m采用底盤漏斗分段采礦法。

3 地面塌陷誘發(fā)因素

3.1 礦柱穩(wěn)定性影響因素

采空區(qū)塌陷多發(fā)生在采空區(qū)水平中部，即采空空間最大處。根據采礦企業(yè)相關資料可知，磷礦礦體賦儲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。根據工程地質條件可知，白云質大理巖和云母大理巖巖石抗壓強度為113～170MPa，抗剪強度為9.0～14.0MPa。細粒磷灰?guī)r礦石抗壓強度為57.9～150.0MPa，松散礦石抗壓強度僅為24.7MPa。礦體平均體重3.02t/m3，上覆巖層平均容重為27kN/m3。采用礦柱安全穩(wěn)定性系數分析法進行計算，結果如表1所示。

表1 礦柱安全穩(wěn)定性計算表

式中：Pu為巖柱能承受的極限荷載，kN；Pz為巖柱實際承受的荷載，kN。

式中：γ為上覆巖層的平均重度，kN/m3；H為巖柱埋深；A為巖柱寬度；B為礦房寬度；L為巖柱長度。

根據國內外房柱法開采礦山相關經驗，當礦柱安全系數＞1.5時，礦柱能起到支撐頂板的作用。通過分析表1可知，3、4、5號礦柱的安全穩(wěn)定性系數存在＜1.5的可能，當礦柱安全系數＜1.5時，礦柱不能有效支撐起上部頂板，容易引發(fā)采空區(qū)地面塌陷。

3.2 采空區(qū)頂板（場地）穩(wěn)定性影響因素

對采空區(qū)頂板（場地）的穩(wěn)定性研究主要從頂板自身以及頂板遭受礦區(qū)地下水破壞影響兩個方面進行調查分析。

（1）頂板（場地）自身穩(wěn)定性影響。結合表1計算結果，按礦柱安全穩(wěn)定性系數確定場地穩(wěn)定性等級標準，確定采空區(qū)場地（頂板）屬基本穩(wěn)定，但是根據資料可知，塌陷坑所在位置存在2條破壞礦體的斷裂構造，其中壓性斷裂F1走向為北偏東75°，傾角85.5°，扭性斷裂F2走向為北偏東82°，傾角85.5°。采礦企業(yè)在采礦活動中也證實了這兩條斷裂構造的存在，斷裂構造使采空區(qū)頂板整體性受到較大破壞。因此，綜合分析認為采空區(qū)場地（頂板）穩(wěn)定性較差。

（2）礦區(qū)地下水對采空區(qū)頂板穩(wěn)定性的影響。根據國內外礦山開采經驗，地下水對采空區(qū)的影響一般具有滯后性、累積性、隱蔽性和突發(fā)性，從而造成較大危害。新浦磷礦第四系厚度為18.11～26.67m，含磷礦層傾角38°～42°，礦層厚度為1.77～20.57m，開采后采空區(qū)周圍巖體原有應力平衡受到破壞，應力重新分布，會引起上覆巖層的變形、移動與破壞，形成耳朵狀導水裂隙帶。采用經驗法進行分析，其計算公式為

式中：Hli為導水裂隙帶高度；∑M為每段礦層的累計采厚。

由式（3）計算可得導水裂隙高度約為36.6～101.1m，又由于采空區(qū)場地存在兩條斷裂構造，存在構造導水帶，水沿著裂隙侵入頂板巖體內部，導致其物理狀態(tài)發(fā)生改變，削弱了顆粒間的聯系，容易使頂板巖體內聚力降低，破壞了礦物顆粒間的黏結力，造成巖體軟化，強度降低。另外，在礦山疏排水工程中，頂板巖體裂隙中的滲透水在流動過程中會將巖體中的可溶物質帶走，巖體中的小顆粒也將流失，從而降低頂板巖體的強度，導致采空區(qū)頂板穩(wěn)定性較差。

3.3 外部擾動因素

通過調查發(fā)現，采礦過程中存在外部人為及自然擾動因素，且這些因素對采空區(qū)產生的影響較大。主要外部擾動因素表現在以下方面。

（1）-80、-120m中段表外礦及底板殘留礦回采工程活動擾動因素。根據新浦磷礦年報等資料，2009年4月至12月，新浦磷礦對-80m、-120m中段運輸大巷、溜礦井、井底車場、石門巷道等進行了恢復；2010年至2015年開展了-120m中段表外礦礦房及深部-360m、-400m礦房回采活動。采礦過程中的礦體爆破、采礦及運輸設備振動等，可能會加劇頂板及礦柱的破壞。

（2）遭受沖擊荷載和機械動荷載擾動因素。2013年12月25日，在-200m中段發(fā)生了采空區(qū)塌陷，大量的上部巖體突然崩落，巖體自重跌落沖擊，產生了強大的氣浪沖擊波，對采空區(qū)頂板巖體造成破壞性擾動，從而誘發(fā)新的冒落，使頂板表層巖塊加速、頻繁脫落，礦柱受撞擊、擠壓，存在被壓裂、剝落的情況，礦柱遭受破壞。

（3）地震擾動。地震往往伴隨著強大的能量，并以波的形式傳播到采空區(qū)，引起巖體震動，容易誘發(fā)地面塌陷。2015年9月12日，礦區(qū)周邊發(fā)生了3.0級地震，震源深度為10km，距離采空區(qū)直距約35km，礦區(qū)有輕微震感，可能對采空區(qū)頂板和礦柱造成破壞性擾動。

4 結束語

通過研究分析，新浦磷礦采空區(qū)塌陷可能是由采礦方法、礦柱穩(wěn)定性、自身頂板穩(wěn)定性、地下水、采礦活動、外部荷載沖擊、地震等不確定因素的綜合影響造成。采空區(qū)塌陷的誘發(fā)因素復雜，文章主要采用室內數據計算分析和外部推理相結合的方法進行分析，存在一定的局限性，對于新浦磷礦采空區(qū)塌陷誘因還需繼續(xù)深入研究。