烏石山礦地表塌陷形成原因及處理

胡軍

（新余鋼鐵集團有限公司烏石山礦，江西 吉安 343411）

0 引言

地面塌陷是指地表巖、土體在自然或人為因素作用下向下陷落，并在地面形成塌陷坑（洞） 的一種動力地質(zhì)現(xiàn)象。周文亮[1]研究分析了烏石山礦地面塌陷的成因以外，對該區(qū)域地面塌陷深層次原因和工程處理措施的研究相對較少。本文通過對烏石山礦地面塌陷形成原因、機理的研究，提出有效的處理方案和措施，對今后礦井安全生產(chǎn)中地質(zhì)災(zāi)害的處理具有重要意義。

1 地質(zhì)概況

烏石山礦區(qū)內(nèi)出露的主要地層有泥盆系中統(tǒng)棋子橋組、上統(tǒng)佘田橋組和錫礦山組，石炭系下統(tǒng)大節(jié)湖組，白堊系上統(tǒng)南雄組以及第四系等。北部、中部和南西部均有石炭系下統(tǒng)大節(jié)湖組灰?guī)r地層覆蓋，巖溶發(fā)育，井下階段無序開采，破壞斷裂帶和軟弱層，造成與巖溶溶洞之間的水力聯(lián)系，溶洞水的流失，溶洞崩塌，以致地表塌陷等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，塌陷坑面積在9～100 m2不等（圖1），已成為嚴重阻礙和制約礦井正常有序安全發(fā)展的重要因素。

圖1 塌陷坑地表分布示意Fig.1 Distribution of subsidence pit on the surface

2 地表塌陷特征的初步分析

近年來，烏石山礦區(qū)地表塌陷陸陸續(xù)續(xù)發(fā)生，河道、農(nóng)田、道路邊、村莊等都有見之。關(guān)于地表塌陷的具體特征，以烏石山礦禁沖采區(qū)為例，塌坑主要分布在高溪河?xùn)|岸與農(nóng)田之間，經(jīng)過區(qū)域地質(zhì)與井上井下對比研究，可發(fā)現(xiàn)塌陷坑與礦體（即蒜田屋單翼） 走向，以及井下采場分布基本一致。地表塌陷坑大多呈不規(guī)則橢圓層、似圓形，平面大小在3 m×3 m～10 m×10 m，普遍深度在2～5 m，個別塌坑在10 m 及以上，區(qū)域上呈線狀多點有規(guī)律分布的特征。

3 地表塌陷形成原因分析

3.1 礦井充水補給因素

礦區(qū)為低山丘陵地形，東部低山區(qū)略呈南北向延伸，由泥盆系上統(tǒng)碎屑巖組成構(gòu)造—剝蝕地形；西部為波狀起伏的低山丘陵崗埠區(qū)，由白堊系砂礫巖組成剝蝕—堆積地形。海拔標高146.2—457.10 m，最大比高311 m，當?shù)刈畹颓治g基準面為+160 m。礦區(qū)最高洪水位標高171.69 m（高溪村）。

地表水系不發(fā)育，僅南西側(cè)發(fā)育1 條高溪河，溪流流量不大，受季節(jié)變化，水位暴漲暴落。礦井充水補給源主要為大氣降水及高溪河地表水。

3.1.1 大氣降水

大氣降水是補給河流及礦床地下水的主要因素，直接通過構(gòu)造破碎帶流入礦床，該區(qū)沒有導(dǎo)水構(gòu)造直接出露地表；礦床所處的氣候帶為潮濕多雨氣侯,大氣降水通過第四系坡殘積孔隙及花崗巖全孔隙向地下滲透,為礦坑充水的間接因素。

3.1.2 高溪河地表水

高溪河由南而北流經(jīng)礦區(qū)南西側(cè)白堊系之上，僅南端切割了棋子橋組，該組厚約260 m，裂隙及巖溶發(fā)育微弱，簡易水文無異常反映。抽水結(jié)果q=0.004 3 L/s·m，K=0.005 7 m/日，為微弱的巖溶—裂隙承壓水含水層，因此對礦坑充水影響不大。郭嶺村以北切割了大節(jié)湖組，離礦區(qū)較遠，其對礦區(qū)北部大節(jié)湖灰?guī)r淺部巖溶發(fā)育帶有少量補給。高溪河規(guī)模不大，旱季河水流量較小，雨季最大流量約為36.28 m3/s。

經(jīng)分析研究后確定該河流對礦坑充水的補給通道主要是通過構(gòu)造斷裂帶。

3.2 冒落帶及裂隙帶高度預(yù)測

高溪河在礦區(qū)西南部挨近礦體。根據(jù)《建筑物、水體鐵路及主要井巷煤柱開采規(guī)程》第50 條礦區(qū)的水體采動等級及允許采動程度規(guī)定，該礦水體為重要水源，允許采動等級應(yīng)屬1 級，不允許導(dǎo)水裂隙波及到地面水體。

根據(jù)《“三下”規(guī)程》中關(guān)于開采單一礦層的垮落帶最大高度計算公式，對該礦垮落帶最大高度進行預(yù)計。

式中：h1為冒落帶高度；m 為累計采厚，蒜田屋單翼9、10 線附近上礦層最厚取3.5 m，下礦層最厚3.66 m，因此累計采厚7.16 m；k1為巖石松散系數(shù)，取1.6；α 為礦體傾角，取南部烏石區(qū)域最大傾角40°。

根據(jù)《“三下”規(guī)程》中關(guān)于開采單一礦層的垮落帶最大高度計算公式，對該礦導(dǎo)水裂隙最大高度進行預(yù)計。

式中：h2為裂隙帶最大高度；m 為累計采厚，取7.16 m；k2為冒落帶剩余松散系數(shù)，取1.35；k3為裂隙帶剩余松散系數(shù)，取1.02。

根據(jù)“二帶”計算，確定冒落帶最大高度為15.58 m，導(dǎo)水裂隙帶最大高度為38.7 m。礦床開采礦層距地表水體、風(fēng)化層最近距離180 m（11 線位置，為最薄地段），冒落帶及導(dǎo)水裂隙帶不會波及地表水體。

高溪河溪流底板未切穿含水層，不會改變其原有的導(dǎo)水系數(shù)，礦坑涌水量預(yù)測已考慮該部分滲水水量，因此溪流對下部開采的影響在可控范圍內(nèi)。

3.3 可能進水通道分析

根據(jù)現(xiàn)場資料分析，目前礦坑上部出水點主要是蛇形+60 m 中段有明顯的水流進入礦坑，其它地段沒有明顯的進水方式或大的水流，只有南部通過導(dǎo)水斷層進入礦坑的微細水流，因此分析可能進水通道有3 種。

3.3.1 “天窗”

礦區(qū)目前出現(xiàn)的“天窗”是礦坑充水的最主要通道，位于9 線ZK904 和ZK907 之間，鉆孔ZK905 附近。從9 線附近礦體的分布和現(xiàn)場揭露的情況分析，天窗的形成有以下幾點因素存在。

（1） 礦體離地表較近。

（2） 在907 孔位置礦體被層間小斷層破壞，礦體與大節(jié)湖組灰?guī)r地層直接接觸，出現(xiàn)“天窗”。由于以上因素存在，施工中沒有采取措施，直接開采礦體，采空區(qū)未采用充填封堵，造成灰?guī)r水通過天窗進入礦坑，形成了人為進水通道。

3.3.2 南部F6 斷層透水通道

斷層帶寬度前者2.5～20.00 m，斷層雖然切割了泥盆系棋子橋組和石炭系大節(jié)湖組地層，但對該斷層帶抽水試驗結(jié)果，透水性從北側(cè)到南側(cè)由強到弱，單位涌水量為q=1.74～1.82 L/s·m 至0.000 278 L/s·m，滲透系數(shù)K=13.60～25.07 m/d 至0.003 233 m/d，說明其富水性及透水性變化很大，北側(cè)與大節(jié)湖組灰?guī)r交接的面巖溶發(fā)育，透水性良好，含水性較強，南側(cè)巖溶發(fā)育弱，因此北側(cè)破碎帶及巖溶發(fā)育帶是地表水進入礦坑的主要通道，基本可以確定南部高溪河水是通過F6 斷層這個通道對礦坑水進行補給的。

3.3.3 松動節(jié)理裂隙通道

礦區(qū)通過后期采動松動，形成微細節(jié)理裂隙滲透形成水力通道，從而完成對礦坑水的補給。

4 處理措施

4.1 地面防治水措施

4.1.1 堵塞通道

（1） 對南部地面塌陷地段，要將它們充填夯實，在其下部以碎石充填，上部以粘土填實，頂部高于地表。

（2） 對可能與井巷聯(lián)通的地表裂隙及塌陷地點必須進行填平、堵塞等工作，以防止地表水通過裂隙滲入井下。

（3） 排到地面的礦井水，必須妥善處理，避免再滲入井下。

4.1.2 挖排洪溝

（1） 依山臨原的礦井或含水層露頭的地方，要利用地形垂直于潛水流方向布置排洪溝和截水溝，將洪水和潛水流引出這些地點之外。

（2） 必須經(jīng)常對流經(jīng)礦區(qū)的高溪河水流系統(tǒng)的匯水、流經(jīng)礦區(qū)各段河道的滲漏情況，各段流量進行監(jiān)測，以及掌握疏水能力及有關(guān)水利情況，建立疏水、防水、排水系統(tǒng)。

（3） 對地表可能滲入井下的積水及容易積水的地方必須修筑溝渠時應(yīng)避開含水層露頭、裂隙及較低洼地點。

（4） 每次降大到暴雨后，必須派專人檢查礦區(qū)及其附近地面有無裂隙、老窿塌陷等現(xiàn)象，如發(fā)現(xiàn)問題，必須及時進行處理。

4.1.3 地面注漿堵水

此次地面帷幕注漿的目的主要是要防止高溪河水下滲，故注漿地段在高溪河附近。

南部高溪河底有1 層砂礫石層，厚度4～16 m不等，下層是白堊系上統(tǒng)南雄組，巖性紫紅色厚層狀礫巖中粒砂巖，偶夾細粒砂巖，分布于礦區(qū)西南部，礦區(qū)范圍內(nèi)高溪河底約厚60 m，往北東方向約40 m 左右尖滅，該組巖性致密，巖芯完整，皆具良好隔水性，為一良好隔水層。

故帷幕注漿主要是防范表層砂礫石層，注漿深度要超該層到南雄組弱風(fēng)化地段，帷幕結(jié)構(gòu)形式為封底式防滲帷幕。帷幕布置沿著高溪河邊距離約10 m 左右布置，帷幕注漿平面形式采用半封閉式布置。

4.2 井下防治水措施

4.2.1 留設(shè)隔水礦柱安全隔水厚度

根據(jù)《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》GB12719-91 規(guī)范要求，安全隔水厚度的絕對值采用式（3） 計算。

式中：t 為安全隔水厚度，m；L 為采掘工作面底板最大寬度，m；取最大值50.0 m；r 為隔水層巖石的容重，t/m3；取2.8 t/m3；Kp 為隔水層巖石的抗張強度，Pa；取礦區(qū)隔水層綜合樣品測試值的平均值7.27 MPa。H 為隔水層底板承受的水頭壓力，Pa。此次計算的承壓水頭可由隔水層頂界面到測壓水位面的垂直距離作為此次計算的承壓水頭，計算得181 m。

計算得安全隔水厚度t=77 m。

4.2.2 井下探水

（1） F6 斷層探水。

設(shè)計探水的考慮是控礦構(gòu)造的透水性，以及考慮該控礦構(gòu)造往西延伸到高溪河底，布設(shè)探水，有利于查明該斷層的導(dǎo)水性。

（2） 其它地段探放水。

其它地段如出現(xiàn)工作面潮濕、淋水和有出水預(yù)兆時應(yīng)設(shè)探水線探水。應(yīng)根據(jù)探水情況采取措施，若探得水量較小或以靜儲量為主，可按生產(chǎn)需要，用一定數(shù)量的鉆孔放水；若探得水量突然增大，采取抽排水不能保證生產(chǎn)安全時，應(yīng)采取注漿堵水措施。

4.2.3 注漿堵水

（1） 注漿方式。

該區(qū)注漿堵水方式采用井下注漿堵水帷幕，原因主要是該區(qū)地層基本是隔水層，唯一水力通道就是構(gòu)造破碎帶（F6 斷層）。由于F6 斷層破碎帶北側(cè)透水性好，如施工過程中揭露了斷層，采用坑道局部注漿堵水效果較好，即經(jīng)濟工程量又不大，技術(shù)成熟。帷幕注漿堵水工程布置圖如圖2所示。

圖2 帷幕注漿堵水工程布置示意Fig.2 The layout of curtain grouting water plugging project

（2） 坑道注漿有關(guān)參數(shù)。

帷幕坑道及注漿孔的布置：注漿坑道布設(shè)長度15 m，斷面規(guī)格2.2 m×2.2 m；注漿孔布置采用單排孔形式，半扇形布置，注漿孔尾端間距約10 m，過F6 斷層5 m，約布置10 個注漿孔。

帷幕厚度最小控制在10 m。

（3） 注漿方法及工藝要求。

為確保注漿安全和工程質(zhì)量擬采用孔口封閉孔內(nèi)循環(huán)，下行式分段注漿方法。

注漿孔開孔孔徑為76 mm，為保證注漿質(zhì)量，宜采用高壓孔內(nèi)循環(huán)式注漿。因此必須埋設(shè)好孔口管，管口安裝特制的孔口封閉器。鉆進時要帶好孔口封閉保護裝置。

注漿孔設(shè)計為直孔，允許偏斜率應(yīng)控制在1.5%以內(nèi)。為保證注漿孔的偏斜在允許范圍之內(nèi)，鉆進過程中每50 m 孔深測斜一次，發(fā)現(xiàn)孔斜應(yīng)及時采取有效的糾偏處理措施。

4.3 采空區(qū)處理

4.3.1 淺孔房柱法采空區(qū)處理

開采完后，將通風(fēng)天井和出礦漏斗等一切通向采空區(qū)的巷道和出口進行堅固密實地封閉。然后將井下生產(chǎn)的廢石通過上中段的回風(fēng)巷道，倒入采空區(qū)進行充填。廢石干式充填雖然上部并不能完全充滿，存在結(jié)頂困難，但充填過后，頂板有一定的支撐，基本能維持采空區(qū)穩(wěn)定。充填完后將回風(fēng)巷道與充填采空區(qū)連接處砌筑一定厚度的隔墻。

4.3.2 連續(xù)垂直分條充填采礦法采空區(qū)處理

邊開采邊充填，分條開采完后即開始充填，礦塊開采完后，采空區(qū)也充填完畢。充填法在回采過程中可密實充填采空區(qū)，對于維護圍巖、防止發(fā)生大范圍的巖層移動，減緩地表下沉，都有顯著的作用。

5 結(jié)論

（1） 礦體被層間小斷層破壞，礦體與大節(jié)湖組灰?guī)r地層直接接觸，出現(xiàn)“天窗”；加之采礦作業(yè)時沒有采取措施，直接開采礦體，采空區(qū)未采用充填封堵，造成灰?guī)r水通過“天窗”進入礦坑，形成了人為進水通道。

（2） 破碎帶及巖溶發(fā)育帶是地表水進入礦坑的主要通道，高溪河水是通過F6 斷層對礦坑水進行補給的。

（3） 采用地表和井下相結(jié)合的方法，采用帷幕注漿堵水，從事后的工程效果來看，基本控制了地表塌陷事故的惡化；同時建議礦井今后加大采礦技術(shù)的研究，由空場法變更為充填法，提高礦產(chǎn)回收率和解決地表塌陷等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。