秦樓銅金礦地表塌陷分析及治理

汪 鵬 操 帥 李同鵬

（1.安徽大昌礦業(yè)集團(tuán)有限公司；2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司；3.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；4.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心有限公司）

在采礦工程中，地表的巖塊或土體因?yàn)槭艿阶匀换蛉藶橐蛩氐母蓴_，逐漸往下沉，并在地面形成塌陷坑（洞）的一種動(dòng)力地質(zhì)現(xiàn)象稱作地面塌陷。當(dāng)?shù)叵虏傻V引起圍巖移動(dòng)和地表塌陷時(shí)，會(huì)導(dǎo)致塌陷區(qū)內(nèi)的建筑物、道路、橋梁、鐵路、上下水管線、堤壩、供電設(shè)施和通訊線路等基礎(chǔ)設(shè)施受到破壞。其次，地表沉降還可能導(dǎo)致地面大面積積水，耕地受淹，造成有限耕地面積減少，地表水位下降，致使生活及灌溉用水困難。地表沉降甚至可能導(dǎo)致地面出現(xiàn)大面積塌坑，造成交通堵塞，自然景觀毀壞，甚至可能造成河流改道，使得當(dāng)?shù)鼐用裆瞽h(huán)境與綠色生態(tài)環(huán)境遭受巨大破壞［1-3］。

有許多學(xué)者對(duì)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行研究，周文亮［4］研究分析了烏石山礦地面塌陷的成因；劉萬(wàn)順［5］初步建立了塌陷力學(xué)模型定量分析，并提出防治措施。為查明地表產(chǎn)生沉降和開(kāi)裂的原因，消除地表沉降區(qū)對(duì)礦區(qū)及周邊環(huán)境的安全影響，本文通過(guò)對(duì)秦樓銅金礦地面塌陷形成原因、機(jī)理的研究，提出有效的處理方案和措施，對(duì)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 工程概況

1.1 地層結(jié)構(gòu)

礦區(qū)及其周圍地層：地表為第四系松散層，下覆灰?guī)r、大理巖及閃長(zhǎng)巖，沉積物厚度為144.88～163.47 m，為河湖相砂礫石黏土互層沉積物，該區(qū)最厚砂層22.07～37.73 m，埋藏最淺的在地下6.8 m，最深在地下48 m，該砂層底板埋藏在地下40 m 左右；該區(qū)最底部砂層埋藏在地下156.04 m。厚砂層以細(xì)砂為主，結(jié)構(gòu)松散，分選良好，排列疏松，偶含有小礫石。礦區(qū)基巖為淺海相碳酸鹽巖沉積，在蝕變交代熱接觸作用下形成白云質(zhì)大理巖、白云石大理巖、水鎂石等大理巖等。礦床北部、東部有二疊系陸相碎屑沉積，該區(qū)破碎帶平均埋深為155～173 m，平均厚度約18 m，鉆孔所見(jiàn)最淺深度為144.88 m，最深為188.57 m。

礦區(qū)黏土和砂層互層，且砂層結(jié)構(gòu)排列疏松，整體較為松散，分選良好。黏土的可塑性較高，使其存在一定壓縮空間，當(dāng)水位降低時(shí)，砂層會(huì)引起有效應(yīng)力的增加等，諸如上述因素為地面沉降的先導(dǎo)條件，也為后續(xù)引發(fā)地面沉降形成條件。沉降區(qū)的下部埋藏著3#礦體，該礦體呈透鏡狀，產(chǎn)狀走向北西，傾向南西，傾角60°，賦存于巖體內(nèi)的碳酸鹽巖捕虜體的邊緣。根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，第四系下伏厚層狀灰?guī)r和第四系接觸面的上部存在破碎灰?guī)r，風(fēng)化程度一般，厚度約為30 m。

1.2 水文地質(zhì)

區(qū)內(nèi)為大面積沉積平原，海拔+27～+29 m，地形平坦，區(qū)內(nèi)無(wú)大面積的地表水體，僅距礦區(qū)東北1 km有一條扒河，西南2.5 km有一條新汴河。

整個(gè)沉降區(qū)含水隔水巖組可劃分為第四系松散層上部孔隙潛水含水層、隔水層，中部承壓含水層、隔水層，下部承壓含水層、隔水層，風(fēng)化帶含水巖組，東部大理巖含水巖組，巖漿巖隔水巖組，西部大理巖含水巖組。其中大理巖含水組巖性多為白云質(zhì)大理巖、大理巖，厚度較大，為本礦區(qū)的主要充水因素。在西部地區(qū)大理巖與風(fēng)化帶有接觸，存在一定的水力聯(lián)系。

1.3 工程地質(zhì)

根據(jù)巖石的巖性、物理力學(xué)性質(zhì)和巖體結(jié)構(gòu)等特征，區(qū)內(nèi)大致可分為4個(gè)工程地質(zhì)巖組：

（1）火成巖類工程地質(zhì)巖組，巖性以石英二長(zhǎng)閃長(zhǎng)玢巖為主，巖石質(zhì)量中等—好，巖體中等完整。

（2）矽卡巖類工程地質(zhì)巖組，巖石質(zhì)量中等的，巖體中等完整，但該類巖組水理性能差，遇水易軟化和坍塌。

（3）大理巖類工程地質(zhì)巖組，巖石質(zhì)量中等—好，巖體中等完整，在部分地段巖體完整性差。

（4）第四系覆蓋散層未固結(jié)，主要為松散的粉、細(xì)砂及可塑—硬塑狀的黏土、亞黏土。砂性土為主，砂層厚度大，結(jié)構(gòu)松散；黏性土可塑性強(qiáng)，膨脹量大。第四系下伏巖體為閃長(zhǎng)巖與大理巖、灰?guī)r的接觸帶，成礦構(gòu)造強(qiáng)烈，且基巖破碎帶與風(fēng)化帶接觸。

2 地表塌陷原因分析

礦區(qū)地表出現(xiàn)沉降和開(kāi)裂的位置主要位于礦區(qū)西側(cè)3#勘探線附近，井下對(duì)應(yīng)采場(chǎng)為-250 m 中段702和103采場(chǎng)。根據(jù)地表裂縫的分布，初步圈定了本次地表塌陷范圍，塌陷區(qū)中心坐標(biāo)（3 732 052，39 490 647）（2 000 國(guó)家大地坐標(biāo)系），塌陷區(qū)面積約25 053.6 m2，其南北向長(zhǎng)度約194 m，東西向?qū)挾燃s152 m，最大沉降深度約7 cm。沉降區(qū)內(nèi)形成了40 余條地裂縫，裂縫長(zhǎng)度4～20 m，寬度0.3～5 cm。

2.1 地質(zhì)條件

通過(guò)區(qū)內(nèi)地層、水文、工程地質(zhì)等多方面分析，了解到第四系覆蓋層透水性較強(qiáng)，抗剪、抗壓及抗?jié)撐g能力差，第四系砂層厚度為22.07～37.73 m，以細(xì)砂為主，結(jié)構(gòu)松散。下伏巖體與閃長(zhǎng)巖、大理巖、灰?guī)r的接觸，具有較強(qiáng)的成礦作用，構(gòu)造裂隙或溶裂隙發(fā)育，成為砂層運(yùn)移通道，為砂層漏失創(chuàng)造了條件。因而礦區(qū)基本地質(zhì)條件因素是形成地面沉降的主要自然因素。

2.2 井下及周邊排水

根據(jù)調(diào)查礦山以及周邊礦山生產(chǎn)排水記錄，目前秦樓銅金礦井下最大涌水量約567 m3/d。周邊廖家鐵礦目前在秦樓礦段進(jìn)行開(kāi)采，井下正常涌水量為3 799.16 m3/d。2 座礦山在生產(chǎn)過(guò)程中排水會(huì)形成一定范圍的降落漏斗，造成地下水水位降低。

巖漿巖侵入形成灰?guī)r、大理巖的捕虜體，分布在礦區(qū)內(nèi)。四周分布巖漿巖隔水層，但其透水性極弱，上部第四系含水層為主要發(fā)生水力聯(lián)系層，所以礦床充水主要受礦體頂板和第四系含水層影響較大。礦井排水，還有周邊民用抽水，使得區(qū)內(nèi)第四系含水層水位下降，地下水侵蝕面也隨之頻繁上下波動(dòng)，枯水期灰?guī)r地下水水位在含水砂礫石黏土層侵蝕面之下，豐水期灰?guī)r地下水水位則漲至第四系底板，地下水水位在灰?guī)r與第四系底板之間波動(dòng)，則為砂層漏失創(chuàng)造動(dòng)力條件。

3 處理措施

設(shè)計(jì)采用鉆孔注漿的方式，主要對(duì)103 和702 采場(chǎng)充填后沉縮產(chǎn)生的空頂區(qū)域進(jìn)行注漿充填，另外對(duì)基巖上部的黏土夾碎石層及砂礫石層進(jìn)行注漿封堵，防止勘察（注漿）鉆孔與采空區(qū)貫通后，第四系砂層及地下水向基巖裂隙、破碎帶及采空區(qū)漏失，以避免礦山后續(xù)開(kāi)采過(guò)程中地表沉降（開(kāi)裂）進(jìn)一步擴(kuò)展。

3.1 注漿方式

根據(jù)地表沉降（開(kāi)裂）現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果，本次設(shè)計(jì)在地表沉降（開(kāi)裂）影響范圍內(nèi)布置3個(gè)注漿鉆孔和1個(gè)注漿效果檢查孔，如表1、圖1所示。

?

為防止鉆孔與采空區(qū)貫通后，第四系含水層通過(guò)黏土夾碎石層及砂礫石層向下部基巖裂隙及采空區(qū)中漏失，在鉆孔與采空區(qū)貫通之前，先對(duì)基巖上部的黏土夾碎石層及砂礫石層進(jìn)行注漿封堵，再將鉆孔繼續(xù)向下鉆進(jìn)至采空區(qū)，最后對(duì)采空區(qū)進(jìn)行注漿充填。

3.2 注漿參數(shù)及工藝要求

3.2.1 鉆孔結(jié)構(gòu)

注漿孔開(kāi)孔直徑為150 mm，進(jìn)入冒裂帶頂部后變徑為91 mm，終孔直徑為91 mm。終孔后下入鉆桿及止?jié){塞，在孔口處連接壓力表及注漿管路，如圖2所示。

3.2.2 注漿封堵厚度

本工程主要對(duì)103 和702 采場(chǎng)充填后沉縮產(chǎn)生的空頂區(qū)域進(jìn)行注漿充填，空頂厚度預(yù)計(jì)1.5 m左右。從前期施工勘察采取的巖心破碎和鉆孔沖洗液漏失情況看，判斷地面沉降是因第四系松散層中的砂層和水通過(guò)斷裂帶裂隙流入到采空區(qū)造成的。設(shè)計(jì)的注漿鉆孔施工進(jìn)入基巖固管后，先通過(guò)基巖裂隙對(duì)上部黏土夾碎石層及砂礫石層進(jìn)行“蓋帽”注漿封堵，然后對(duì)采空區(qū)進(jìn)行注漿治理。

3.2.3 漿液擴(kuò)散半徑

漿液在裂隙中的擴(kuò)散實(shí)際上未遵循一定規(guī)律，滲透系數(shù)、裂隙開(kāi)度、注漿壓力、漿液濃度和注入時(shí)間等因素都會(huì)造成影響。裂隙介質(zhì)中漿液擴(kuò)散半徑尚且無(wú)實(shí)用的理論公式，根據(jù)《注漿技術(shù)規(guī)程》（YS/T 5211—2018），巖體非化學(xué)注漿漿液有效擴(kuò)散半徑可根據(jù)巖體裂隙發(fā)育情況，按表2進(jìn)行取值。

?

根據(jù)前期鉆孔勘察資料，礦山開(kāi)采引起的應(yīng)力變化和巖體變形造成開(kāi)采區(qū)域上覆巖體發(fā)生張拉和剪切破壞，形成了一定范圍的破碎帶。地表產(chǎn)生的最大地裂縫寬度達(dá)到50 mm左右，預(yù)計(jì)巖土體中產(chǎn)生的裂隙寬度在10 mm 以上。根據(jù)表2，漿液有效擴(kuò)散半徑取20 m。孔間距取漿液有效擴(kuò)散半徑的1.5 倍，即103采場(chǎng)注漿孔1和注漿孔3間距為30 m。

3.2.4 注漿材料

采空區(qū)充填注漿材料應(yīng)具備早期強(qiáng)度高，后期強(qiáng)度穩(wěn)定，分散性及漿體流動(dòng)性好等特點(diǎn)。根據(jù)上述要求，本次對(duì)巖土體裂隙注漿封堵采用粉煤灰水泥漿液（水泥占5%～10%，水泥強(qiáng)度等級(jí)不低于32.5）；對(duì)采空區(qū)注漿充填采用尾砂膠凝劑漿液，其中尾砂細(xì)度200目以內(nèi)的占70%左右，膠結(jié)尾砂抗壓強(qiáng)度不低于設(shè)計(jì)充填體強(qiáng)度2 MPa。

3.2.5 注漿工藝及效果

選用GPS 測(cè)量?jī)x定放鉆孔位置—場(chǎng)地平整—鉆機(jī)就位—開(kāi)孔準(zhǔn)備—鉆進(jìn)至基巖破碎帶—擴(kuò)孔—下入套管—管外水泥封固—黏土夾碎石層及砂礫石層注漿封堵—鉆孔鉆進(jìn)至采空區(qū)—采空區(qū)注漿充填。

注漿難以直接觀測(cè)，因此為保證注漿質(zhì)量和堵水效果，從開(kāi)始施工至注漿結(jié)束，需要進(jìn)行全過(guò)程質(zhì)量的檢查和鑒定。注漿治理效果應(yīng)結(jié)合地表變形監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，變形監(jiān)測(cè)時(shí)間不少于12 個(gè)月。初次注漿后，未必能夠?qū)⑷苛严抖继畛?，甚至有些?xì)小裂隙尚未進(jìn)漿，需要復(fù)注才能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。復(fù)注次數(shù)主要受巖層裂隙大小、數(shù)目、初注的情況及注漿要求的最后殘余涌水量等影響。一般間歇注漿的時(shí)間為24 h，采用全孔一次性注漿復(fù)注。

通過(guò)采用上述注漿治理后，礦區(qū)地表沉降得到較好控制。根據(jù)治理后的多日多次測(cè)量地面沉降記錄，地表均未發(fā)生明顯變化，表明該方法能有效防止地面繼續(xù)沉降。

4 結(jié) 論

（1）本次沉降（開(kāi)裂）位置主要位于礦區(qū)西側(cè)3#勘探線附近，沉降區(qū)面積約25 053.6m2，其南北向長(zhǎng)度約194 m，東西向?qū)挾燃s152 m，最大沉降深度約7 cm。沉降區(qū)內(nèi)形成了40 余條地裂縫，裂縫長(zhǎng)度為4～20 m，寬度0.3～5 cm。

（2）根據(jù)地質(zhì)條件因素分析，該區(qū)黏土和砂層互層，砂層結(jié)構(gòu)松散，為地面沉降提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。受開(kāi)采造成的巖體變形及應(yīng)力變化影響，巖層巖體較破碎，裂隙較發(fā)育，且存在斷裂帶。巖體裂隙及斷裂帶為上部第四系砂層漏失提供了通道。因此，礦區(qū)基本地質(zhì)條件因素是形成地面沉降的主要自然因素。

（3）由于井下長(zhǎng)期排水，使區(qū)內(nèi)第四系含水層水位下降，枯水期灰?guī)r地下水水位低于含水砂礫石黏土層侵蝕面，在豐水期灰?guī)r地下水水位上升，地下水侵蝕面隨之上下頻繁波動(dòng)，為砂層漏失創(chuàng)造動(dòng)力條件。地下水位不斷升降掏蝕第四系含砂層，造成第四系砂層局部漏失形成孔洞，砂層孔洞擴(kuò)大到一定程度后塌陷，導(dǎo)致地表產(chǎn)生沉降和開(kāi)裂。

（4）設(shè)計(jì)采用鉆孔注漿的方式對(duì)地表塌陷影響區(qū)進(jìn)行治理，在塌陷影響區(qū)共布置3 個(gè)注漿鉆孔和1個(gè)檢查孔，主要對(duì)塌陷影響區(qū)下方采場(chǎng)充填后沉縮產(chǎn)生的空頂區(qū)域進(jìn)行注漿充填，另外對(duì)基巖上部的黏土夾碎石層及砂礫石層進(jìn)行蓋帽注漿封堵。防止第四系砂層及地下水向基巖裂隙、破碎帶及采空區(qū)漏失，避免礦山后續(xù)開(kāi)采過(guò)程中地表塌陷進(jìn)一步發(fā)展。

（5）通過(guò)注漿治理后，有效防止地面繼續(xù)沉降，為礦山安全生產(chǎn)提供保障。