方 平 何 濤

(五礦二十三冶建設(shè)集團(tuán))

廣東矽卡巖型鐵礦頂部巖溶形成、失穩(wěn)塌陷機(jī)理分析及治理

方 平 何 濤

(五礦二十三冶建設(shè)集團(tuán))

依據(jù)巖溶相關(guān)理論及探測(cè)技術(shù)，結(jié)合實(shí)際地質(zhì)鉆探，建立矽卡巖型巖溶地質(zhì)模型，通過(guò)數(shù)值計(jì)算軟件FLAC3D，分析降雨滲透、地下水抽排、地表靜載荷對(duì)巖溶穩(wěn)定性的影響及巖溶失穩(wěn)塌陷機(jī)理，并提出巖溶治理措施。

巖溶地質(zhì)模型 數(shù)值計(jì)算 失穩(wěn)塌陷機(jī)理 治理措施

目前采用的一些定性、定量方法分析矽卡巖型鐵礦巖溶地質(zhì)形態(tài)是一個(gè)極其復(fù)雜的問(wèn)題[1]。巖溶一般在地下深部碳酸巖系中發(fā)育，目前只能通過(guò)物探技術(shù)獲取粗略的巖溶分布情況，精確的巖溶分布則需要通過(guò)鉆孔探測(cè)獲取，但鉆探成本較高。本文通過(guò)物探及鉆探技術(shù)相結(jié)合，了解特定礦區(qū)巖溶空隙在地下的分布規(guī)律及其與巖溶塌陷的關(guān)系，為此類(lèi)巖溶防治提供理論依據(jù)。

1 矽卡巖型鐵礦巖溶地質(zhì)特征

廣東懷集藤鐵鐵礦礦體頂板為白云質(zhì)大理巖、花崗巖、矽卡巖，底板為矽卡巖、花崗巖，且淺層溶洞發(fā)育，上覆的第四系松散層厚度較薄，其分布如圖1所示。

鐵礦含水層主要有松散巖類(lèi)孔隙水、碳酸巖類(lèi)裂隙巖溶水、層狀巖類(lèi)裂隙水、塊狀巖類(lèi)裂隙水4層，影響礦體開(kāi)采的含水層主要是松散巖類(lèi)孔隙水和碳酸巖類(lèi)裂隙巖溶水。通過(guò)高密度電法勘探技術(shù)、水文地質(zhì)鉆探及抽水試驗(yàn)、水文地質(zhì)及工程地質(zhì)編錄、水文地質(zhì)孔觀測(cè)數(shù)據(jù)及氣象等水文地質(zhì)工作，得出以下結(jié)論：①估算礦床巖溶裂隙水的靜儲(chǔ)量為39萬(wàn)m3，礦床巖溶的供水源為滕鐵埂溪，水流量為3 m3/s；②礦床巖溶分為2層發(fā)育，屬于多層巖溶發(fā)育地質(zhì)概化模型，第1層巖溶主要由串珠型小巖溶組成，第2層巖溶由直徑30 m的巖溶構(gòu)成，兩層巖溶通過(guò)特殊管道連通，地質(zhì)構(gòu)造如圖1，圖2所示;③第一層巖溶范圍為地表下10～30 m,第二層巖溶主要為含水巖溶，其范圍為地表下40～70 m，其探水鉆孔出水流量為50～60 m3/h，第二層單個(gè)巖溶含水量約14 137 m3。

圖1 騰鐵鐵礦Ⅱ礦體巖溶分布示意

圖2 地表補(bǔ)充水文地質(zhì)鉆孔巖芯試樣

2 矽卡巖型鐵礦巖溶塌陷機(jī)理

(1)碳酸巖類(lèi)巖溶水與松散巖類(lèi)空隙含水層的水力梯度差是造成巖溶塌陷的主要原因之一[2-4]。兩含水層間的水位差導(dǎo)致水流垂直向下運(yùn)動(dòng)，由于第四系松散含水層的內(nèi)聚力較小，孔隙水由特殊管道向下運(yùn)動(dòng)，地下水在運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生潛蝕掏空作用，使巖溶頂板巖層不斷脆化，直至上覆巖層塌陷。

巖溶的穩(wěn)定系數(shù)

K=(σntanφ+C)/r(q+rt) ,

(1)

式中,σn為正應(yīng)力；r為巖溶半徑；φ為內(nèi)摩擦角；rt為土體容重；q為巖溶上載荷。

當(dāng)K<1時(shí)，巖溶失穩(wěn)塌陷；K>1時(shí)，巖溶保持穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)地下水天然流場(chǎng)受到降雨的影響，地表水系經(jīng)特殊管道直接補(bǔ)給地下巖溶水，從而影響地下水水位幅度、水流速、水力梯度等[5-6]。礦區(qū)地表最大徑流量在雨季5～6月份，最小流量在1月份，其水位變化幅度約1.52 m,暴雨后徑流量大幅增大,地下水位同樣大幅增長(zhǎng)。

綜上所述華南地區(qū)頻繁的降水及礦區(qū)不合理的抽排水、礦石堆放是造成礦區(qū)巖溶塌陷的直接原因。

3 巖溶塌陷機(jī)理的數(shù)值模擬

數(shù)值計(jì)算模型z方向長(zhǎng)度80 m,x方向長(zhǎng)度 120 m，y方向長(zhǎng)度10 m,采用理想彈塑性模型本構(gòu)關(guān)系,選用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則判斷巖體的破壞。模型上邊界施加均布載荷3.75 MPa，模擬巖溶上方堆放的鐵礦石，其中第一層3個(gè)巖溶直徑8 m,第二層最大巖溶直徑30 m,巖層厚度及力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 數(shù)值計(jì)算巖層分布和物理力學(xué)參數(shù)

按堆放鐵礦石均布荷載(3.75 MPa)施加在巖溶上，得到的垂向應(yīng)力分布、塑性區(qū)如圖3(a)、圖3(c)所示。從圖中可見(jiàn)，應(yīng)力主要集中分布在小巖溶的頂?shù)装?，最大巖溶的頂板處，而且運(yùn)算過(guò)程拉應(yīng)力主要分布地表第四系土層中小巖溶頂?shù)装寮按髱r溶頂板處。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，自然情況下大巖溶、小巖溶均處于穩(wěn)定狀態(tài)，沒(méi)有發(fā)生小巖溶塌陷現(xiàn)象，張裂的分布范圍也很窄，巖溶上方靜載荷并不是巖溶塌陷的決定性因素。

分析地下水抽排致使巖溶塌陷的影響。從圖3(b)，圖3(d)可以得出巖溶中應(yīng)力集中在大巖溶的兩側(cè)，最大值達(dá)3.5 MPa，顯然比靜力載荷狀態(tài)下大，抽水帶來(lái)的滲透力造成大巖溶頂板處拉應(yīng)力集中，而且大巖溶開(kāi)始變形塌陷，兩旁小巖溶向中心偏移，決定了巖溶塌坑的最終形狀，即在地表形成漏斗形塌陷區(qū)。

從計(jì)算結(jié)果可知，巖溶區(qū)域地下水位受迫下降，地表失穩(wěn)現(xiàn)象是巖溶塌陷的最主要原因，從礦區(qū)井下抽水造成地表14#礦房區(qū)域塌陷可以得到證實(shí)。

圖3 巖溶的力學(xué)狀態(tài)

4 巖溶治理措施

前期工作證明巖溶水與第四系含水層的水力梯度差是巖溶塌陷的主要原因之一，而且第四系地下水通過(guò)第一層串珠式巖溶補(bǔ)給第二層大巖溶。為此，提出以下針對(duì)性治理措施：

(1)采礦前，對(duì)靠近礦體的滕鐵埂溪進(jìn)行改道，以斷絕地表水系對(duì)第四系地下水的補(bǔ)給，間接阻礙巖溶水的補(bǔ)給。

(2)確定大巖溶的中心位置，并以此為中心確定三個(gè)注漿孔。第一層巖溶多為充填或半充填，采用化學(xué)灌漿法處理，可有效防止鉆孔樁施工時(shí)泥漿流失、流砂及坍孔現(xiàn)象。處理后封閉了第四系水系與巖溶水溝通的渠道，巖溶土體強(qiáng)度不小于原地層強(qiáng)度。

(3)前期化學(xué)灌漿法可保證成孔及水下水泥混凝土澆注等工序順利完成，水泥砂漿(可用尾砂代替)充填大巖溶，穩(wěn)固采礦頂板，消除巖溶威脅。

5 結(jié) 論

(1)依據(jù)高密度電法勘探技術(shù)及鉆孔技術(shù)，確定矽卡巖型巖溶地質(zhì)概化模型，矽卡巖型巖溶一般屬于多層巖溶范疇。

(2)分析了產(chǎn)生巖溶塌陷的基本條件和誘發(fā)原因?yàn)?巖溶發(fā)育、一定厚度的松散堆積層、地質(zhì)條件脆弱斷層破碎帶、地下水位下降和人類(lèi)采礦活動(dòng)。

(3)巖溶塌陷的形成是深淺部隱伏巖溶連通效應(yīng)、機(jī)械潛蝕效應(yīng)和降水入滲效應(yīng)、地下水抽排綜合作用的結(jié)果。

(4)提出巖溶塌陷的主要防治措施：隔斷地表補(bǔ)給水源，化學(xué)灌漿法阻隔第四系水系的補(bǔ)給、水泥砂漿充填大巖溶。

[1] 程 星.巖溶塌陷機(jī)理及其預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)研究[M].北京：地質(zhì)出版社，2006.

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[3] 歐陽(yáng)振華,蔡美峰,李長(zhǎng)洪.地表塌陷中隱伏土洞的形成與擴(kuò)展機(jī)理研究[J].金屬礦山,2006(6):16-18，52.

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2014-07-24)

方 平(1963—)，總工程師，410000 湖南省長(zhǎng)沙市勞動(dòng)?xùn)|路289號(hào)。