黃繼烈，余 杰

(四川省煤田地質(zhì)局141隊(duì)，德陽 618000)

地下礦山開采對(duì)地表的影響主要是地面塌陷及其對(duì)生態(tài)的破壞。地下礦產(chǎn)資源的開采會(huì)引起上覆巖層斷裂、移動(dòng)，并逐漸向上擴(kuò)展。在一定的采礦深度范圍內(nèi)，當(dāng)采空區(qū)面積進(jìn)一步擴(kuò)大時(shí)，這種移動(dòng)就將達(dá)到地表，造成地表塌陷。為保護(hù)礦山地質(zhì)環(huán)境，減少礦產(chǎn)資源開采活動(dòng)造成的礦山地質(zhì)環(huán)境破壞，本文以石膏礦為例對(duì)礦山地下開采與地表塌陷的形成條件及影響進(jìn)行分析。

1 地質(zhì)背景

天全縣樂英石膏礦位于四川西南方向，為多年地下開采的私營礦井，采用房柱式采礦，形成了大面積采空區(qū),采空面積約13.0萬m2，地表居民區(qū)及附近發(fā)現(xiàn)了多處地表塌陷(圖1)。

區(qū)內(nèi)出露地層為白堊系上統(tǒng)灌口組(K2g)及第四系(Q4)。灌口組巖性主要為鈣質(zhì)、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖及薄層硬石膏，第四系主要為沖積、洪積和殘破積物。

區(qū)內(nèi)構(gòu)造簡單，地層走向近南北向，傾向東，傾角13°～19°，總體表現(xiàn)為一向東傾的單斜構(gòu)造。地形坡度為5°～35°，平均25°，多呈順向坡產(chǎn)出。區(qū)內(nèi)隔水層為石膏礦層圍巖，其巖性為泥巖。地表水和地下水的補(bǔ)給來源主要為大氣降水，地表水徑流量小且多在隔水層之上，地形條件較好，有利于地表水自然排泄。

區(qū)內(nèi)石膏呈層狀產(chǎn)出，其產(chǎn)出狀態(tài)與地層基本一致。礦層長320m，傾向延伸230m，礦層厚2.72～5.51m，平均3.2m。石膏礦層頂、底圍巖皆為白堊系上統(tǒng)灌口組的棕紅色泥巖、含膏質(zhì)泥巖、含硝泥巖。

2 巖組工程地質(zhì)特征

區(qū)內(nèi)巖層及地表塌陷的形成受巖石自身物理、力學(xué)性能、不規(guī)范采礦等許多因素的影響，而巖體及巖石的物理、 力學(xué)性質(zhì)，則是其主要影響因素之一。

按巖石的物理、力學(xué)性質(zhì)分類，區(qū)內(nèi)工程地質(zhì)巖組共分為松散巖組、較軟弱-軟弱巖組兩類。

2.1 松散巖組

2.2 較軟弱-軟弱巖組

泥質(zhì)巖：紅褐-灰褐色，巖質(zhì)較軟，中-厚層狀，泥質(zhì)膠結(jié)，表層巖體一般風(fēng)化強(qiáng)烈，巖體破碎，多呈碎塊狀結(jié)構(gòu)，淺表層巖體完整性較差，抗壓強(qiáng)度較低，在2.36～7.94 MPa。在風(fēng)化作用、巖體自重、人工開挖等因素的影響和作用下，易發(fā)生順層滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害。區(qū)內(nèi)巖石物理力學(xué)試驗(yàn)測試見表1。

3 地面塌陷的危害性

該區(qū)域地面塌陷的危害性主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

首先，礦山采空區(qū)地表均為耕地及林地，而礦山塌陷區(qū)大部分發(fā)育于采空區(qū)以西淺部采礦地段，塌陷坑以橢圓狀為主，長軸一般4～8m，短軸3～6m，總體呈南北向帶狀展布。地面塌陷破壞了當(dāng)?shù)乇硗翆蛹暗叵聨r土體的完整性，從而破壞了地面的耕地及林地，影響生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)(圖2)。

其次,由于地表塌陷還伴隨地面不均勻沉降和開裂，建筑物、水體受到采空塌陷影響，不能安全正常使用。特別是在采空區(qū)西部塌陷坑附近， 由于地表下沉，部分居民住房出現(xiàn)不同程度的破壞，主要表現(xiàn)為，地面出現(xiàn)南北向下沉拉裂縫，最長處達(dá)12m，最寬處0.11m；部分墻體向塌陷坑方向傾斜，墻體開裂，院壩圍墻破壞、倒塌等。隨著時(shí)間推移，礦山西部地面建筑物在地表變形超過臨界允許值后，將進(jìn)一步遭到破壞，甚至損毀，給村民的安全生產(chǎn)帶來一定的隱患(圖3)。同時(shí)，受采礦影響，地表水位下降，部分地表水滲入井下，使礦井不能安全生產(chǎn)。

表1 巖石物理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果

圖2 地表塌陷坑Figure 2 Surface subsidence sink

圖3 民房墻體下沉拉裂縫Figure 3 Civilian house wall sinking tensile cracks

再次，在塌陷區(qū)周邊可能誘發(fā)小型的崩塌及滑坡，威脅到區(qū)內(nèi)的農(nóng)田及當(dāng)?shù)氐缆返然A(chǔ)設(shè)施安全。在礦山西南部已出現(xiàn)有鄉(xiāng)村公路隨地表滑移而變形，局部已向塌陷方向位移、凸出的現(xiàn)象。

4 采空區(qū)塌陷影響分析

研究區(qū)地形坡度一般為25°，含石膏礦一層，礦層形態(tài)簡單、穩(wěn)定，呈順向坡產(chǎn)出，傾角平均12°。采用平硐加暗斜井開拓，礦層開采厚度累計(jì)3.2m，采礦深度在50～70m，淺部礦層露頭附近距地表最近為5m。礦層的開采，使上覆巖層受力失衡，應(yīng)力釋放，導(dǎo)致頂板巖層垮塌，波及地表，局部形成塌陷坑。根據(jù)“三下采煤新技術(shù)應(yīng)用與煤柱留設(shè)及壓煤開采規(guī)程實(shí)用手冊”、“三帶”計(jì)算，評(píng)價(jià)、分析采礦活動(dòng)對(duì)地表房屋的影響程度。

4.1 根據(jù)礦山開采沉陷落學(xué)，采用下列公式計(jì)算冒落帶、導(dǎo)水裂隙帶高度

計(jì)算公式：

Hc=(1～2)M

(1)

(2)

式中：Hc——冒落帶最大高度，根據(jù)地表情況分析，系數(shù)采用2；

Ht——導(dǎo)水裂隙帶最大高度，m；

M——礦脈累計(jì)采厚，取3.2m；

n——礦脈數(shù)，取1。

計(jì)算結(jié)果：Hc= 6.4m，Ht=36.47m。根據(jù)該計(jì)算結(jié)果,對(duì)區(qū)內(nèi)塌陷坑的分布與礦層埋藏深度進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)本區(qū)西部礦層埋藏深度較小，局部地段采空區(qū)上覆巖層厚度小于導(dǎo)水裂隙帶最大高度，是導(dǎo)致地表變形、塌陷的原因之一。

4.2 采空區(qū)距地表安全深度計(jì)算

由于地表變形程度(傾斜、曲率和水平變形)最大值是影響地表建筑的主要因素，隨著開采深度的增加，地表變形值逐漸減小。因此，開采達(dá)到一定深度后，開采引起的地表最大變形值將小于建筑物最大允許變形值，這種開采深度稱為安全深度。在安全深度條件下進(jìn)行采礦時(shí)，地表變形對(duì)建筑物將不產(chǎn)生破壞影響，移動(dòng)角也不存在了。根據(jù)傾斜最大允許值，計(jì)算區(qū)內(nèi)了的采空區(qū)安全深度。由于最大傾斜值與石膏礦層開采厚度、開采深度有關(guān)，且隨著開采厚度的增加而增大，隨著開采深度的增加而減小。根據(jù)“三下采煤新技術(shù)應(yīng)用與煤柱留設(shè)及壓煤開采規(guī)程實(shí)用手冊”，地表最大傾斜值及安全深度按下式計(jì)算：

最大傾斜值：i=CM/H

(3)

安全深度：H=CM/i

(4)

式中：i——最大傾斜值，根據(jù)規(guī)范取i=3mm/m；

C——最大傾斜經(jīng)驗(yàn)參考變形系數(shù)，取100mm/m,即0.1；

M——石膏礦層開采厚度，取3.2m；

H——石膏礦層開采深度，m。

按上述最大允許變形值可以算出安全深度的最小值，計(jì)算結(jié)果為107m。而該石膏礦產(chǎn)狀平緩，礦層傾角22°左右，礦層埋藏深度在50～70m，小于安全深度最小值。因此，不按設(shè)計(jì)要求留設(shè)保護(hù)礦柱，會(huì)導(dǎo)致地表遭受破壞。

4.3 地表影響范圍的預(yù)測

本次調(diào)查研究對(duì)井下采空區(qū)進(jìn)行了實(shí)測，按“三下”壓煤開采規(guī)程、結(jié)合相區(qū)域巖石移動(dòng)角確定采空區(qū)對(duì)地表的影響范圍。由于區(qū)內(nèi)第四系厚度小，僅在溝谷及低洼地段出露，因此區(qū)內(nèi)僅通過基巖移動(dòng)角分析地表影響范圍。區(qū)內(nèi)礦層露頭附近淺部采礦距地表最近的采空區(qū)為5m，深部采空區(qū)距地表約70m。采用公式：

L=h/tgβ

式中：L——地表影響范圍，m；

β——巖石移動(dòng)角，本區(qū)取60°；

h——采空區(qū)邊界處的深度，分別取5、70m。

計(jì)算結(jié)果：當(dāng)采空區(qū)邊界處的深度為70m時(shí)，地表影響范圍l=40.4m；采空區(qū)邊界處的深度為5m時(shí)，地表影響范圍l=2.9m。

按照上述計(jì)算結(jié)果，結(jié)合區(qū)內(nèi)礦層的空間產(chǎn)出形態(tài)及上覆圍巖厚度分布情況。在采空區(qū)西部采礦深度較小，地表建筑物較多，井下采礦時(shí)與地表建筑物水平距離必須大于相應(yīng)的影響范圍值(圖4)。

5 采空區(qū)地面塌陷成因分析

根據(jù)研究區(qū)地層巖性、采空區(qū)房、柱設(shè)置、頂板支護(hù)及采空區(qū)上覆巖層厚度分布情況，按照前述冒落帶、導(dǎo)水裂隙帶計(jì)算高度、采礦最小安全深度計(jì)算結(jié)果，結(jié)合地表塌陷的分布情況，本區(qū)塌陷成因主要表現(xiàn)為以下4個(gè)方面：

1)頂板軟質(zhì)巖。區(qū)內(nèi)石膏礦層直接頂板有軟質(zhì)泥巖層，厚度3～5m，老頂為泥質(zhì)粉砂巖及粉砂巖，力學(xué)性能差，極不穩(wěn)定，礦層采掘后頂板產(chǎn)生裂隙及大面積冒頂、片幫等，是地表塌陷的原因之一。

圖4 采空區(qū)地表影響范圍Figure 4 Gob area surface impacting range

2)采空區(qū)房、柱設(shè)置。采空區(qū)房、柱設(shè)置不規(guī)則、不科學(xué)，采空區(qū)跨度大，礦柱規(guī)格小，甚至不按要求留設(shè)礦柱，礦柱承受不了圍巖壓力產(chǎn)生變形，在上覆巖層較薄處或受構(gòu)造影響帶易于產(chǎn)生頂板下沉、地表塌陷。

3)礦層開采埋深較小：淺部開采過程中，由于巷道距離地表近。礦層埋深50～70m，均未超過安全深度最小值(107m)，特別在采空區(qū)西部局部地段采礦深度僅達(dá)到5m，甚至未超過本區(qū)冒落帶高度(6.4m)。上覆巖層薄，近地表處為第四系殘坡積層，結(jié)構(gòu)松散，力學(xué)性能極差，上覆巖層承受不了自身重力而垮塌?？逅螽a(chǎn)生的第四系松散層，松散層的內(nèi)聚力不能承受上覆巖層的重力時(shí)就產(chǎn)生地表塌陷(圖5)。

圖5 采礦塌陷剖面示意Figure 5 A schematic section of mining subsidence

4)人為因素。是礦山開采過程中缺乏的頂、底板管理措施——未進(jìn)行采空區(qū)回填，局部頂板支護(hù)不符合要求，造成地面塌陷。

綜上所述，本區(qū)采礦深度小、采空區(qū)房、柱留設(shè)不規(guī)范，導(dǎo)致采空區(qū)上覆巖層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、產(chǎn)生采動(dòng)裂縫，使礦層頂板垮落，是形成地表下沉、塌陷的主要原因。通過前述對(duì)本區(qū)冒落帶最大高度、導(dǎo)水裂隙帶最大高度的計(jì)算，地表影響范圍、采空區(qū)距地表安全深度計(jì)算分析，本礦在生產(chǎn)過程中必須按要求留設(shè)好保護(hù)礦柱，按設(shè)計(jì)要求采礦，才能有效減輕采空區(qū)對(duì)地表的破壞。

6 結(jié)論

通過對(duì)區(qū)內(nèi)綜合分析，采空區(qū)地面塌陷形成主要原因?yàn)椴煽諈^(qū)房、柱設(shè)置不規(guī)則，采空區(qū)跨度大，礦山開采過程中缺乏相應(yīng)的頂板管理措施。同時(shí)在開采深度未達(dá)到采空區(qū)距地表安全深度，是區(qū)內(nèi)地表塌陷的主要因素。

根據(jù)冒落帶、導(dǎo)水裂隙帶影響高度、采空區(qū)距地表安全深度的計(jì)算、地表影響范圍的預(yù)測等分析，確定區(qū)內(nèi)采空區(qū)對(duì)周圍及其上部的構(gòu)筑物有一定影響。對(duì)于采空區(qū)到地表高度大于107m時(shí)，為采空區(qū)距地表安全深度。

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