胡克榮

江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局第六地質(zhì)大隊(duì)，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(yán)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(shí)磷礦當(dāng)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(dāng)?shù)卣推髽I(yè)造成了嚴(yán)重的影響。采空區(qū)地面塌陷誘發(fā)因素比較復(fù)雜，因此有必要對(duì)采空區(qū)地面塌陷誘發(fā)因素進(jìn)行多方面研究。

1 采空區(qū)地面塌陷情況

根據(jù)歷史資料統(tǒng)計(jì)，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?qǐng)龇ú傻V，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(tái)塌陷坑；2014年4月，對(duì)該塌陷坑采用尾砂和淤泥等填充物進(jìn)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(dòng)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(zhì)條件復(fù)雜。1966年初步設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為30萬t/年，但實(shí)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(chǎn)帶來了嚴(yán)重威脅，年產(chǎn)量一般不超過10萬t，且無選礦設(shè)備，出現(xiàn)采富棄貧現(xiàn)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(duì)采礦方法進(jìn)行改進(jìn)，決定由崩落法改為空?qǐng)龇?，?jīng)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?shù)字芰η闆r差于垂直（垂直于礦體）的頂?shù)字芰?，?160m中段、-200m中段、-240m中段、-280m中段決定采用爆力搬運(yùn)礦房法采礦，將頂?shù)字臑榇怪痹O(shè)計(jì)，從回采情況來看，中段回采率有所提高。為了促進(jìn)資源的合理利用，2002年新浦磷礦組織有關(guān)技術(shù)人員對(duì)采礦方法進(jìn)行了改進(jìn)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(jù)采礦企業(yè)相關(guān)資料可知，磷礦礦體賦儲(chǔ)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(jù)工程地質(zhì)條件可知，白云質(zhì)大理巖和云母大理巖巖石抗壓強(qiáng)度為113～170MPa，抗剪強(qiáng)度為9.0～14.0MPa。細(xì)粒磷灰?guī)r礦石抗壓強(qiáng)度為57.9～150.0MPa，松散礦石抗壓強(qiáng)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(shù)分析法進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表1所示。

表1 礦柱安全穩(wěn)定性計(jì)算表

式中：Pu為巖柱能承受的極限荷載，kN；Pz為巖柱實(shí)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(jù)國內(nèi)外房柱法開采礦山相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)?shù)V柱安全系數(shù)＞1.5時(shí)，礦柱能起到支撐頂板的作用。通過分析表1可知，3、4、5號(hào)礦柱的安全穩(wěn)定性系數(shù)存在＜1.5的可能，當(dāng)?shù)V柱安全系數(shù)＜1.5時(shí)，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(duì)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(gè)方面進(jìn)行調(diào)查分析。

（1）頂板（場地）自身穩(wěn)定性影響。結(jié)合表1計(jì)算結(jié)果，按礦柱安全穩(wěn)定性系數(shù)確定場地穩(wěn)定性等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，確定采空區(qū)場地（頂板）屬基本穩(wěn)定，但是根據(jù)資料可知，塌陷坑所在位置存在2條破壞礦體的斷裂構(gòu)造，其中壓性斷裂F1走向?yàn)楸逼珫|75°，傾角85.5°，扭性斷裂F2走向?yàn)楸逼珫|82°，傾角85.5°。采礦企業(yè)在采礦活動(dòng)中也證實(shí)了這兩條斷裂構(gòu)造的存在，斷裂構(gòu)造使采空區(qū)頂板整體性受到較大破壞。因此，綜合分析認(rèn)為采空區(qū)場地（頂板）穩(wěn)定性較差。

（2）礦區(qū)地下水對(duì)采空區(qū)頂板穩(wěn)定性的影響。根據(jù)國內(nèi)外礦山開采經(jīng)驗(yàn)，地下水對(duì)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(yīng)力平衡受到破壞，應(yīng)力重新分布，會(huì)引起上覆巖層的變形、移動(dòng)與破壞，形成耳朵狀導(dǎo)水裂隙帶。采用經(jīng)驗(yàn)法進(jìn)行分析，其計(jì)算公式為

式中：Hli為導(dǎo)水裂隙帶高度；∑M為每段礦層的累計(jì)采厚。

由式（3）計(jì)算可得導(dǎo)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(gòu)造，存在構(gòu)造導(dǎo)水帶，水沿著裂隙侵入頂板巖體內(nèi)部，導(dǎo)致其物理狀態(tài)發(fā)生改變，削弱了顆粒間的聯(lián)系，容易使頂板巖體內(nèi)聚力降低，破壞了礦物顆粒間的黏結(jié)力，造成巖體軟化，強(qiáng)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(dòng)過程中會(huì)將巖體中的可溶物質(zhì)帶走，巖體中的小顆粒也將流失，從而降低頂板巖體的強(qiáng)度，導(dǎo)致采空區(qū)頂板穩(wěn)定性較差。

3.3 外部擾動(dòng)因素

通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，采礦過程中存在外部人為及自然擾動(dòng)因素，且這些因素對(duì)采空區(qū)產(chǎn)生的影響較大。主要外部擾動(dòng)因素表現(xiàn)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(dòng)擾動(dòng)因素。根據(jù)新浦磷礦年報(bào)等資料，2009年4月至12月，新浦磷礦對(duì)-80m、-120m中段運(yùn)輸大巷、溜礦井、井底車場、石門巷道等進(jìn)行了恢復(fù)；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(dòng)。采礦過程中的礦體爆破、采礦及運(yùn)輸設(shè)備振動(dòng)等，可能會(huì)加劇頂板及礦柱的破壞。

（2）遭受沖擊荷載和機(jī)械動(dòng)荷載擾動(dòng)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(chǎn)生了強(qiáng)大的氣浪沖擊波，對(duì)采空區(qū)頂板巖體造成破壞性擾動(dòng)，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(dòng)。地震往往伴隨著強(qiáng)大的能量，并以波的形式傳播到采空區(qū)，引起巖體震動(dòng)，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(jí)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(duì)采空區(qū)頂板和礦柱造成破壞性擾動(dòng)。

4 結(jié)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(dòng)、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(fù)雜，文章主要采用室內(nèi)數(shù)據(jù)計(jì)算分析和外部推理相結(jié)合的方法進(jìn)行分析，存在一定的局限性，對(duì)于新浦磷礦采空區(qū)塌陷誘因還需繼續(xù)深入研究。