摘 要：石膏礦一般采用房柱式開采，因石膏遇水變軟的特性，造成了多起地面塌陷地質(zhì)災害。截至2023年4月，江蘇省邳州石膏礦共發(fā)生了35次、28處地面塌陷，塌陷多以直徑小于50 m的點狀塌陷為主，抽冒式塌陷較為少見。本次以邳州某緩傾斜石膏礦發(fā)生的抽冒式塌陷為例，采用MatDEM方法，開展數(shù)值模擬和機理分析研究。結(jié)果表明：石膏礦抽冒式塌陷引起地下水涌入礦坑導致石膏強度變?nèi)?，誘發(fā)頂板二次冒頂后堵塞通道塌陷最終停止，充水后采空區(qū)整體穩(wěn)定性變差，容易誘發(fā)二次塌陷，針對現(xiàn)狀，提出了搬遷避讓、監(jiān)測預警和工程治理的手段進行防治。

關鍵詞：石膏礦；抽冒；地面塌陷；防治

Collapse mechanism of a gently inclined gypsum mine in Jiangsu

JING Jiajun

（No.5 Geological Team， Jiangsu Geology and Mineral Exploration Bureau， Xuzhou 221004， Jiangsu， China）

Abstract： Gypsum mines are generally exploited using room and column mining methods. Gypsum tends to become soft when encountering water， which often causes multiple geological disasters of ground subsidence. In Pizhou， Jiangsu Province， as of April 2023， a total of 35 ground collapses in 28 locations occurred， most of which were point shaped collapses with a diameter of less than 50m， and pumping type collapses are relatively rare. Taking the gently inclined gypsum mine in Pizhou as an example， the MatDEM method was introduced to conduct numerical simulation and mechanism analysis research. The results show that the pumping collapse of the gypsum mine caused groundwater to enter the mine pit， weakening the strength of the gypsum， causing secondary roof fall， blocking and ultimately stopping the channel collapse. After water filling， the overall stability of the goaf became worse， which is prone to induce secondary collapse. In response to the current situation， relocation and avoidance measures are proposed as well as monitoring， early warning， and engineering governance measures for prevention and control.

Keywords： gypsum ore; aspiration; ground collapse; prevention and cure

礦山開采發(fā)生地面塌陷是一種常見的地質(zhì)災害（范立民等，2017；潘天錄等，2020；蔡泳等，2022；史忠鑫等，2022），我國石膏礦多采用房柱式開采，設計不允許發(fā)生塌陷，但由于眾多因素影響，先后在多地發(fā)生多起地面塌陷（譚偉等，2022；王樹立等，2021；朱文彩等，2021；湯志剛等，2020；周丹等，2018；劉愛斌等，2017）。石膏礦塌陷不同于煤礦塌陷，一般具有瞬發(fā)式特點，在極短的時間內(nèi)塌陷完畢，形成塌陷坑或者塌陷盆地，而后塌陷終止，地質(zhì)環(huán)境條件相對穩(wěn)定。而抽冒式塌陷原多見于煤礦急傾斜煤層開采，前期僅為較小塌陷坑，塌陷發(fā)生后沿塌陷坑壁導致大量泥沙混合物進入采空區(qū)，造成較嚴重生產(chǎn)事故（李筆文，2021），而石膏礦發(fā)生抽冒式塌陷并不常見，但因石膏具有遇水后強度急劇降低的特點，石膏礦發(fā)生抽冒式塌陷造成的危害遠大于煤礦。本次通過分析石膏礦1984—2022年礦山開采監(jiān)測資料與地質(zhì)環(huán)境條件，采用MatDEM方法，開展數(shù)值模擬和塌陷機理研究，分析了礦山充水后對地質(zhì)環(huán)境的影響，研究成果可為后期石膏礦防治提供理論依據(jù)。

1 ?地質(zhì)條件分析

1.1 ?區(qū)域地質(zhì)及構造

塌陷礦區(qū)位于江蘇省邳州市北部，區(qū)域大地構造上處于華北地臺魯西南斷隆帶的南緣，北側(cè)為嶧城斷裂，傾向南，傾角70°左右，南側(cè)為韓莊斷裂，傾向北，傾角亦為70°左右，總體構成四戶斷陷盆地（圖1）。

礦區(qū)位于四戶盆地中部，礦區(qū)內(nèi)發(fā)育2條近平行斷層，均為采礦期間揭露，傾向東南，傾角70°，斷距25～30 m，井下開采期間無滲水現(xiàn)象，且周邊礦區(qū)開采揭露斷層亦不導水。

礦區(qū)及周邊地層屬華北地層區(qū)，地表無基巖出露，被厚約45 m的第四系沉積物覆蓋，區(qū)內(nèi)地層由老至新為震旦—白堊系、新生界古近系及第四系。礦層賦存于古近系中，頂?shù)装逡苑奂毶皫r和泥巖為主。

1.2 ?礦層概況

礦山設計開采礦體為III-2膏層。塌陷處礦井開采礦層埋藏深度50～100 m，北部開采井礦層150～200 m，礦層厚度12～23 m，礦層總體傾角8～11°，傾向北北西。開采方式為地下開采，采礦方法為留連續(xù)礦柱的房柱采礦法。設計開采高度6～10 m，寬度6～8 m，護頂層厚度大于4 m，護底層厚度大于2.5 m，礦房平均回采率25%。

1.3 ?水文地質(zhì)條件

礦區(qū)及周邊地下水主要為松散巖類孔隙水，賦存于更新統(tǒng)砂層和礫石層中，礦層及頂板泥巖不富水，開采過程中所遇斷層僅局部靠近第四系露頭附近少量滲水，為區(qū)域良好隔水層。含水層分布在第四系砂層中，總厚度小于10 m，單井涌水量300 m3·d-1，滲透系數(shù)小于4 m·d-1。

1.4 ?工程地質(zhì)條件

礦區(qū)頂?shù)装迳皫r、泥巖抗壓強度3.2～13 MPa，抗拉強度0.3～0.87 MPa，石膏礦層（干燥強度）抗壓強度20～37 MPa，抗拉強度0.44～1.76 MPa。常造成頂板冒落、礦柱片幫和底鼓等現(xiàn)象。

第四系黏性土巖性主要為黏土、粉質(zhì)黏土，含鈣、鐵、錳質(zhì)結(jié)核，可塑—硬塑。

砂層巖性主要以細砂和中砂為主，密實，飽水，透富水性好。

區(qū)內(nèi)土層固結(jié)成巖程度很差，抗拉強度極低，是土洞得以形成和發(fā)展的物質(zhì)基礎。土層中的砂層夾層因其飽含承壓水，當下伏巖、土裂隙或洞體溝通承壓水后，水頭壓力將加快土洞的發(fā)展速度，增大土洞的形成規(guī)模，加劇地面塌陷的危害程度。

2 ?塌陷點基本特征

2.1 ?地表特征

2012年9月18日富達1號副井東大巷上方發(fā)生地面塌陷，地面塌陷坑形態(tài)橢圓形，初始直徑小于10 m，深度直達礦房（礦房頂板埋深約80 m），采空區(qū)礦房頂板塌落響聲似悶雷，地面有明顯震感，淺部水、土塌落混合物直泄礦房，并持續(xù)塌陷。該塌陷持續(xù)塌陷時間約2個月，最終形成地面塌陷坑長軸190 m，短軸約160 m，面積24 430 m2，塌落穩(wěn)定后經(jīng)水下測量，本次塌陷塌落至采空區(qū)的巖土體約60萬m3，根據(jù)礦區(qū)地層滲透系數(shù)和塌陷總時間，計算約50萬m3地下水涌入礦坑，塌陷時坑底深約70 m，坑壁近直立（圖2）。2014年10月7日塌陷坑東南側(cè)出現(xiàn)點狀塌陷坑，與主塌陷坑連通。經(jīng)過多年淤積，目前坑底最大深度34 m，坑壁坡度約80°，水深32 m，處于暫時穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2 ?地下特征

塌陷點及周邊區(qū)域下方為采空區(qū)，根據(jù)礦山監(jiān)測資料統(tǒng)計，采空區(qū)體積約197萬m3，且北部與相鄰礦區(qū)有巷道導通，后經(jīng)調(diào)查，臨礦區(qū)因處于塌陷礦區(qū)下山方向，采空區(qū)內(nèi)大量充水，至2012年12月初核查，已不具備井下勘察條件。塌陷點附近采空區(qū)頂板埋深約70 m，頂板巖層主要為新近系軟質(zhì)泥巖及砂巖，厚度約30 m（圖3、圖4）。礦房內(nèi)護頂膏層X節(jié)理發(fā)育，間距小于1 m，節(jié)理閉合或被纖膏充填，完整性差。礦房頂板潮濕，局部有滲水現(xiàn)象。礦柱表層呈碎塊狀或薄片狀剝落，風化強烈。

塌陷點附近石膏礦層厚度約12 m，發(fā)生塌陷的礦房實際采寬10 m，為設計采寬6 m的1.7倍；實際采高8 m，為設計采高7 m的1.1倍；頂板留設1.5 m石膏護頂，為設計厚度的0.4倍；底板留設1.5 m厚石膏護底，為設計厚度的0.6倍，頂板完整性差、局部滲水，圍巖風化強烈，礦房超寬開采導致空區(qū)頂板暴露面積過大。2012年4月礦山監(jiān)理過程中，監(jiān)理工作人員發(fā)現(xiàn)該礦山東1—東7采區(qū)存在大面積頂板超挖后形成穹頂現(xiàn)象（圖2-d），多次提醒礦方需加強支護，因礦山4月15日全部政策性關停，未采取加強頂板支護或其他防治措施。

3 ?地面塌陷機理分析

3.1 ?地面塌陷數(shù)值模擬

本次塌陷發(fā)生時，地表僅為小于10 m的塌陷坑，資料表明，地下采空區(qū)存在穹頂?shù)谋憩F(xiàn)形式，塌陷發(fā)生初期，頂板僅局部少量發(fā)生了塌陷，塌落物未能完全填充采空區(qū)，塌落角度遠小于休止角，上覆土層仍不停匯入采空區(qū)，當塌落高度至地下水含水層時，塌落物仍不能滿足最終休止角，則塌陷仍繼續(xù)發(fā)生，下泄的水體同時帶走塌落過程的第四系泥沙混合物，因下山方向不受阻隔，則塌陷不斷加劇，地下水擴大了塌陷影響范圍并加劇了塌陷發(fā)展；該塌陷過程中若無外力改變條件，則塌陷過程不會停止，直至塌落的泥沙注滿整個采空區(qū)。綜合認為本次塌陷是抽冒式塌陷。

為了模擬本次塌陷過程，采用矩陣離散元MatDEM方法進行數(shù)值模擬。

根據(jù)已有礦區(qū)開采資料，礦房寬度約8 m，礦房長度20～50 m，礦房高4.5～12 m，礦柱寬6～10 m，石膏護頂層厚度約為2 m。根據(jù)鉆孔資料，建立幾何模型。自上而下地層主要有：耕植土（厚2 m），中砂（厚4.5 m），黏土1（厚5.5m），中砂（厚2 m），黏土2（厚16 m），中砂（厚3 m），黏土3（厚10 m），膏質(zhì)泥巖（厚7 m），膏巖（厚度大于10 m）。礦房尺寸分別為8 m × 8 m、10 m × 10 m和12 m × 12 m，護頂層厚度為1 m和3 m的單礦房離散元幾何模型?？紤]到數(shù)值模擬可能存在的邊界效應問題，在豎直方向模型的尺寸為礦房底板到地表巖土體的厚度，在水平方向模型尺寸既要考慮到應大于塌陷的擾動區(qū)范圍，同時又要考慮模型的計算效率和計算精度。經(jīng)過反復試算，選取模型寬度為100 m，顆粒平均半徑為0.2 m。

因礦山開采過程中沿走向開采，傾向方向為縱向開拓巷道，連通性較差，本次模擬過程中為一個斷面的模擬，若建立傾向方向模擬，則需對整個礦區(qū)進行建模，數(shù)值偏差過大。本次模擬采空區(qū)高度分別為8 m、10 m和12 m，沿礦房走向模擬塌陷后的位移情況如圖5，圖中不同顏色顯示顆粒移動距離。

3.2 ?地面塌陷機理

石膏礦塌陷是多因素控制的一種地質(zhì)現(xiàn)象，主要因素為不規(guī)范開采形成的采空區(qū)（超高超寬開采），次要因素為采空區(qū)頂板護頂層厚度、頂板基巖厚度、第四系巖土體特征和地下水等自然因素。

護頂石膏層冒落后，上覆泥巖因失去支撐而在其底部產(chǎn)生拉應力作用，且拉應力強度大于其自身抵抗強度，于是產(chǎn)生裂縫。裂縫持續(xù)發(fā)展、擴大，相互貫通，使巖層破裂成塊，在重力作用下發(fā)生冒落，形成塌落洞，但由于上覆巖層為泥巖，具有崩解性，形成塌落—成拱—塌落循環(huán)，除非遇到其他因素改變循環(huán)進程，否則塌落將一直向上發(fā)展。

改變循環(huán)進程的因素主要有上覆巖層強度變化及塌落空間充填程度2個方面。上覆巖層強度增強至可形成穩(wěn)定拱頂結(jié)構時，循環(huán)打破，塌落過程終止；塌落空間在塌落物碎脹作用下自行填滿時，塌落物對頂拱形成頂托作用，塌落過程終止。否則塌落進程將繼續(xù)向上覆土層中發(fā)展。

土層中的塌落情況與巖層中相似，亦為塌落—成拱—塌落的循環(huán)進程，但受地下水滲流作用明顯。當塌落點上方土層為單一黏性土層或含水層弱發(fā)育時，塌落洞無地下水滲流作用或滲流作用微弱，在洞體發(fā)育到地表之前，若碎脹的土層能夠?qū)⒍大w自行充填，塌陷將在土層中終止發(fā)育，否則將一直發(fā)育到地表，在地面形成塌陷坑，一般情況下這類塌陷坑規(guī)模較小。

抽冒式采空地面塌陷一般多發(fā)于煤礦開采過程中，在急傾斜煤層開采時，當作業(yè)迎頭與老采空區(qū)貫通導致塌陷，塌陷規(guī)模一般大于陷落型。前期研究認為，石膏礦采空區(qū)塌陷綜合分為陷落型冒落和拱冒型冒落2種方式（圖6），但不管哪種塌陷，一般只能解釋小型塌陷坑或者大面積波狀塌陷變形，與抽冒式塌陷存在較大差異。

3.3 ?地面塌陷穩(wěn)定性分析

隨著礦房高度增大，采空區(qū)內(nèi)的塌落體體積會迅速增大，說明超采超挖引起的地面塌陷危害性非常大。塌陷體的形狀和地表塌陷坑的范圍與橫截面模型相近。最大塌陷深度位于垮落頂板的正上方，隨著礦房高度的增大，地面塌陷深度迅速增大，但塌陷范圍變化較小，當?shù)V房高度為12 m時，塌陷坑壁呈陡立狀。從采空區(qū)內(nèi)塌落體的位移量可以看出，塌落體近似呈層狀逐步堆積，塌落體的坡角取決于顆粒的休止角。當塌落體堆積到頂板的垮落區(qū)時，堵塞了顆粒的流動通道，上部覆巖的塌落會逐步減緩而趨于穩(wěn)定。

經(jīng)估算下泄土體約60萬m3，地下水約50萬m3，與礦山監(jiān)測過程中計算的采空區(qū)體積約197萬m3不符。認為受以下因素影響：一是在陷落水土體匯入采空區(qū)時，導致塌陷點周邊礦柱及頂板強度急劇降低，而在頂板及礦柱失穩(wěn)后發(fā)生二次塌陷，導致第四系與采空區(qū)通道被堵塞，塌陷最終停止；二是在塌陷持續(xù)進行的2個月中，地下水優(yōu)先充滿了采空區(qū)，陷落物順著下山方向運動受阻，塌陷逐漸停止。

4 ?塌陷對地質(zhì)環(huán)境的影響及防治對策

4.1 ?塌陷對地質(zhì)環(huán)境的影響

本次塌陷是邳州石膏礦開采以來發(fā)生的規(guī)模最大、影響最嚴重的一次地面塌陷，塌陷導致下泄地下水經(jīng)巷道導通直接充滿北部礦區(qū)，使其失去開采價值；同時地下水的侵蝕作用使石膏礦護頂、護底層及保護礦柱強度急劇降低，增加了礦柱的崩解性，使原本安全的采空區(qū)因地下水影響穩(wěn)定性變差，增加了地面塌陷發(fā)生的概率。2014年9月，在原塌陷點南側(cè)發(fā)生塌陷，塌陷直徑46 m，周邊無伴生地裂縫；2022年1月15日，在北側(cè)礦井處發(fā)生塌陷，直徑22 m，周邊無地裂縫伴生，均為典型陷落型塌陷。

北側(cè)礦井自建礦以來均有完整的監(jiān)測資料，整體開采規(guī)范程度高，基本不存在超高超寬開采，本次塌陷誘發(fā)因素為地下水導致石膏強度降低所致。因北部礦區(qū)已基本充滿地下水，預計后期仍存在塌陷可能；南部塌陷礦區(qū)因抽冒式塌陷后導致周邊采空區(qū)充水，且頂板穩(wěn)定性差，后期發(fā)生整體冒頂塌陷的可能性大。

4.2 ?防治對策

鑒于礦區(qū)地面塌陷穩(wěn)定性差、危險性大，提出以下防治對策（景佳俊等，2019；管禎等，2022）。

1）搬遷避讓，封閉管理。本區(qū)地面塌陷危險性大、影響面積廣、不確定性因素較多，以石膏礦采空區(qū)及其影響范圍劃定防治區(qū)，在該區(qū)域內(nèi)房屋進行異地搬遷，農(nóng)田采用土地流轉(zhuǎn)的形式，將耕地轉(zhuǎn)換成林地，進行封閉管理，禁止人員進入。

2）監(jiān)測預警。監(jiān)測預警一般采用人工巡查和自動化監(jiān)測預警相結(jié)合，鑒于石膏礦區(qū)的危險性，人工巡查宜采用無人機定期巡查。目前采空區(qū)監(jiān)測的方法較多，可采用InSAR變形監(jiān)測、地下水位監(jiān)測和微震監(jiān)測等多種方法，監(jiān)測結(jié)果形成數(shù)據(jù)庫，由專業(yè)人員進行分析整理。

3）工程綜合治理。對新形成的地面塌陷點，在專業(yè)監(jiān)測的基礎上，確定無危險時段宜開展塌陷坑回填、廢棄井筒回填封堵，回填材質(zhì)宜采用素填土多次回填。

5 ?結(jié)論

1）石膏礦抽冒式塌陷主要因頂板塌落物在地下水作用下沿下山方向不斷移走，上部巖層不能形成有效支撐，塌陷持續(xù)擴大，地面塌陷坑范圍遠大于地下采空區(qū)投影范圍，直至頂板塌落物與頂板形成有效支撐后，塌陷方可停止。

2）塌陷發(fā)生后，地下采空區(qū)大面積充水，巷道頂、底板及礦柱長期遭受水浸侵蝕，將不斷剝落、片幫、崩解，石膏強度持續(xù)降低，這是塌陷發(fā)生的外因；礦山不規(guī)范開采，留設礦柱寬度、護頂層厚度偏小是發(fā)生塌陷的內(nèi)因；在內(nèi)外因素共同作用下，后期發(fā)生地面塌陷的可能性增大。

3）石膏礦礦床開采的不連續(xù)性決定了塌陷的不確定性，且該類塌陷不同于煤礦塌陷，不存在穩(wěn)沉期，故該類地面塌陷防治方法主要為搬遷避讓、封閉管理、監(jiān)測預警和工程治理。

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收稿日期：2023-04-15；修回日期：2023-05-31

基金項目：江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局科技創(chuàng)新項目“邳北石膏礦示范區(qū)采空地面塌陷遠程監(jiān)測預警項目（2019KY06）”；江蘇省自然資源廳“邳州市地質(zhì)災害風險普查”（蘇財資環(huán)〔2021〕40號）項目聯(lián)合資助

作者簡介：景佳俊（1983- ），男，學士，高級工程師，主要從事水文地質(zhì)、地質(zhì)災害研究工作。E-mail：393599289@qq.com

引用格式：景佳俊，2024.江蘇某緩傾斜石膏礦抽冒式塌陷機理分析［J］.城市地質(zhì)，19（1）：29-35