蘇北某磷礦礦區采空地面塌陷成因機理研究

王玉喜　胡克榮　任金來

摘 要：地下磷礦資源的開采的形成了大面積的采空區，引發了采空地面塌陷地質災害。本文以蘇北某磷礦為研究對象，論述了研究區礦產地質條件及采礦方法，查明了礦區采空地面塌陷地質災害情況，分析了影響因素，在此基礎上闡明了采空地面塌陷的成因機理，為礦區安全生產和地質災害防治提供依據。

關鍵詞：磷礦；地質災害；采空地面塌陷

隨著社會經濟的不斷發展，農業及工業發展迅速，磷礦作為生產各種磷肥的主要原料，也是化工、輕工、國防等工業的重要礦物原料，磷的開采量日益增大。地下磷礦資源的開采的形成了大面積的采空區，引發了突出的地質環境問題，以采空地面塌陷為主，不僅占用、毀壞了大量的土地資源，而且破壞了礦區生態景觀，污染了礦區生態環境，嚴重影響了礦區的經濟發展以及人們的正常生產、生活，也成為了制約企業安全生產的一大難題[1]。

本文以蘇北某磷礦礦區為研究對象，調查區內采空地面塌陷地質災害發育情況，研究其影響因素及成因機理，為地質災害防治提供依據。

1 研究區概況

該磷礦系前震旦紀沉積變質磷灰巖礦床，礦體賦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。礦體呈似層狀，夾層一般1-2層，巖性以含磷大理巖為主，片麻巖夾層較少。礦體向北東側伏，側伏角28°，巖層走向3°～19°，傾向93°～109°，傾角南小北大32°～51°。整個礦區地表都有第四系分布，主要為陸海相砂、粘土淤泥等松散碎屑沉積物，厚度18.11～26.67m。

礦體圍巖：礦體頂板為白云質大理巖，云母大理巖，白云二長片麻巖；礦體底板全為白云質大理巖。區域頂板巖石質量屬于劣的-中等，局部巖性較松散，含軟弱夾層，巖體完整性差，穩固性較差。

礦區構造：礦區位于錦屏倒轉背斜東南正常翼的中段，為一單斜構造。根據資料顯示，礦區內未發現破壞礦體和影響開采的斷裂構造。在含磷地層中，有局部的小錯動和巖石破碎現象。

水文地質：研究區礦產賦存于海州群錦屏組變質巖中，巖性變化中等，主要涌水量為錦屏組第一段上部的巖溶裂隙水。砂層孔隙承壓含水層與基巖裂隙承壓含水層具有一定的水力聯系，大氣降水通過砂層間接補給基巖裂隙巖溶含水層。地下水的排泄主要依靠生產巷道的疏干排水，礦山在生產過程中，地下水已疏干到-400m標高，由于長期抽取地下水，已形成很大的降落漏斗。

礦床采礦方式：礦區為地下開采，采用豎井、盲豎井開拓。按照礦體的不同厚度和開采深度，采用了不同的采礦方法：主要有淺眼房柱法、崩落法、空場法、爆力搬運礦房法、階段礦房法和底盤漏斗分段采礦法。

2 研究區地質災害情況

研究區地質災害類型主要為采空地面塌陷。據調查，該磷礦自建礦以來曾發生過多起地面塌陷，曾在1978年4月至1980年4月期間，-50m中段由于采用分段崩落法采礦，至使第四系流砂和淤泥多次潰入坑道，并引起地面塌陷，特別是1983年11月24日在-42.2m標高處地面塌陷面積達24410m2。后來，為防范采空區繼續塌陷，不再采用分段崩落法采礦，而使用房柱法，同時加大了-80m中段的頂柱和間柱，使-80m以下的采礦和-50m中段隔離開來，防止礦層頂板冒落連通第四系砂層和淤泥。

近年來礦區地質災害頻發，先后發生3次地面塌陷：2013年12月25日，地表形成了直徑約110米、面積約8106m2倒立圓臺塌陷坑（見照片1），坑底地下投影位置位于-200m中段，塌陷造成了東側約70m處的浦發路路基局部出現不均勻沉降和裂隙；2016年3月4日，在該磷礦采空區范圍內再次發生地面塌陷，形成了長軸約130m，短軸約100m的橢圓形倒立圓臺塌陷坑，塌陷地表面積約9400m2（見照片2），坑底地下投影位置位于-120m采礦中段附近；2016年12月31日，第三次發生地面塌陷，塌陷坑呈漏斗狀，地表塌陷區影響范圍9960m2，下涌淤泥和流砂體積約10萬m3，造成塌陷坑外圍地表和西側礦山道路多處裂縫（見照片3）。

3 礦區地質災害影響因素及成因機理研究

3.1 影響因素分析

采空地面塌陷是指地表巖石或土層由于地下礦產被采空而引起地表的下陷或塌落。采空地面塌陷是諸多因素綜合作用的結果，通過對評估影響范圍地面塌陷的詳細調查和對地面塌陷的破壞表現形式的研究并結合實際生產的工作經驗，主要影響因素有以下幾個[2-3]。

3.1.1 礦藏條件因素

礦層埋深：礦層埋深越大，變形發展到地表所需的時間越長，地表變形值越小，變形比較平緩均勻，但是地表影響范圍增大。

頂板巖性：上覆巖層強度高、分層厚度大時，產生地表變形所需采空面積大，破壞時間長，甚至長期不產生地表變形；強度低、分層薄的巖層，常產生較大的地表變形，且速度快，但變形均勻，地表一般不出現裂縫；脆性巖層地表易產生裂縫。厚度大、塑性大的軟弱巖層作為上覆層時，地表變形不明顯；層薄的軟巖層作為上覆層時，地表變形會很快并出現裂縫，地表變形強烈。

3.1.2 地質條件因素

地質構造條件：巖層節理裂隙發育會促進變形加快，增大變形范圍，擴大地表裂縫區。斷層發育地區會破壞地表移動的正常規律，改變地表變形帶的位置和大小且加劇地表變形。

松散層厚度，地表第四系的堆積物越厚，則地表變形值增大，但是應力釋放空間較大，變形平緩均勻。

水文地質條件：地下水活動（特別是抗水性弱的軟弱巖層或節理裂隙發育的強透水巖層）會加快變形速度，擴大地表變形范圍，加劇地表變形。

3.1.3 開采條件因素

礦床的開采方法、開采深度、采動程度、礦層頂板的處置方法以及采空區的大小、形狀等都會對采空區的穩定性產生影響，誘發采空地面塌陷地質災害。

3.2 成因機理研究

根據研究分析，研究區采礦誘發的地面塌陷的成因機理如下：

①研究區內礦體呈似層狀，厚度多大于5米，當采深采厚比較小時（小于30%），加之頂板白云質大理巖，整體上屬劣質的軟弱巖石，強度相對較小，穩定性較差，沒有有效的支撐頂板。在地下礦層開采形成采空區的過程中，周圍巖體的應力場產生變化，應力調整和重新分布，采空區頂板覆巖表現出應力集中，促使采空區頂板覆巖遭受剪切破壞，完整性降低，裂隙進一步發育，使巷道頂板、底板和側幫巖層產生變形，出現頂板冒脫、裂隙帶和彎曲帶；礦山多年開采引起頂板巖層移動已明顯波及到地表，其地表沉陷和變形在空間上和時間上都有明顯的不連續特征，地表變形劇烈，采空區上方會形成較大的裂縫或塌陷坑[4]。

②研究區內坑道的主要涌水量為錦屏組第一段上部的巖溶裂隙水，片麻巖隔水層有張裂隙，其透水性較好。上部巖層富含地下水，通過構造裂隙滲入深部圍巖和采空區，導致裂隙張開，強度降低；同時，地下礦層開采時，在地下水疏排過程中，隨著地下水位不斷下降，形成很大的降落漏斗，覆蓋層由于自身重力及縫隙水壓力向下形成壓力，從而加劇巖層破壞，最終誘發頂板覆巖和地表冒落塌陷。

③采用房柱法開采的礦層，留設保護礦柱，但礦房被開采后，破壞了原始應力平衡狀態，導致了采場應力的重新分布，隨著時間的推移和應力場的改變，在不斷積累的應力作用下，發生劈裂、片幫等現象，最后上覆巖層會失去支撐而導致冒落下沉，在垂直方向的破壞和移動，形成比較明顯的“三帶”破壞形，進而引發上覆巖層沉降和采空塌陷。

礦柱對采礦引起載荷的整體響應取決于礦柱大小、礦柱中的地質構造和圍巖對礦柱所施加的表面約束等。在接近礦柱強度的應力作用下，礦柱發生破壞，致使表面剝落、剪切破裂、內部劈裂、穿透節理或撓曲破壞。

④采礦過程中，井內放炮震動使得巖土體發生破裂、位移和砂土液化現象，巖土體強度降低，從而引發地面變形。另外，采礦及運輸設備振動，地表荷載增加等，也會對采空區產生影響擾動，加劇頂板破壞，誘發采空地面塌陷。

4 結論

①研究區采空地面塌陷近年來發生頻率增加，是礦產埋藏條件、礦區地質條件和開采條件多方面因素共同作用的結果；

②研究表明礦區的采深采厚比、圍巖的性質、地質構造、地下水條件和開采方式是發生采空地面塌陷的主要原因。在采空區形成的過程中，采空區頂板覆巖遭受較為嚴重的破壞，加這構造裂隙較為發育，地下水作用等外部因素的誘發，采空區發生地面塌陷；

③礦區地質災害頻發，威脅地下礦井生產安全，同時危害礦區內生產人員及構建筑物安全。了解其地質災害成因及機理是地質災害防治工作的重要依據，是礦區周邊土地規劃及綜合利用的基礎。

參考文獻：

[1]王兆遠，徐婷，李源匯，梅甫定.磷礦采空區風險管理體系探討[J].安全與環境工程，2011，18（2）：77-80.

[2]于大鵬，覃秋雅，馬秉智，毛偉.礦山采空區地面塌陷危險性預測[J].工礦自動化，2010（3）：78-81.

[3]馮有利，羅清威.基于Roughset的采空區地面塌陷危險性評價[J].河南理工大學學報（自然科學版），2016，35 （6）：759-764.

[4]劉佑榮.巖體力學[M].北京：中國地質大學出版社，2012.

作者簡介：

王玉喜（1985- ），男，籍貫：江蘇鹽城，本科，工程師，主要從事水工環地質相關工作。