趙家壟礦地質(zhì)災(zāi)害分析及防治對策研究

付 俊，唐紹輝，徐必根

(1.長沙礦山研究院有限責任公司安全技術(shù)中心， 湖南長沙 410012;2.金屬礦山安全技術(shù)國家重點實驗室， 湖南長沙 4100012)

0 前言

地下礦山一旦發(fā)生地表塌陷，大量土體將會涌入地下巷道，對正在進行生產(chǎn)作業(yè)的人員構(gòu)成巨大的威脅，并帶來巨大的經(jīng)濟損失，更嚴重的是部分礦山地表塌陷往往伴隨著雨水、地下水，隨之將會形成泥石流災(zāi)害，帶來巨大的經(jīng)濟損失。

回采過程中往往因?qū)v史民采遺留采空區(qū)情況未完全掌握，可能導(dǎo)致采場與老采空區(qū)相連，形成巨大的采空區(qū)，在一些地質(zhì)條件較差的礦山，容易發(fā)生突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害，事先不容易被人察覺，對礦山地質(zhì)災(zāi)害的形成原因分析研究，能夠有效地對區(qū)域內(nèi)其它地下礦山提出應(yīng)對措施，預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害，減少災(zāi)害造成的損失。湖南是我國地質(zhì)災(zāi)害比較嚴重的省份之一，屬地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)區(qū)［1］，本文以湘南郴州市蘇仙區(qū)趙家壟多金屬礦為例進行分析。

1 工程概況及地質(zhì)災(zāi)害概述

1.1 工程概況

郴州市趙家壟多金屬礦于1980年代起開始露天開采，后轉(zhuǎn)為地下開采。露天開采形成了+745，+735，+721 m三個平臺，露天開采形成的采坑面積22500 m2。對+690 m以下礦體采用地下開采，由于沒有正規(guī)開采設(shè)計，原有井下開采秩序混亂，形成了大量未經(jīng)處理的采空區(qū)。

1.2 地表塌陷事故概述

事故發(fā)生在趙家壟多金屬礦的水湖里礦區(qū)，塌陷坑地面標高約+745～760 m。本次地面塌陷事故造成地面塌陷長度達75 m，寬度達60 m，塌陷面積近4000 m2，最大塌陷深度達33 m，塌方總量約5萬m3，事故現(xiàn)場如圖1所示。塌陷坑下部為原老采空區(qū)，由于地表塌陷后形成的井下泥石流通過老采空區(qū)后涌進+640，+615 m水平巷道，巷道和老采空區(qū)被泥石堵塞，致使井下5名工人被困。

圖1 現(xiàn)場地表塌陷坑

2 塌陷區(qū)地質(zhì)條件及形成原因分析

2.1 地質(zhì)環(huán)境條件

(1)自然地理。礦區(qū)地貌屬構(gòu)造侵蝕中低山地貌。礦區(qū)地形整體上南東高，北西低，最高處+961 m，最低處+524 m，地表相對高差437 m，地形坡高5°～24°。地表植被發(fā)育，覆蓋率在50%左右，地形有的切割呈“V”字型，地形切割深度40～160 m。當?shù)厍治g基準面海拔標高210 m。該區(qū)屬大陸性亞熱帶季風濕潤氣候，陽光充足，雨量充沛，四季分明，春季寒潮頻繁，仲夏(6～8月)多雨易澇，夏末秋初多旱，冬寒期短的特征。

(2)巖土體工程地質(zhì)類型。該區(qū)的土體為第四系殘破積及沖洪積層，主要分布于礦區(qū)中部及零星分布于緩坡溝谷地帶，由礫及砂土組成，因其結(jié)構(gòu)松散，開挖后容易垮塌，工程地質(zhì)條件差。區(qū)內(nèi)巖石可以分為堅硬厚層石英巖、粉砂巖夾頁巖巖性綜合體，較硬—堅硬厚層紋層狀灰?guī)r、云灰?guī)r巖性綜合體和堅硬塊狀花崗巖、花崗斑巖巖性綜合體巖組三類。

(3)水文地質(zhì)條件。區(qū)域地貌屬構(gòu)造侵蝕的中低山地貌，地面坡度一般在5°～14°，局部地段有陡坎，較陡坡面植被覆蓋率50%左右，大氣降水地表排泄較流暢。礦區(qū)及其附近無江河分布，無水庫建設(shè)工程，僅在礦區(qū)的北部分布有一條小溪溝，其流量隨大氣降水變化明顯，礦山開采處于當?shù)厍治g基準面附近，區(qū)內(nèi)地層的賦水性一般。水文地質(zhì)條件復(fù)雜程度屬中等類型。

2.2 塌陷區(qū)老采空區(qū)分布情況

塌陷區(qū)位于南部，塌陷區(qū)老采空區(qū)為1號礦體。該區(qū)域東部+610 m以上礦體已基本采完，形成的采空區(qū)面積較大，采空區(qū)未處理。

根據(jù)礦山提供的地質(zhì)勘探線剖面圖、最新實測的采掘工程平面圖、井上下對照圖及地表塌陷后的實測圖，建立了塌陷區(qū)三維實體模型，如圖2所示。

圖2 塌陷坑與井下開采區(qū)域相互關(guān)系

2.3 地質(zhì)災(zāi)害成因分析

2.3.1 不良的工程地質(zhì)條件

塌陷區(qū)下部采空區(qū)為原礦山開采1號礦體留下的采空區(qū)，從86號勘探線往南至87號勘探線，采空區(qū)頂板巖層逐漸變薄，在86號勘探線附近，頂板巖層為中泥盆統(tǒng)棋梓橋組灰?guī)r巖組，其中700 m標高以上灰?guī)r巖組厚度為10 m左右，往南至87號勘探線時，灰?guī)r巖組逐漸尖滅，在670 m標高以上采空區(qū)直接頂板巖層為5～10 m厚的矽卡巖，矽卡巖上盤為第四系土體，土體厚度達80 m，由礫及砂土組成，其結(jié)構(gòu)松散，工程地質(zhì)條件差。

礦區(qū)內(nèi)巖體風化較強烈，強風化帶深度一般為10～30 m，最深可達50 m，風化的白云巖、灰?guī)r及砂巖極為破碎，f值在4～6以下。堅硬的矽卡巖、花崗斑巖在風化帶中強度低，穩(wěn)固性較差。采空區(qū)上盤頂板巖層較薄，近地表巖體風化較強烈，頂板上第四系土體較厚是采空區(qū)發(fā)生失穩(wěn)的主要因素，較厚的第四系土體為產(chǎn)生井下泥石流提供了豐富的物質(zhì)來源。

2.3.2 原有老采空區(qū)的影響

礦區(qū)開采始于1980年代，經(jīng)歷了村辦企業(yè)、民營企業(yè)開采，由于前期的無序開采，+610 m以上形成了大量未經(jīng)處理的不明采空區(qū)。ZK1/87號以東670 m以上，采空區(qū)傾角達70°，頂板為5～10 m的矽卡巖，矽卡巖上覆為第四系土體，土體厚度達80 m;采空區(qū)傾角為55°，頂板為矽卡巖、灰?guī)r，該部分礦體標高為+610～670 m。

為分析該區(qū)域采空區(qū)穩(wěn)定性狀況，采用二維彈塑性有限元分析程序進行了計算分析，選取87號勘探線剖面，建立二維模型，如圖3所示。根據(jù)工程經(jīng)驗，選取了數(shù)值計算的巖土力學參數(shù)，見表1，材料的本構(gòu)模型采用Mohr－Coulomb模型。

表1 數(shù)值計算巖體介質(zhì)的力學參數(shù)選取

模擬開采1號礦體后的計算各步驟最小主應(yīng)力、最大主應(yīng)力、位移及塑性區(qū)的分布和變化情況。計算結(jié)果如圖4與圖5所示。

圖3 87勘探線計算模型

根據(jù)以87號勘探線為模型，1號礦體+670 m標高以上礦體開挖前后的最小主應(yīng)力、最大主應(yīng)力、位移及塑性區(qū)分布的數(shù)值模擬計算結(jié)果表明，由于該段礦體傾角(70°左右)較陡，采空區(qū)頂板覆巖隔離層厚度小，塌陷坑處地表第四系覆蓋層厚度大，礦體開采后，采空區(qū)上盤圍巖位移明顯增大，采空區(qū)上盤第四系土體整體向采空區(qū)移動，采空區(qū)上盤圍巖發(fā)生大面積塑性破壞，容易產(chǎn)生頂板覆巖隔離層失穩(wěn)破壞，頂板覆巖隔離層破壞后，第四系土體涌入采空區(qū)，致使地表發(fā)生塌陷。

圖4 1號礦體開采后巖體移動趨勢

圖5 1號礦體開采后圍巖位移及塑性區(qū)

2.3.3 不利的氣候條件

根據(jù)氣象資料證明，自2012年8月1日至10月11日止，山區(qū)出現(xiàn)了長時間的陰雨天氣，尤其自2012年9月24日起至10月11日(事故發(fā)生日)，連續(xù)18天雨天，其中10月6、7日為大暴雨、大雨天氣。2012年10月1日至10月11日降雨量見表2。

長時間的連續(xù)雨水天氣，造成地下水位升高，巖土含水量大大增加，地表第四系殘坡積松散碎石土達到飽和成流體狀態(tài)。豐富的地下水不僅降低了巖土體的穩(wěn)固性，加快老采空區(qū)的失穩(wěn)，也為井下泥石流的發(fā)生提供了充足的水源和合適的激發(fā)因素。

綜上所述，由于地表有豐富的第四系松散殘坡積碎石土固體物質(zhì)來源，長時間的陰雨天氣使殘坡積松散碎石土達到飽和成流體狀態(tài)，提供了充足的水源和合適的激發(fā)因素，井下的采空區(qū)與巷道提供了有利于貯集、運動和停淤的空間條件，塌陷區(qū)巖體工程地質(zhì)條件差，在降雨因素作用下，采空區(qū)頂板巖層發(fā)生破壞，導(dǎo)致地面塌陷，引發(fā)井下泥石流災(zāi)害。

表2 礦區(qū)10月份降雨量

3 地表塌陷控制治理措施［2-5］

(1)在巷道構(gòu)筑封堵體的措施控制泥石流。巷道圍巖為砂巖，巖質(zhì)堅硬，巖石完整，抗風化能力強，硬度較大，適合構(gòu)筑封堵體。根據(jù)巷道面積，高程計算，分別選擇640封堵體長度選為6.4 m，615西側(cè)巷道封堵體長度選為8.6 m，615東側(cè)巷道封堵體長度選為8.4 m。

(2)塌陷坑地面標高為+745～760 m，長度達到75 m，寬度達到60 m，塌陷面積近4000 m2，最大塌陷深度達33 m。塌陷坑周邊區(qū)域為露采時期回填土，北部為原露采坑。綜合塌陷坑位置及周邊土層情況，考慮從塌陷區(qū)域西側(cè)取土回填塌陷坑，治理區(qū)回填料來源充分。

(3)為防止地表水匯入塌陷坑，在塌陷坑上山方向依地形修筑截洪溝。截洪溝布置在塌陷區(qū)上山方向，主要起到攔截山坡徑流水，防止洪水流入塌陷地段的作用。

4 結(jié)論

工程地質(zhì)條件差、地下采空區(qū)情況復(fù)雜以及當時不利的氣候條件是造成趙家壟礦區(qū)地表塌陷及井下泥石流災(zāi)害的主要原因。本次地質(zhì)災(zāi)害的成因及發(fā)生過程的分析，可為該區(qū)域內(nèi)其它存在同樣隱患的礦山進行有效的地質(zhì)災(zāi)害防治提供借鑒作用。此類礦山應(yīng)統(tǒng)一對該區(qū)域內(nèi)的老采空區(qū)進行穩(wěn)定性論證和分析，為老采空區(qū)綜合治理提供可靠的依據(jù)。

［1］方 瓊，段中滿.湖南省地形地貌與地質(zhì)災(zāi)害分布關(guān)系分析［J］.中國地質(zhì)災(zāi)害防治學報，2012，23(2):83-88.

［2］紀萬斌，尹訓(xùn)河.采礦塌陷災(zāi)害的成因機理及防治策略［J］.中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學報，1998，9(3):60-65.

［3］孫光華，陳 穩(wěn)，胡建釗，等.礦山地表塌陷坑綜合治理［J］.化工礦物與加工，2012(5):31-33.

［4］畢偉忠，丁德馨.地下開采對地表的破壞與防治［J］.安全與環(huán)境工程，2003，10(3):54-57.

［5］黃應(yīng)盟，毛建華.高峰礦區(qū)新洲地表塌陷坑綜合治理研究［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，2009，29(3):57-59.