淮北某銅礦礦區地表塌陷成因

張　顯

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；3.華唯金屬礦產資源高效循環利用國家工程研究中心有限公司)

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淮北某銅礦礦區地表塌陷成因

張顯1,2,3

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；3.華唯金屬礦產資源高效循環利用國家工程研究中心有限公司)

摘要以淮北某銅礦為例，從地表塌陷的基本條件入手，分析了該礦區塌陷的影響因素，礦區地層特征、水文地質特征、礦山開采及采空區現狀、地表塌陷成因。綜合分析結果表明：①該塌陷區灰巖裂隙發育和第四系松散覆蓋層的砂、礫石黏土互層結構是造成區內塌陷的基本地質條件；②井下排水、地面堆載尾礦和尾礦水化作用是地表塌陷的主要誘發因素，在地面附加載荷和垂直滲透力的作用下，加劇了地表塌陷的產生和發展。

關鍵詞地表塌陷地質條件井下排水誘發因素

地面塌陷成因復雜多樣，根據形成塌陷的主要原因可分為自然塌陷和人為塌陷2類。自然塌陷主要由于地震震動、降雨地表滲透、自重壓力、地下水潛蝕掏空等自然因素引起的，人為塌陷主要由于地下采空區、井下排水、地下水開采、地面堆載、尾砂堆場蓄水等人為因素所致[1-4]。淮北某銅礦礦區2016年3月發生過礦區地表塌陷，為對該礦山地表塌陷進行有效防治，本研究對礦區內地層、水文地質條件進行分析，并對地表塌陷成因進行詳細探討。

1礦區概況

淮北某銅礦地處淮北平原，屬大陸—海洋性氣候過渡帶，年平均降雨量865mm。礦區及附近區域地表廣泛分布第四系松散層，下伏灰巖、大理巖及閃長巖，第四系沉積物厚144.88～163.47m，為河湖相砂礫石黏土互層沉積物。礦區基巖為淺海相碳酸鹽巖沉積，經蝕變交代熱接觸變質作用后，為白云質大理巖、白云石大理巖、水鎂石大理巖、條帶狀(或斑紋狀)大理巖等。礦床北部、東部為二疊系陸相碎屑沉積。該礦區建于2008年底，采用豎井+盲豎井+盲斜井聯合開拓，主要有主井、風井、盲豎井、盲斜井4條井筒。開拓-250，-300，-350m等3個中段，采礦方法以上向水平分層尾砂充填法[5]為主，并輔以淺孔留礦嗣后充填法[6-7]。2016年3月15日，位于該礦尾砂周轉池西北角的地表發生了塌陷，3月16日進一步坍塌，之后趨于穩定。塌陷坑近圓形，塌陷半徑約90m，沉降面積約25 400m2，最大落差約5m，沉降量約33 500m3。塌陷造成了部分通往礦區的電線桿傾倒，一村級公路被局部破壞。

2地表塌陷成因

2.1地質條件因素

該礦區及附近區域砂層最厚達22.07～37.73m。由于該區黏土和砂層互層，砂層結構松散，分選良好，排列疏松，黏土可塑性強，因此黏土有一定的壓縮性，砂層在水位降低時會引起有效應力的增加，該類因素為地面沉降、塌陷提供了物質基礎。礦區3#礦體位于塌陷區下部，呈透鏡狀產出，走向NW，傾向SW，傾角60°，為典型的捕虜型成礦，礦體產于巖體內的碳酸鹽巖捕虜體邊緣。據01#、03#線地質剖面，碳酸鹽灰巖、大理巖與第四系呈“天窗”直接接觸，51#鉆孔也顯示第四系下伏厚層狀灰巖，與第四系接觸面上部存在厚約30m的風化破碎灰巖。碳酸鹽灰巖發育為地下水溶蝕產生和發展創造了有利條件。根據區內地層、水文、工程地質因素，第四系覆蓋層透水性較強，抗剪、抗壓及抗潛蝕能力差，具備土洞發育條件，是產生地面塌陷的主要因素；下伏巖體為閃長巖與大理巖、灰巖的接觸帶，成礦構造強烈，存在構造裂隙或以灰巖溶蝕裂隙發育，成為土洞潛蝕土體運移通道，為土洞產生和擴大創造了條件。由此可見，地質條件因素是形成該礦地表塌陷的主要自然因素。

2.2采空區因素

礦山塌陷區下部開采中段有-250，-300，-350m中段，其中-250，-300m中段的102采場采空區未進行充填，井下現場勘察均未見漏砂和其他異常現象，采空區頂底板均較干燥。根據3#地質剖面，102采場-250m以上頂板厚度約97m，現場調查未見大面積坍塌。該礦為矽卡巖礦床，礦體頂板巖石為矽卡巖、大理巖，主要礦體頂底板一般較完整，整體性好，力學強度高，礦體及圍巖工程地質性質較好。-250m采空區總體積約24 600m3，地面塌陷坑總體積為33 510m3，塌陷坑體積大于采空區體積。由采空區和地面塌陷坑體積對比分析，可初步認為采空區并非造成地面塌陷的直接原因。由采空區現場勘探、采空區體積對比及圍巖工程地質性質綜合分析可知，由采空區造成地表塌陷的可能性小。

2.3井下及周邊排水因素

該區地下水主要補給來源為大氣降水入滲補給及農業灌溉回滲補給，地下水總體流向由東南向西北徑流。人工開采、大氣蒸發及向下游徑流為主要的排泄方式。據礦山調查以及周邊礦山生產排水記錄，該礦在正常生產時井下排水量約1 500m3/d，大量抽排地下水會形成一定范圍的降落漏斗。區內分布的灰巖、大理巖為巖漿巖侵入形成的捕虜體，周邊為透水性極弱的巖漿巖隔水層，發生水力聯系的主要為上部第四系含水層，礦體頂板及發生水力聯系的第四系含水層是礦床充水的主要來源。由于礦山井下排水及周邊民用抽水灌溉，導致區內第四系含水層水位下降，地下水侵蝕面隨之上下頻繁波動，枯水期灰巖地下水位低于含水砂礫石黏土層侵蝕面，在豐水期灰巖地下水位上升，礦山井下排水造成地下水位在灰巖與第四系底板之間波動，為巖溶土洞塌陷的產生創造了動力條件。

2.4地面堆載因素

根據塌陷區范圍調查結果，塌陷區中心位于礦山選廠尾砂堆場西北角，地表尾砂堆場堆積高度約4m，增加了地面荷載，在降水充水狀態下，池內尾礦容重增大，可達飽水狀態，尾礦堆場北側排水管排水標高僅低于灘面0.5m，尾礦重力荷載增加于第四系覆蓋層之上。根據第四系工程地質條件分析，松散層承載力差僅適合作為普通地面建筑的持力層，若在水動力條件下松散層侵蝕產生土洞，土洞頂板承載力不足，致使上覆土層產生變形塌陷。

2.5尾礦水化因素

經現場調查，塌陷坑正上方為1#尾礦堆場，相鄰東側為原尾礦2#堆場。由于1#、2#尾礦堆場均未采取防滲措施，水池水成為地表潛水的補給來源，通過第四系垂向滲透，加劇了地下水對第四系松散層的潛蝕和沖刷作用，使溶蝕土洞擴大直至坍塌。因此，尾礦水化作用是地面塌陷發生的外在因素條件。

3結語

結合淮北某銅礦礦區地質調查成果，分別對該礦區地層特征、水文地質特征、礦山開采及采空區現狀、地表塌陷成因進行了詳細分析，對于該礦區地表塌陷的有效防治有一定的借鑒價值。

參考文獻

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[4]張子真.土質地層地陷機理分析及數值模擬[D].北京：北京交通大學，2012．

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[6]王成龍，王潁.平底結構淺孔留礦法在金陶公司二礦區的應用[J].現代礦業，2015(6)：210-211.

[7]宋甫，周益龍，江飛飛.淺孔留礦法在急傾斜至極薄礦脈開采中的應用[J].現代礦業，2015(6)：32-33.

(收稿日期2016-05-06)

張顯(1981—)，男，工程師，碩士研究生，243000 安徽省馬鞍山市經濟技術開發區西塘路666號。