萊州市某鐵礦采空區穩定性評價

羅志波，曹朋軍，林 星

(天津市地球物理勘探中心，天津 300170)

地下金屬礦山開采在我國礦產開發中占有了相當的比重，為國民經濟發展提供重要保障，但也同時留下了大量的采空區[1]。尤其是在20世紀80年代，由于地下開采技術不成熟，出現了對礦產資源的不合理無序開采現象，使許多礦山遺留了大量未治理且情況不明的采空區[2-4]，并已成為我國隱蔽致災的主要原因之一[5-7]。近幾年，隨著國家及地方政府對民生地質工作重視，也逐步加大了地下采空區勘查及治理工作。目前，對采空區問題的研究主要集中在采空區探測技術、采空區穩定性評價、采空區治理及質量檢測技術這4個方面[8]。其中探測技術是前提，治理是目標[9]，而采空區穩定性評價則是采空區治理的依據，也是決定采空區處治方案的關鍵[10]，對礦山工程、安全及經濟有效地開采都具有重要意義[11-12]。

萊州市某鐵礦采空區由淺孔房柱法地下開采所形成。前人結合以往基礎資料，通過地面調查、物探及鉆探等方法對其進行綜合勘查，基本查明該采空區分布范圍及特征。本研究基于其圈定的采空區范圍、分布特征及其場區地質環境等，通過簡支梁理論及當量暴露面積法對其穩定性做了進一步探討，旨在為后續治理提供科學依據。

1 場區地質環境條件

研究區位于膠東半島西北部，大地構造位置處于華北地臺南緣膠北地體之膠北隆起區，沂沭斷裂帶東側[13](如圖1所示)。

圖1 研究區大地構造位置Fig.1 Tectonic location of the study area1—第四系；2—牟平—即墨構造混雜帶；3—膠東侵入巖變質巖區；4—膠北隆起區；5—膠萊坳陷區；6—膠南隆起區；7—研究區

1.1 研究區地質特征

研究區地處沿海平原，地勢平坦，海拔5.0～6.5 m，地表均第四系臨沂組(Qhl)所覆蓋。臨沂組主要由棕灰色黏土質粉砂、灰黃色含礫粗砂、礫石等組成，為河流I級階地及高河漫灘上的一套河流沖積相碎屑沉積。根據探礦工程揭露，其下伏地層主要為古元古界粉子山群小宋組(Pt1x)二段地層，其產狀總體呈北東40°～60°走向，傾向北西，傾角約40°～70°。巖性主要有黑云變粒巖、石榴黑云斜長片麻巖、含石榴石斜長角閃片麻巖、黑云角閃片巖等。

1.2 礦體地質特征

礦區鐵礦體(編號Ⅸ)位于第四系之下，賦礦層位為小宋組第二段。礦體呈透鏡狀、走向54°，傾向北西，傾角40°，長大于120 m，斜深大于100 m，厚1.9 m。根據礦山開采資料，目前該礦體已動用標高約-55 m以上鐵礦資源，進而形成了該地下采空區。

1.3 水文地質、工程地質特征

研究區含水層分為第四系松散巖孔隙含水層和基巖(變質巖系)裂隙含水層2大類。第四系松散巖總體透水性、富水性均較強，下伏基巖因風化裂隙、構造裂隙較為發育，基巖裂隙含水層也相對較為發育。項目區內地下水位易受氣候、人工開采影響，波動較大，易于導致采空區及周圍地下水漏失。研究區巖土體分為第四系松軟沖洪積松散巖巖組和堅硬—半堅硬塊狀—層狀變質巖巖組2大類。第四系(～15 m)及基巖風化層(15～35 m)厚度較大，加之斷裂構造、地表人類工程活動的擾動，采空區上覆圍巖強度變弱。

綜上所述，研究區水文地質條件總體較為復雜，工程地質條件相對較差，易于加劇采空區塌陷和地面沉降可能。

2 采空區分布特征

采空區由地下鐵礦開采所形成，采礦方式為淺孔房柱采礦法，開采礦體為礦區Ⅸ礦體，開采深度約為45～60 m。綜合鉆探驗證工程、高密度電性異常圈定及采準巷道工程，圈定的采空區呈北東東向約55°矩形展布，空間上與Ⅸ鐵礦體分布相一致，其平面投影長約80 m，寬18～20 m，面積約1 496 m2，平均采高2.45 m，估算體積約3 665 m3(見圖2)。

采空區上覆圍巖工程地質條件較差，部分地段頂板冒落發育。采空區開采深厚比、長跨比較小，頂板暴露面積較大，并且受地下水、人類工程活動擾動較大。另外，由于研究區北側采空塌陷發生，導致采空區內充水明顯，井下已無法進入，采空區也一直處于封閉狀態。

3 采空區穩定性分析

前人勘查工作對采空區頂板巖石進行鉆孔巖芯取樣，并做了相應的巖石力學試驗，其結果見表1。

采空區分布大致呈北東向矩形分布，采空區長跨比相對較小，產狀相對較緩，具一定規模頂板暴露面積，其鐵礦開采方式為淺孔房柱采礦法。根據采空區分布特征、開采方式，選用簡支梁理論及當量暴露面積法探討了采空區穩定性。

圖2 鐵礦采空區綜合地質圖 Fig.2 Comprehensive geological map of the mine-out area in iron mine1—第四系臨沂組；2—古元古界粉子山群小宋組；3— -45 m中段；4— -95 m中段；5—未見采空區鉆孔；6—已見采空區鉆孔；7—物探測線；8—鐵礦采空區范圍；9—Ⅸ礦體水平投影范圍表1 采空區頂板巖石物理力學性質指標Table 1 Rock physico-mechanical indexes of the mine-out area’s roof

巖樣編號平均密度/(g·cm-3)飽和單軸抗壓強度/MPa飽和單軸抗拉強度/MPa抗剪強度指標c/MPaφ/(o)取樣深度/m巖樣名稱YS0137.03.0951.85.0724.25.682.3746.4858.00～64.00黑云角閃斜長片麻巖YS0249.73.9728.74.1252.95.3410.31 53.28 42.00～44.00斜長角閃片麻巖YS032.9877.43.2176.84.0163.62.828.8341.2838.00黑云變粒巖YS042.98102.33.6285.75.3973.54.3111.3641.2353.00黑云角閃片麻巖

3.1 簡支梁理論計算

根據金屬礦山采空區失穩性研究的類比分析，可將該鐵礦采空區頂板設計為礦房頂柱，通常礦柱間距等于頂板最大允許跨度。當充分開采時，采場頂板可假設為1組簡支梁，其受力可參考兩端簡支梁理論進行分析[14]。由于巖石的抗拉強度遠小于其抗壓強度，一般來說，巖石的抗壓強度約為抗拉強度的5～15倍，因此頂板的破壞主要是受拉應力達到巖石的允許拉應力而破壞。通過簡支梁理論可獲得頂板極限跨度下承受的拉應力σ，并與圍巖極限破壞條件下單軸抗拉強度σt對比，若σ<σt，則表明采空區頂板處于穩定狀況，若σ>σt，則不穩定。

當礦塊布置沿礦體走向時，頂板處在極限跨度條件下，頂板巖梁中性軸下表面最大拉應力為[15-16]：

(1)

式中，σ為采空區頂板圍巖承受的拉應力，MPa；L為采空區跨度，m；h為采空區高度，m；γ為巖體容重，104N/m3。

根據圈定采空區分布特征，確定空區跨度L= 18 m，高度h= 2.45 m。巖體容重根據上覆不同圍巖密度取加權平均值確定。采空區上覆圍巖總體上可分為第四系松散巖、風化巖層和未風化巖層(粉子山群小宋組二段)，其中未風化巖層由實測巖石密度確定(2.98 g/cm3，見表1)，第四系松散巖和風化巖層分別取2.30 g/cm3、2.60 g/cm3。根據鉆孔工程基本確定松散巖厚度約15 m，風化巖25 m，未風化基巖5 m厚度，進行加權平均計算，獲得上覆圍巖平均密度為2.54 g/cm3，換算巖體容重γ= 2.54 × 9.8 × 103= 2.49 ×104N/m3。

代入式(1)可得采空區頂板圍巖承受拉應力為：

基于摩爾—庫倫準則，通過巖石力學試驗獲得的巖石黏聚力和內摩擦角，可計算巖石單軸抗壓及抗拉強度，其公式為：

(2)

(3)

式中，σc為巖石單軸抗壓強度，MPa；σt為巖石單軸抗壓強度，MPa；c為巖石黏聚力，MPa；φ為巖石內摩擦角，( °)。

根據《工程地質勘察規范》DBJ50-043-2005第9.2.8有關規定[17]：“當巖體完整、較完整、較破碎時，巖體內摩擦角標準值可由巖石內摩擦角標準值根據巖體完整性乘以0.85～0.95的折減系數確定。完整取0.95，較完整取0.90，較破碎取0.85；巖體黏聚力標準值可由巖石黏聚力標準值乘以0.20～0.40(完整取0.40，較完整取0.30，較破碎取0.20)的折減系數確定。”本次鉆孔揭露表明采空區上覆巖石裂隙相對較為發育，巖石多不完整，因此在折算巖體內摩擦角時取0.85折減系數，黏聚力取0.20。

根據表1巖石力學參數折減可得采空區上覆巖體黏聚力c= 2.01 MPa，內摩擦角φ= 31°，代入式(3)可得采空區頂板單軸抗拉強度為：

另外，根據Hoek-Brown經驗方程[18]，也可通過巖石單軸抗拉及抗壓強度確定巖體的單軸抗拉強度值[19-21]。其巖石與巖體破壞時主應力之間的關系為：

(4)

式中，σ1為巖石破壞時的最大主應力，MPa；σ3為作用在巖石試樣上的最小主應力，MPa；m、s為與巖體巖性及結構面情況有關的參數。

若σ1= 0，可得巖體的單軸抗拉強度為：

(5)

本次力學測試樣品為完整巖塊試樣，巖性以變質程度較高的片麻巖為主。根據Hoek-Brown提出的巖體質量和經驗常數[18-19]，m取值25.0，s取值1.0。

代入式(2)求得巖石單軸抗壓強度值為：

將σc值代入式(5)計算得出巖體單軸抗拉強度值σmc為：

=1.77 MPa <σ=2.47 MPa

從上可知，無論是通過折減系數換算，還是基于Hoek-Brown提出的經驗取值換算，通過簡支梁理論計算獲得的采空區頂板承受拉應力強度均大于理論單軸抗拉強度。采空區處于不穩定狀態。

3.2 當量暴露面積法計算

在普通工程類比法中，與采場總暴露面積相對應使用的是礦巖最大允許暴露面積。張志文和張志敏以板裂結構的巖體力學模型為基礎提出了當量暴露面積(Se)的概念[22]：

(6)

式中，a為采場短邊長度，m；k為采場短邊a與長邊b比值。并建立判別采場穩定性的基本原則：當采場當量暴露面積Se大于礦巖極限暴露面積St，采場將處在不穩定狀態；反之，采場將處在穩定狀態[23-25]。

在運用當量暴露面積法進行采場穩定性評價時，首先應根據礦巖穩固性確定礦巖的極限暴露面積St，再利用式(6)計算出采場的當量暴露面積Se，進而判別。

該鐵礦采空區北側約280 m處，于2009年因盜采方式不當而引發采空區塌陷。該塌陷坑長約30 m，高約20 m。由于該采空區的上盤圍巖已全部暴露，因而可用縱垂直斷面尺寸為基礎，確定頂板礦巖極限暴露面積。因該空區基本處于平衡狀態，礦巖極限暴露面積就等于空區當量暴露面積，取a= 20 m，b= 30 m，k= 20 / 30 = 0.67。代入(6)得采場礦巖極限暴露面積為：

= 565 m2

采場當量暴露面積中取a= 18 m，b= 80 m，k= 18 / 80 = 0.23。代入(6)得采場當量暴露面積為：

= 750 m2

根據當量暴露面積判斷原則，Se>St，采空區處在不穩定狀態。

4 結論

1)基于前期勘查圈定的采空區范圍、分布特征等，運用簡支梁理論、當量暴露面積法對萊州市某鐵礦采空區進行了穩定性分析，實測空區頂板承受的拉應力超出了巖體抗拉強度，頂板暴露面積也超出了礦巖極限暴露面積，表明該鐵礦采空區處于不穩定狀態。

2)鐵礦采空區具有開采深厚比較小、長跨比較小、頂板暴露面積相對較大、頂板冒落發育等特點。加之上覆圍巖風化程度較高、基巖裂隙較為發育、人工灌溉頻繁、年內降雨量變化較大、地表大型機械耕種影響，易于導致采空區上覆巖層失穩發生變形破壞，進而引發采空塌陷及地裂縫等地質災害。

3)綜合場區水文地質、工程地質條件，根據采空區穩定性分析，該鐵礦采空區引發采空塌陷及地裂縫等地質災害潛在危險性較高。考慮采空區長時間封閉、空區積水、頂板冒落等因素，建議對該采空區進行注漿充填治理，并加強地面沉降及水平位移監測工作，徹底消除災害隱患，保障區內及周邊人民的生命和財產安全。