某民采金礦采空區(qū)勘查及穩(wěn)定性分析研究

李 建

（山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 濟南 250014）

早在明清時代當?shù)卮迕窬陀胁山鸹顒?，地表曾遺留多處老硐，上個世紀七八十年代，當?shù)匾渤霈F(xiàn)過民采盜采情況，20世紀80年代建成小型礦山一座，后因資源枯竭停產(chǎn)。由于民采開采時間距今較長，地表又進行過多次回填工作，很難對其進行較詳實的調(diào)查。

1 采空區(qū)勘查

勘查及治理的對象是該采空區(qū)主要影響區(qū)域。采用的勘查方法主要包括資料收集、地形測量、野外地質(zhì)調(diào)查、地球物理勘探、鉆探驗證、取樣測試等。其中地球物理勘探主要采用淺層地震法，在部分地段輔以高密度電阻率法。

1.1 資料收集及野外調(diào)查情況

根據(jù)收集資料和野外調(diào)查結(jié)果，勘查范圍內(nèi)曾開掘了多個礦井（含探井）進行地下采礦，開采形成的采空區(qū)可大致可劃分為三個不同時期：一是早期民采形成的采空區(qū)；二是20世紀70年代硫鐵礦開采時形成的采空區(qū)；三是20世紀80年代～90年代間金礦開采時形成的采空區(qū)。

1.2 采空區(qū)地球物理勘探

地球物理勘探工作是在資料收集、野外調(diào)查的基礎(chǔ)上開展的，采用了高密度電法和淺層地震兩種地球物理勘探方法，其中2m、3m、5m三種點距的高密度電法勘探線三種共15條；1m、2m點距的淺層地震勘探線9條。其主要目的是采集工作區(qū)的地電參數(shù)和波速特征，并結(jié)合已有地質(zhì)資料，對勘查區(qū)范圍內(nèi)存在的不良工程地質(zhì)現(xiàn)象（即采空區(qū)）做出推斷，為后續(xù)工程地質(zhì)鉆探驗證提供參考資料。

通過地球物理勘探工作，結(jié)合已有地質(zhì)資料，共圈定了41處地層不穩(wěn)定薄弱區(qū)，其中，26處異常推斷為花崗巖巖體局部裂隙發(fā)育區(qū)；15處異常推斷為采礦巷道或采空區(qū)影響導致。

綜合整理分析高密度電法和淺層地震發(fā)射波法所推斷的41處地層不穩(wěn)定薄弱區(qū)（采礦巷道、采礦采空區(qū)或裂隙發(fā)育區(qū)），可綜合解譯為采空區(qū)5處，其中淺部民采采空區(qū)3處，深部金礦開采采空區(qū)2處，采空區(qū)面積共計約9800m2。

1.3 采空區(qū)鉆探驗證

在野外調(diào)查和地球物理勘探的基礎(chǔ)上進行鉆探工作，主要目的是通過鉆探了解淺部地層的埋深、巖性等情況，通過巖心取樣了解各地層的力學性質(zhì)特征；同時鉆探工作最重要的是驗證前期調(diào)查和地球物理勘探成果，驗證采空區(qū)位置、埋深以及采空區(qū)的深度等?？辈閰^(qū)內(nèi)共完成鉆孔45個，其中發(fā)現(xiàn)采空區(qū)鉆孔17個，發(fā)現(xiàn)采空區(qū)塌陷或疑似充填物鉆孔6個，發(fā)現(xiàn)采空區(qū)或疑似充填物的鉆孔占總施工鉆孔的51.1%。

1.4 采空區(qū)分布情況

經(jīng)過如上工作，勘查區(qū)內(nèi)共發(fā)現(xiàn)采空區(qū)5處，其中民采空區(qū)3處，金礦開采空區(qū)2處，采空區(qū)面積共計7855.6m2，空區(qū)體積約為35869m3，見下表。

表1 采空區(qū)面積及深埋情況

以民采淺部采空區(qū)具體情況舉例，根據(jù)調(diào)查本區(qū)內(nèi)民采時采空區(qū)或者巷道埋深一般不超過30m，民采調(diào)查采空區(qū)異常范圍內(nèi)地面標高在16.21m～26.05m，因此，采空區(qū)標高在-4m以上，鉆探驗證深度一般小于30m。區(qū)內(nèi)共布設(shè)高密度電法勘探線6條，分別為L2、L3、L4、L5、L14、L15；淺層地震勘探線4條，分別是S1、S2、S3、S4；驗證鉆孔15個，其中鉆探驗證到采空區(qū)的鉆孔有8個，對地球物理勘探解譯成果起到了很好的驗證效果。

圖1 民采淺部采空區(qū)位置分布圖

通過上述方法外推可確定采空區(qū)的范圍、寬度，根據(jù)鉆孔控制采空區(qū)的深度。依據(jù)調(diào)查、地球物理勘探及鉆探等野外工作，勘查區(qū)內(nèi)共發(fā)現(xiàn)民采時的采空區(qū)或者巷道3處，空洞區(qū)整體呈近南北向展布。3處民采空洞區(qū)底部標高分別為+17m、+9m、+4m，采空區(qū)范圍根據(jù)物探異常區(qū)結(jié)合鉆孔驗證后圈定，采空區(qū)體積采用三維模擬方法進行計算。

2 采空區(qū)穩(wěn)定性評價

采空區(qū)臨界深度的確定是通過小窯采空區(qū)的勘察的方法計算得出，原理公式：當建筑物已建在影響范圍以內(nèi)時，可按驗算地基的穩(wěn)定性。設(shè)建筑物基底單位壓力位P0，則作用在采空段頂板上的壓力Q為：

式中G——巷道單位長度頂板上巖層所受的總重力（kN/m），G=γBH；

B——巷道寬度（m）；

f——巷道單位長度側(cè)壁的摩阻力（kN/m）；

H——巷道頂板的埋藏深度（m）；

γ——巖層的重度（kN/m3）。

當H增大到某一深度，使頂板巖層恰好保持自然平衡（即Q=0），此時的H稱為臨界深度H0，則

當H＜H0時，地基不穩(wěn)定；H0＜H＜1.5H時，地基穩(wěn)定性差；H＞1.5H0時，地基穩(wěn)定。

根據(jù)當?shù)爻鞘幸?guī)劃，勘查區(qū)地面主要為室外活動場所及綠化用地。因此，上面的公式建筑物基底單位壓力位P0為0，公式可簡化為：

式中B——巷道寬度（m）；

φ——礦體傾角。

上述公式為本次采空區(qū)計算臨界深度公式。即巷道頂板的埋藏深度當H＜H0時，地基不穩(wěn)定；H0＜H＜1.5H時，地基穩(wěn)定性差；H＞1.5H0時，地基穩(wěn)定。本勘查區(qū)內(nèi)各采空區(qū)穩(wěn)定性情況見下表。由表中可以看出，目前勘查區(qū)內(nèi)采空區(qū)均不穩(wěn)定，需進行治理以防發(fā)生采空塌陷地質(zhì)災害。

表2 采空區(qū)的穩(wěn)定性情況

3 結(jié)語

勘查區(qū)為民采金礦形成的采空區(qū)，規(guī)模不大，但開采過程隨意性大，加上沒有規(guī)范的開采資料記載，給采空區(qū)勘查和治理造成了較大困難。本次通過現(xiàn)場走訪調(diào)查布設(shè)了高密度電法和淺層地震兩種物探方法，給探尋采空區(qū)提供了理論依據(jù)，后經(jīng)鉆探驗證，肯定了此兩種物探方法對尋找未知采空區(qū)的有效性，為以后類似采空區(qū)勘查提供了方向。利用小窯采空區(qū)的勘察的方法對采空區(qū)頂板進行了穩(wěn)定性評價，為決定采空區(qū)的處置方案提供了數(shù)據(jù)支持。