新浦磷礦采空區地面塌陷誘發因素研究

胡克榮

江蘇省地質礦產局第六地質大隊，江蘇 連云港 222000

新浦磷礦位于連云港市主城區，自建礦以來已發生50余起采空區地面塌陷，距今最近一次較嚴重的面塌陷發生在2016年12月31日，塌陷中段位于-440m，塌陷區輻射地表影響范圍約1萬m2，事發時磷礦當班作業人員30人，其中29人成功升井，1人被困井下，事故給當地政府和企業造成了嚴重的影響。采空區地面塌陷誘發因素比較復雜，因此有必要對采空區地面塌陷誘發因素進行多方面研究。

1 采空區地面塌陷情況

根據歷史資料統計，自1978年4月至1980年4月，新浦磷礦在-50m中段使用崩落法采礦，發生了多次地面塌陷。1981年，改變了采礦方法，使用空場法采礦，加大了-80m中段的頂柱和間柱，隔離-80m以下與-50m中段，防止礦層頂板冒落連通第四系砂層和淤泥，使采空區塌陷得到有效控制。但1983年11月24日，在-120～-80m中段又發生了地面塌陷，此后陸續發生多次小型塌陷。使用礦房法后，采空區塌陷重新得到控制。2013年12月25日，在-200m中段，地表形成了直徑110m倒立圓臺塌陷坑；2014年4月，對該塌陷坑采用尾砂和淤泥等填充物進行了回填；但是，2016年12月31日，又發生了規模較大的地面塌陷。

2 采礦活動概況

新浦磷礦礦床賦存在第四系淤泥和含水層之下，淺部工程地質條件復雜。1966年初步設計生產能力為30萬t/年，但實際采礦能力維持在15萬t/年。礦床采礦方式為地下開采，-50m中段采用崩落法采礦。由于海淤流砂多次下泄，給安全生產帶來了嚴重威脅，年產量一般不超過10萬t，且無選礦設備，出現采富棄貧現象，致使資源利用率低。其中，-50m中段回采率為31%，-80m中段回采率為40%。

1980年6月27日至7月1日，對采礦方法進行改進，決定由崩落法改為空場法，經過-120m中段的回采，證明該采礦方法合理，回采率為54.84%。由于水平的頂底柱受力情況差于垂直（垂直于礦體）的頂底柱受力，在-160m中段、-200m中段、-240m中段、-280m中段決定采用爆力搬運礦房法采礦，將頂底柱改為垂直設計，從回采情況來看，中段回采率有所提高。為了促進資源的合理利用，2002年新浦磷礦組織有關技術人員對采礦方法進行了改進論證，決定在厚礦體采用階段礦房法，以提升回采率。2007年-550～-280m采用底盤漏斗分段采礦法。

3 地面塌陷誘發因素

3.1 礦柱穩定性影響因素

采空區塌陷多發生在采空區水平中部，即采空空間最大處。根據采礦企業相關資料可知，磷礦礦體賦儲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。根據工程地質條件可知，白云質大理巖和云母大理巖巖石抗壓強度為113～170MPa，抗剪強度為9.0～14.0MPa。細粒磷灰巖礦石抗壓強度為57.9～150.0MPa，松散礦石抗壓強度僅為24.7MPa。礦體平均體重3.02t/m3，上覆巖層平均容重為27kN/m3。采用礦柱安全穩定性系數分析法進行計算，結果如表1所示。

表1 礦柱安全穩定性計算表

式中：Pu為巖柱能承受的極限荷載，kN；Pz為巖柱實際承受的荷載，kN。

式中：γ為上覆巖層的平均重度，kN/m3；H為巖柱埋深；A為巖柱寬度；B為礦房寬度；L為巖柱長度。

根據國內外房柱法開采礦山相關經驗，當礦柱安全系數＞1.5時，礦柱能起到支撐頂板的作用。通過分析表1可知，3、4、5號礦柱的安全穩定性系數存在＜1.5的可能，當礦柱安全系數＜1.5時，礦柱不能有效支撐起上部頂板，容易引發采空區地面塌陷。

3.2 采空區頂板（場地）穩定性影響因素

對采空區頂板（場地）的穩定性研究主要從頂板自身以及頂板遭受礦區地下水破壞影響兩個方面進行調查分析。

（1）頂板（場地）自身穩定性影響。結合表1計算結果，按礦柱安全穩定性系數確定場地穩定性等級標準，確定采空區場地（頂板）屬基本穩定，但是根據資料可知，塌陷坑所在位置存在2條破壞礦體的斷裂構造，其中壓性斷裂F1走向為北偏東75°，傾角85.5°，扭性斷裂F2走向為北偏東82°，傾角85.5°。采礦企業在采礦活動中也證實了這兩條斷裂構造的存在，斷裂構造使采空區頂板整體性受到較大破壞。因此，綜合分析認為采空區場地（頂板）穩定性較差。

（2）礦區地下水對采空區頂板穩定性的影響。根據國內外礦山開采經驗，地下水對采空區的影響一般具有滯后性、累積性、隱蔽性和突發性，從而造成較大危害。新浦磷礦第四系厚度為18.11～26.67m，含磷礦層傾角38°～42°，礦層厚度為1.77～20.57m，開采后采空區周圍巖體原有應力平衡受到破壞，應力重新分布，會引起上覆巖層的變形、移動與破壞，形成耳朵狀導水裂隙帶。采用經驗法進行分析，其計算公式為

式中：Hli為導水裂隙帶高度；∑M為每段礦層的累計采厚。

由式（3）計算可得導水裂隙高度約為36.6～101.1m，又由于采空區場地存在兩條斷裂構造，存在構造導水帶，水沿著裂隙侵入頂板巖體內部，導致其物理狀態發生改變，削弱了顆粒間的聯系，容易使頂板巖體內聚力降低，破壞了礦物顆粒間的黏結力，造成巖體軟化，強度降低。另外，在礦山疏排水工程中，頂板巖體裂隙中的滲透水在流動過程中會將巖體中的可溶物質帶走，巖體中的小顆粒也將流失，從而降低頂板巖體的強度，導致采空區頂板穩定性較差。

3.3 外部擾動因素

通過調查發現，采礦過程中存在外部人為及自然擾動因素，且這些因素對采空區產生的影響較大。主要外部擾動因素表現在以下方面。

（1）-80、-120m中段表外礦及底板殘留礦回采工程活動擾動因素。根據新浦磷礦年報等資料，2009年4月至12月，新浦磷礦對-80m、-120m中段運輸大巷、溜礦井、井底車場、石門巷道等進行了恢復；2010年至2015年開展了-120m中段表外礦礦房及深部-360m、-400m礦房回采活動。采礦過程中的礦體爆破、采礦及運輸設備振動等，可能會加劇頂板及礦柱的破壞。

（2）遭受沖擊荷載和機械動荷載擾動因素。2013年12月25日，在-200m中段發生了采空區塌陷，大量的上部巖體突然崩落，巖體自重跌落沖擊，產生了強大的氣浪沖擊波，對采空區頂板巖體造成破壞性擾動，從而誘發新的冒落，使頂板表層巖塊加速、頻繁脫落，礦柱受撞擊、擠壓，存在被壓裂、剝落的情況，礦柱遭受破壞。

（3）地震擾動。地震往往伴隨著強大的能量，并以波的形式傳播到采空區，引起巖體震動，容易誘發地面塌陷。2015年9月12日，礦區周邊發生了3.0級地震，震源深度為10km，距離采空區直距約35km，礦區有輕微震感，可能對采空區頂板和礦柱造成破壞性擾動。

4 結束語

通過研究分析，新浦磷礦采空區塌陷可能是由采礦方法、礦柱穩定性、自身頂板穩定性、地下水、采礦活動、外部荷載沖擊、地震等不確定因素的綜合影響造成。采空區塌陷的誘發因素復雜，文章主要采用室內數據計算分析和外部推理相結合的方法進行分析，存在一定的局限性，對于新浦磷礦采空區塌陷誘因還需繼續深入研究。