廢棄鐵礦老采空區賦存特征及穩定性評價

郝杰, 孫雅飛, 胡小輝, 高雋, 李海濤, 王海龍,2,3*

(1.山東省地質礦產勘查開發局八○一水文地質工程地質大隊, 濟南 250014; 2. 臨沂大學土木工程與建筑學院, 臨沂 276000; 3. 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室, 北京 100083)

鐵礦石的穩產增產是推動社會經濟發展的重要支撐,同時,也形成了大量的采空區,成為潛在的災害源,地表塌陷事件時有發生,嚴重威脅人民的生命財產安全[1-4],采空區穩定性成為當前的熱點問題。精確地掌握采空區的賦存特征是科學評判采空區穩定性的前提,但對于一些開采年代較為久遠的鐵礦,由于開采技術和管理方式的原因,采掘相關資料常會有缺失,此外,形成的采空區隨時間也會產生新的變形破壞,使得采空區賦存情況變得更模糊不清。目前,學者針對鐵礦老采空區賦存特征及穩定性開展了一系列研究。在采空區賦存特征研究方面,主要手段包括地球物理勘探、鉆孔鉆探和三維激光掃描[5]。楊兆林等[6]利用高密度電法,賈三石等[7]、包乃利等[8]利用瞬變電磁法,張遠博等[9]利用地質雷達對鐵礦采空區分布進行探測;周楠楠等[10]利用地質雷達和大地電磁相結合方法,羅志波等[11]利用高密度電法與鉆探相結合方法對鐵礦采空區分布進行探測。此外,章林等[12]、李海洲等[13]利用三維激光掃描對鐵礦采空區形態進行探測。在采空區穩定性研究方面,主要手段包括現場監測、數值模擬和理論分析[14]。楊美宏等[15]利用數值模擬,賈瀚文等[16]利用現場監測和數值模擬,從地表沉降角度對采空區穩定性研究;李群等[17]、申超霞等[18]利用數值模擬,從位移和應力角度對采空區穩定性研究;宮鳳強等[19]通過對采空區穩定性影響因素權重和影響度分析,構建穩定性評價指標體系。

上述研究在一定程度上獲得了鐵礦采空區賦存特征及穩定性,對地表塌陷災害防控起到重要的指導作用,然而主要研究是以采空區平面分布為主,且選取的采空區大多停采時間不長,對于采空區的垂向分布,尤其是停采時間較長且充填情況復雜的老采空區的垂向分布研究還較少,此外,對于穩定性的研究主要是鐵礦開采期間的穩定性,對停采后較長時間穩定性研究還較少。為準確探明老采空區賦存特征,現以濟南市頓丘鐵礦老采空區為例,首先采用地球物理勘探和鉆孔鉆探相結合的方法,獲得鐵礦老采空區賦存特征,構建采空區三維地質模型;采用采空區地表變形監測、臨界載荷影響深度計算和采空區深厚比分析3種方法評價老采空區穩定性。以期對鐵礦老采空區探測和治理具有一定指導意義。

1 研究區域概況

頓丘鐵礦位于濟南市高新區,面積約0.455 km2。礦區由4個礦體群組成,礦體間互相孤立展布成近方形,每個礦體群由數個規模不一的小礦體組成,最大礦體長150 m,厚24 m,最小礦體長25 m,厚1 m。4個礦體群特征如表1所示。各礦體間不是獨立開采,而是通過巷道連通,采用中央式雙斜井開拓方式,地上和地下聯合開采,地下采用空場采礦法。

表1 頓邱鐵礦礦體群特征表Table 1 Orebody group characteristic of Dunqiu iron mine

頓邱鐵礦自1995年閉坑后,經歷長達10年的群眾私采,直至2005年才完全停止開采,地下采空區情況非常復雜。2006年起,在原有鐵礦采空區之上開始規劃彩虹湖公園的建設。2019年1月,在彩虹湖西部環形水道內側,即2#礦體群采空區范圍內發生地面塌陷,導致湖水泄露,漏水口寬度約5 m,單日涌入地下采空區的湖水達8 640 m3,塌陷處為一個曾充填處理過的廢棄井口。

2 采空區賦存特征

考慮頓邱鐵礦采空區的復雜性,提出一種地球物理勘探+鉆孔鉆探組合式鐵礦采空區探測方法,即首先采用高精度磁測法進行磁場特征探測,圈定老采空區平面分布范圍,然后利用天然源面波法和可控源音頻大地電磁法進行地層剖面測量,獲得不同位置、深度上地層電阻率和波速變化規律,進而推測采空區的垂向分布范圍及深度,最后采用鉆孔鉆探對物探結果進行對比和修正。以2#礦體群采空區探測為例進行具體說明。

2.1 地球物理勘探結果

基于已有的采掘工程資料,高精度磁測法共布置5條測線,編號C16～C20,線長分別為100、100、100、80、60 m,線距為20 m,點距為10 m;天然源面波法共布置5條測線,編號WT04、WT05、WT24、WT25、WT26,線長分別為100、120、60、60、60 m,線距為20 m,點距為20 m;可控源音頻大地電磁法共布置4條測線,編號K04、K05、K24、K25,線長分別為90、120、60、60 m,線距為20 m,點距為10 m。物探測線布設如圖1所示,約定測線南部端點為起點,即0 m位置。

圖1 物探、鉆探和地表變形觀測點布置圖Fig.1 Observation points (lines) layout of geophysical exploration, exploration drilling and surface deformation

2.1.1 高精度磁測法

以磁場強度H0=52 000 nT為背景場,高精度磁測法改正后的ΔH異常場如圖2所示,整體為南部和東部高,北部和西部低趨勢,呈不規則狀,磁場強度范圍為700～2 200 nT,ΔH>800 nT 區域推測為鐵礦采空影響區,范圍為100 m×100 m。

圖2 磁測法改正后的ΔH異常場分布圖Fig.2 Distribution of ΔH abnormal field after revision obtained by magnetic survey method

2.1.2 天然源面波和可控源音頻大地電磁法

以天然源面波法WT25測線和可控源音頻大地電磁法K25測線為例進行詳細說明,兩條測線起始點完全一致,測線斷面如圖3所示。

圖3 地球物理勘探典型測線斷面圖Fig.3 Typical line sectional view of geophysical exploration

自淺部向深部,視橫波值和視電阻率有增大趨勢,淺部回填土視橫波波速值小于500 m/s,視電阻率較低;基巖視橫波波速值大于500 m/s,視電阻率較高。在測線0～60 m、埋深5～50 m處,視橫波波速值小于500 m/s,推測為露天開采回填區域;在測線位置20～60 m、埋深80～150 m處頻散曲線出現“之”字形拐點,視橫波等值線呈低速異常,同時視電阻率等值線呈“V”字形,推測為地下采空影響區。在測線位置15～30 m處,推測為巖性接觸帶。

通過對物探結果解譯,2#礦體群地下采空影響區和露天開采回填區分布如表2所示。露天開采回填區埋深為5～50 m,地下采空影響區埋深為38～152 m。將每條測線上的高阻采空影響區段投影到平面中,物探圈定的采空區和地表回填區平面范圍如圖4所示。圈定的采空區北部進入彩虹湖內,平面形態近似拳擊套形。受彩虹湖水面限制,圈定的地表回填區僅限于地上部分,平面形態近似躺椅形。地表回填區面積稍大于采空區面積。

圖4 采空區和地表回填區平面范圍及地層剖面線Fig.4 Plane range of goaf and surface backfill area and stratum section line

表2 采空影響區分布表Table 2 Distribution of goaf affected area

2.2 鉆孔鉆探結果

為對物探結果進行對比和修正,在由物探圈定的采空區范圍進行鉆孔鉆探。首先由物探圈定的高阻與低阻間的梯級帶開始,揭露采空區后則由已知向未知,由中間向外圍逐步擴展。2#礦體群在物探圈定的異常范圍附近共計施工19眼鉆孔,編號為ZK201～ZK219,具體的鉆孔布置如圖1所示。以鉆探過程中的掉鉆以及明顯與上下地層巖性不同的情況作為判定采空區的依據。區域內出現2種采空區形式:采空純空區和采空回填區。采空純空區,即鉆探過程中出現的“掉鉆”現象,采空區中間不含有任何填充物;采空回填區,即采礦形成的空洞被填充物部分或全部充填。

區域內揭露采空區的鉆孔有13眼,分別為ZK201～ZK210和ZK215～ZK217,其他位于采空區邊界附近,未發現采空區。揭露采空區厚度為1.6～45.7 m,其中,掉鉆厚度最大的為ZK210號孔,為10.8 m;采空充填物厚度最大的為ZK208號孔,為45.7 m。

將所有鉆孔分為北、中和南3個部分,北部鉆孔揭露采空區層數主要為2層,位置基本位于地下90 m以下,最深達154.4 m,總厚度為40 m左右;中部鉆孔揭露采空區層數主要為3～4層,位置基本位于30 m以下,最深達149.6 m,總厚度均在10 m以上,ZK201號孔除外;南部鉆孔未見采空區,僅ZK214號鉆孔在32.5～34.0 m見有品味較低的鐵礦。代表性的鉆孔ZK202地層柱狀如圖5(a)所示,共有采空純空區2層,采空回填區4層;代表性的鉆孔ZK210地層柱狀如圖5(b)所示,共有采空純空區2層,采空回填區2層。

圖5 代表性鉆孔地層柱狀圖Fig.5 Histogram of typical borehole formation

2.3 采空區三維地質模型構建

采空區邊界確定總體原則:南部邊界根據物探結果及揭露和未揭露采空區鉆孔的中間點確定;東部和西部邊界以物探結果為依據,并將采空區邊界劃定在揭露采空區鉆孔的外圍;北部邊界位于彩虹湖水面下,根據物探解譯推測結果和搜集的基礎資料相互驗證確定。綜合分析已取得的物探和鉆探結果,確定2#礦體群采空區平面分布如圖4所示,采空區整體位于彩虹湖中小島的中北部,并向北延伸至湖面,平面形態近似歪葫蘆形,南北最長約67.5 m,東西最長約100 m,面積為4 992.5 m2;露天開采回填區分布確定結果與物探結果一致,面積為5 598 m2。

基于鉆孔揭露地層情況,結合鉆孔分布,共設計8條地層剖面線,3條為近東西方向,分別為AA′、BB′和CC′,5條為近南北方向,分別為DD′、EE′、FF′、GG′和HH′,地層剖面線分布如圖4所示。利用地下水模型系統(grounder modeling systems)軟件,建立采空區地層剖面組合模型如圖6(a)所示,采用插值法構建采空區三維地質模型如圖6(b)所示,采空純空區體積為17 220.54 m3,采空回填區體積為108 384.03 m3,二者合計為125 604.57 m3。

圖6 采空區地質模型Fig.6 Geological model of goaf

3 采空區穩定性評價

3.1 采空區地表變形特征

為獲得2#礦體群采空區地表下沉值,區域內共設置4個地面觀測點JCD01～JCD04和1個建筑物監測點群,如圖1所示。4個地面觀測點觀測時間為2019年6月15日—10月18日,歷時115 d,地表沉降值如圖7所示。區域內下沉觀測累積最大值為-6.517 mm,出現在JCD4號點;最小值為-1.533 mm,出現在JCD1號點。以年為單位進行下沉量的換算,JCD4號點最大下沉量為20.68 mm/a,根據《地質災害危險性評估規范》(GB/T 40112—2021),從下沉量角度看,采空塌陷已經達到中等發育等級。

圖7 采空區地表下沉曲線Fig.7 Surface subsidence curve of goaf

此外,以地面建筑物為依托設置建筑物監測點群,對區域較長期沉降進行分析。需指出的是,建筑物監測是基于建筑物建成初期同層標高是完全一致這一前提的。該建筑物于2011年建造完成。地面塌陷事故發生后第一時間對其進行觀測,一層共設置12個監測點,二層共設置14個監測點,建筑物及其高程等值線如圖8所示。測得一層最大高程為107.728 m,最小高程為107.483 m,最大高差24.5 cm,南北方向高差19.3 cm,東西方向高差17.0 cm。西部和北部整體偏低;二層最大高程為111.993 m,最小高程為111.247 m,最大高差74.6 cm,東西方向高差23.6 cm,南北方向高差67.6 cm。房間內最大高程值為111.499 m,最小高程值為111.247 m,室內最大高差25.2 cm。二層整體西北偏低,呈南高北低、東高西低狀態。

圖8 建筑物及其高程等值線圖Fig.8 Building and elevation contour map

對比分析可以看出,雖然短時間內2#礦體群采空區地表沉降不明顯,但是在時間效應下仍會產生較大沉降量,尤其是不均勻沉降會引發地面建筑物的傾斜,存在潛在風險。

3.2 臨界載荷影響深度

采用力平衡分析法計算極限頂板穩定性,臨界載荷影響深度計算公式[20]為

(1)

式(1)中:H0為采空區臨界深度,m;B為巷道寬度,m;γ為上部巖層重度,kN/m3;P0為建筑物基底單位壓力,kN/m2;φ為巖層內摩擦角,(°)。

為獲得較準確的計算參數,對鉆孔取芯獲得的巖樣進行物理力學性能測試,上部巖層的平均重度為30.80 kN/m3,巖層內摩擦角平均值為49.92°。巷道寬度選取2#礦體群采空區最大寬度,即25 m。區域內最高建筑物為2層樓房,建筑物基底單位壓力值為1.96×105kN/m2。計算獲得臨界載荷影響深度為164.24 m。2#礦體群采空區頂板埋深為30.2～154.4 m,小于臨界載荷影響深度,為不穩定型采空區。

3.3 采空區深厚比

深厚比越小,采空區地面越容易產生塌陷。2#礦體群區域內鉆孔揭露的開采深度和開采厚度的情況如表3所示,深厚比最小值為0.15,最大值只有24.22,均小于25,采空區穩定性較差。

表3 采空區開采深度和厚度統計表Table 3 Mining depth and thickness of goaf

4 結論

(1)以頓丘鐵礦老采空區為工程背景,開展地球物理勘探和鉆孔鉆探,構建老采空區三維地質模型,實現采空區賦存特征的立體展現。

(2)2#礦體群開采形成的采空區平面面積為4 992.5 m2,采空區分為采空純空區和采空回填區2種形式,層數為2～4層,埋深為38～152 m,厚度為1.6～45.7 m,其中,純空區最大厚度為10.8 m。

(3)采用采空區地表變形監測、臨界載荷影響深度計算和采空區深厚比分析3種方法評價老采空區穩定性,2#礦體群開采形成的采空區整體穩定性較差,存在塌陷風險。