秦樓銅金礦地表塌陷分析及治理

汪 鵬 操 帥 李同鵬

（1.安徽大昌礦業集團有限公司；2.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司；3.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；4.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）

在采礦工程中，地表的巖塊或土體因為受到自然或人為因素的干擾，逐漸往下沉，并在地面形成塌陷坑（洞）的一種動力地質現象稱作地面塌陷。當地下采礦引起圍巖移動和地表塌陷時，會導致塌陷區內的建筑物、道路、橋梁、鐵路、上下水管線、堤壩、供電設施和通訊線路等基礎設施受到破壞。其次，地表沉降還可能導致地面大面積積水，耕地受淹，造成有限耕地面積減少，地表水位下降，致使生活及灌溉用水困難。地表沉降甚至可能導致地面出現大面積塌坑，造成交通堵塞，自然景觀毀壞，甚至可能造成河流改道，使得當地居民生活環境與綠色生態環境遭受巨大破壞［1-3］。

有許多學者對相關內容進行研究，周文亮［4］研究分析了烏石山礦地面塌陷的成因；劉萬順［5］初步建立了塌陷力學模型定量分析，并提出防治措施。為查明地表產生沉降和開裂的原因，消除地表沉降區對礦區及周邊環境的安全影響，本文通過對秦樓銅金礦地面塌陷形成原因、機理的研究，提出有效的處理方案和措施，對今后礦井安全生產中地質災害的處理具有重要意義。

1 工程概況

1.1 地層結構

礦區及其周圍地層：地表為第四系松散層，下覆灰巖、大理巖及閃長巖，沉積物厚度為144.88～163.47 m，為河湖相砂礫石黏土互層沉積物，該區最厚砂層22.07～37.73 m，埋藏最淺的在地下6.8 m，最深在地下48 m，該砂層底板埋藏在地下40 m 左右；該區最底部砂層埋藏在地下156.04 m。厚砂層以細砂為主，結構松散，分選良好，排列疏松，偶含有小礫石。礦區基巖為淺海相碳酸鹽巖沉積，在蝕變交代熱接觸作用下形成白云質大理巖、白云石大理巖、水鎂石等大理巖等。礦床北部、東部有二疊系陸相碎屑沉積，該區破碎帶平均埋深為155～173 m，平均厚度約18 m，鉆孔所見最淺深度為144.88 m，最深為188.57 m。

礦區黏土和砂層互層，且砂層結構排列疏松，整體較為松散，分選良好。黏土的可塑性較高，使其存在一定壓縮空間，當水位降低時，砂層會引起有效應力的增加等，諸如上述因素為地面沉降的先導條件，也為后續引發地面沉降形成條件。沉降區的下部埋藏著3#礦體，該礦體呈透鏡狀，產狀走向北西，傾向南西，傾角60°，賦存于巖體內的碳酸鹽巖捕虜體的邊緣。根據地質報告，第四系下伏厚層狀灰巖和第四系接觸面的上部存在破碎灰巖，風化程度一般，厚度約為30 m。

1.2 水文地質

區內為大面積沉積平原，海拔+27～+29 m，地形平坦，區內無大面積的地表水體，僅距礦區東北1 km有一條扒河，西南2.5 km有一條新汴河。

整個沉降區含水隔水巖組可劃分為第四系松散層上部孔隙潛水含水層、隔水層，中部承壓含水層、隔水層，下部承壓含水層、隔水層，風化帶含水巖組，東部大理巖含水巖組，巖漿巖隔水巖組，西部大理巖含水巖組。其中大理巖含水組巖性多為白云質大理巖、大理巖，厚度較大，為本礦區的主要充水因素。在西部地區大理巖與風化帶有接觸，存在一定的水力聯系。

1.3 工程地質

根據巖石的巖性、物理力學性質和巖體結構等特征，區內大致可分為4個工程地質巖組：

（1）火成巖類工程地質巖組，巖性以石英二長閃長玢巖為主，巖石質量中等—好，巖體中等完整。

（2）矽卡巖類工程地質巖組，巖石質量中等的，巖體中等完整，但該類巖組水理性能差，遇水易軟化和坍塌。

（3）大理巖類工程地質巖組，巖石質量中等—好，巖體中等完整，在部分地段巖體完整性差。

（4）第四系覆蓋散層未固結，主要為松散的粉、細砂及可塑—硬塑狀的黏土、亞黏土。砂性土為主，砂層厚度大，結構松散；黏性土可塑性強，膨脹量大。第四系下伏巖體為閃長巖與大理巖、灰巖的接觸帶，成礦構造強烈，且基巖破碎帶與風化帶接觸。

2 地表塌陷原因分析

礦區地表出現沉降和開裂的位置主要位于礦區西側3#勘探線附近，井下對應采場為-250 m 中段702和103采場。根據地表裂縫的分布，初步圈定了本次地表塌陷范圍，塌陷區中心坐標（3 732 052，39 490 647）（2 000 國家大地坐標系），塌陷區面積約25 053.6 m2，其南北向長度約194 m，東西向寬度約152 m，最大沉降深度約7 cm。沉降區內形成了40 余條地裂縫，裂縫長度4～20 m，寬度0.3～5 cm。

2.1 地質條件

通過區內地層、水文、工程地質等多方面分析，了解到第四系覆蓋層透水性較強，抗剪、抗壓及抗潛蝕能力差，第四系砂層厚度為22.07～37.73 m，以細砂為主，結構松散。下伏巖體與閃長巖、大理巖、灰巖的接觸，具有較強的成礦作用，構造裂隙或溶裂隙發育，成為砂層運移通道，為砂層漏失創造了條件。因而礦區基本地質條件因素是形成地面沉降的主要自然因素。

2.2 井下及周邊排水

根據調查礦山以及周邊礦山生產排水記錄，目前秦樓銅金礦井下最大涌水量約567 m3/d。周邊廖家鐵礦目前在秦樓礦段進行開采，井下正常涌水量為3 799.16 m3/d。2 座礦山在生產過程中排水會形成一定范圍的降落漏斗，造成地下水水位降低。

巖漿巖侵入形成灰巖、大理巖的捕虜體，分布在礦區內。四周分布巖漿巖隔水層，但其透水性極弱，上部第四系含水層為主要發生水力聯系層，所以礦床充水主要受礦體頂板和第四系含水層影響較大。礦井排水，還有周邊民用抽水，使得區內第四系含水層水位下降，地下水侵蝕面也隨之頻繁上下波動，枯水期灰巖地下水水位在含水砂礫石黏土層侵蝕面之下，豐水期灰巖地下水水位則漲至第四系底板，地下水水位在灰巖與第四系底板之間波動，則為砂層漏失創造動力條件。

3 處理措施

設計采用鉆孔注漿的方式，主要對103 和702 采場充填后沉縮產生的空頂區域進行注漿充填，另外對基巖上部的黏土夾碎石層及砂礫石層進行注漿封堵，防止勘察（注漿）鉆孔與采空區貫通后，第四系砂層及地下水向基巖裂隙、破碎帶及采空區漏失，以避免礦山后續開采過程中地表沉降（開裂）進一步擴展。

3.1 注漿方式

根據地表沉降（開裂）現場調查結果，本次設計在地表沉降（開裂）影響范圍內布置3個注漿鉆孔和1個注漿效果檢查孔，如表1、圖1所示。

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為防止鉆孔與采空區貫通后，第四系含水層通過黏土夾碎石層及砂礫石層向下部基巖裂隙及采空區中漏失，在鉆孔與采空區貫通之前，先對基巖上部的黏土夾碎石層及砂礫石層進行注漿封堵，再將鉆孔繼續向下鉆進至采空區，最后對采空區進行注漿充填。

3.2 注漿參數及工藝要求

3.2.1 鉆孔結構

注漿孔開孔直徑為150 mm，進入冒裂帶頂部后變徑為91 mm，終孔直徑為91 mm。終孔后下入鉆桿及止漿塞，在孔口處連接壓力表及注漿管路，如圖2所示。

3.2.2 注漿封堵厚度

本工程主要對103 和702 采場充填后沉縮產生的空頂區域進行注漿充填，空頂厚度預計1.5 m左右。從前期施工勘察采取的巖心破碎和鉆孔沖洗液漏失情況看，判斷地面沉降是因第四系松散層中的砂層和水通過斷裂帶裂隙流入到采空區造成的。設計的注漿鉆孔施工進入基巖固管后，先通過基巖裂隙對上部黏土夾碎石層及砂礫石層進行“蓋帽”注漿封堵，然后對采空區進行注漿治理。

3.2.3 漿液擴散半徑

漿液在裂隙中的擴散實際上未遵循一定規律，滲透系數、裂隙開度、注漿壓力、漿液濃度和注入時間等因素都會造成影響。裂隙介質中漿液擴散半徑尚且無實用的理論公式，根據《注漿技術規程》（YS/T 5211—2018），巖體非化學注漿漿液有效擴散半徑可根據巖體裂隙發育情況，按表2進行取值。

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根據前期鉆孔勘察資料，礦山開采引起的應力變化和巖體變形造成開采區域上覆巖體發生張拉和剪切破壞，形成了一定范圍的破碎帶。地表產生的最大地裂縫寬度達到50 mm左右，預計巖土體中產生的裂隙寬度在10 mm 以上。根據表2，漿液有效擴散半徑取20 m。孔間距取漿液有效擴散半徑的1.5 倍，即103采場注漿孔1和注漿孔3間距為30 m。

3.2.4 注漿材料

采空區充填注漿材料應具備早期強度高，后期強度穩定，分散性及漿體流動性好等特點。根據上述要求，本次對巖土體裂隙注漿封堵采用粉煤灰水泥漿液（水泥占5%～10%，水泥強度等級不低于32.5）；對采空區注漿充填采用尾砂膠凝劑漿液，其中尾砂細度200目以內的占70%左右，膠結尾砂抗壓強度不低于設計充填體強度2 MPa。

3.2.5 注漿工藝及效果

選用GPS 測量儀定放鉆孔位置—場地平整—鉆機就位—開孔準備—鉆進至基巖破碎帶—擴孔—下入套管—管外水泥封固—黏土夾碎石層及砂礫石層注漿封堵—鉆孔鉆進至采空區—采空區注漿充填。

注漿難以直接觀測，因此為保證注漿質量和堵水效果，從開始施工至注漿結束，需要進行全過程質量的檢查和鑒定。注漿治理效果應結合地表變形監測結果進行評價，變形監測時間不少于12 個月。初次注漿后，未必能夠將全部裂隙都填充，甚至有些細小裂隙尚未進漿，需要復注才能達到標準。復注次數主要受巖層裂隙大小、數目、初注的情況及注漿要求的最后殘余涌水量等影響。一般間歇注漿的時間為24 h，采用全孔一次性注漿復注。

通過采用上述注漿治理后，礦區地表沉降得到較好控制。根據治理后的多日多次測量地面沉降記錄，地表均未發生明顯變化，表明該方法能有效防止地面繼續沉降。

4 結 論

（1）本次沉降（開裂）位置主要位于礦區西側3#勘探線附近，沉降區面積約25 053.6m2，其南北向長度約194 m，東西向寬度約152 m，最大沉降深度約7 cm。沉降區內形成了40 余條地裂縫，裂縫長度為4～20 m，寬度0.3～5 cm。

（2）根據地質條件因素分析，該區黏土和砂層互層，砂層結構松散，為地面沉降提供了物質基礎。受開采造成的巖體變形及應力變化影響，巖層巖體較破碎，裂隙較發育，且存在斷裂帶。巖體裂隙及斷裂帶為上部第四系砂層漏失提供了通道。因此，礦區基本地質條件因素是形成地面沉降的主要自然因素。

（3）由于井下長期排水，使區內第四系含水層水位下降，枯水期灰巖地下水水位低于含水砂礫石黏土層侵蝕面，在豐水期灰巖地下水水位上升，地下水侵蝕面隨之上下頻繁波動，為砂層漏失創造動力條件。地下水位不斷升降掏蝕第四系含砂層，造成第四系砂層局部漏失形成孔洞，砂層孔洞擴大到一定程度后塌陷，導致地表產生沉降和開裂。

（4）設計采用鉆孔注漿的方式對地表塌陷影響區進行治理，在塌陷影響區共布置3 個注漿鉆孔和1個檢查孔，主要對塌陷影響區下方采場充填后沉縮產生的空頂區域進行注漿充填，另外對基巖上部的黏土夾碎石層及砂礫石層進行蓋帽注漿封堵。防止第四系砂層及地下水向基巖裂隙、破碎帶及采空區漏失，避免礦山后續開采過程中地表塌陷進一步發展。

（5）通過注漿治理后，有效防止地面繼續沉降，為礦山安全生產提供保障。