《武汉工程大学学报》  2010年01期 61-64   出版日期：2010-01-31   ISSN:1674-2869   CN:42-1779/TQ

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金属矿山地下开采引起地面塌陷的规律


引言国内外对矿山开采引起地表塌陷的研究由来已久，但研究成果主要是针对煤层开采的岩层移动与地表沉陷预测.对于金属矿山，由于岩体物理力学性质、地层结构、矿体形态、赋存条件以及采矿方法与煤矿存在着较大的差异，地面塌陷影响因素复杂多变.特别是，对于具有断裂构造、地层与矿体产状复杂变化的金属矿床，目前国内外尚没有比较成熟、系统和准确的方法来研究地面塌陷的形成机理以及控制对策［1］.大冶铁矿露天采场矿体自20世纪60年至80年代相继开采完毕并转入地下开采，目前除局部的挂帮矿回采外，主要为地下开采.由于长期的大量地下开采铁矿层，形成大面积采空区，据黄石市地质灾害调查与区划资料，矿区采空区将近4 km2，采空区高度10～25 m，最大达40余米，导致其围岩应力发生改变，岩体完整性遭到破坏，采空区顶板塌落，波及地面引起不均匀沉降与大面积的塌陷［2,3］.东露天采场狮子山20世纪70年至80年代发生地面变形，目前已形成长300 m，宽50～120 m，深20～35 m的塌陷坑，导致地表排水沟道、通风斜井井口以及部分厂房等建筑物受损破坏.尖林山、龙洞、铁门坎等采区也发生多处规模不一的地面塌陷，对铁山区三岔路村2 000余人的生命财产造成严重威胁，同时也危及矿业活动的正常进行，地面塌陷已成为一种严重困扰矿山开采的地质环境问题.本文以大冶铁矿东露天采场的地表塌陷为例，从东露天采场的地质环境、矿体特征、采矿方法、地面塌陷的形式、崩落角分析入手，探讨塌陷区的特征及形成规律，为地面塌陷的形成机理及控制对策的研究奠定了基础.1地面塌陷的形成机理及控制对策金属矿山地下开采地面塌陷是由于矿山地下开采形成采空区，采空区上覆岩体在自重和上覆岩土体的压力作用下，产生向下的弯曲与移动，当顶板岩层内部形成的张拉应力超过岩层的抗拉强度极限时，直接顶板发生断裂、跨塌、冒落，接着上覆岩层相继向下弯曲、移动，随着采空范围的扩大，受移动的岩层也不断扩大，从而在地表形成塌陷.在缓倾条件下的上覆岩土体大致可形成三个带，即冒落带、裂隙带和弯曲变形带，这三个带的界限一般不明显，也不一定同时出现［4］.金属矿山地下开挖必然引起岩层变形与移动，其变形速度、影响范围、发生与发展时间受众多因素的影响，如采矿方法、矿体赋存条件（地质条件、岩土物理力学性质、矿层倾角）、开采的深度、厚度、宽度、采场结构尺寸、开采速度和顺序，以及开采的时空关系等，金属矿山开采后地表的移动变形函数可表示为［1］：Dr=F(H,L,M,TH,E,J,C,,μ,γ,ω，…)
其中，Dr为开采后地表的实际移动量；H为实际开采或开挖深度；L为采区的实际开采宽度；M为矿块的实际开挖厚度（或矿层厚度）；TH为水平构造应力；E为采区上覆岩体的弹性模量；J为采区矿层上覆岩体节理裂隙影响系数（无量纲量）；C为矿层上覆岩体的内聚力；为矿层上覆岩体的内摩擦角；μ为矿层上覆岩体的泊松比；γ为介质的密度；ω为地下水影响系数.地面塌陷的形式与矿体距地表的埋深及矿体的厚度的关系如表1，同时，在塌陷发生的沉陷盆地中心部位以垂向下沉为主，水平位移、倾斜位移量较少，形成沉陷盆地；在盆地边缘及外缘裂隙拉伸带则以倾斜位移和水平位移变形为主，可能出现地表裂缝、漏斗状塌陷坑，进而在斜坡区域引发边坡失稳，产生崩塌、滑坡等.第1期周春梅，等：金属矿山地下开采引起地面塌陷的规律
武汉工程大学学报第32卷
表1地面塌陷与矿体关系
Table 1Surface subsidence area and orebody
矿体距地表埋深矿体厚度采空区对地表影响地面塌陷形式浅厚较大塌陷带、塌陷坑深厚一般裂隙带、地面裂缝分布多深薄轻微地面裂缝分析金属矿山地下开采地表移动范围的方法主要有以下几种：a.工程类比法，金属矿山常用的一种半定量的经验性方法.b.理论分析法，包括上盘渐进崩落理论、上下盘渐进断裂理论、松动区引起地表岩层移动理论、构造应力控制矿山地表岩层移动理论、矿山岩体采动影响与控制工程学理论、概化随机介质理论，其中上盘渐进崩落理论和上下盘渐进断裂理论适用于露天转地下用崩落法回采的矿山.c.数值分析方法，能对地表变形破坏的定量评价，已广泛应用于地表移动机理研究中［4］.2大冶铁矿东露天采场塌陷区2.1东露天采场地质环境  大冶铁矿东露天采场是由象鼻山、狮子山、尖林山三个矿体组成.其中西部的象鼻山最高标高228 m，中部的狮子山最高标高276 m，东部的尖林山最高标高250 m，封闭圈标高为72 m.采场总体走向NW300 °，长度为2 200 m，坑底面积为8 150 m2.东露天采场内的地质构造复杂，断层节理发育，主要发育的断裂构造有F9、F25、F13、F10、F11、F12、F8；此外，大冶铁矿东露天采场广泛发育一种介于断层与节理之间过渡类型的断裂结构面到区域性节理，一般由切割闪长岩体长达几十到几百米的剪破裂面或狭窄的构造劈理化带组成，对工程地质分区、边坡的稳定性（特别是和断层组合在一起）影响明显，大冶铁矿主要发育的节理构造有J1－4、J5-6、J7-9［5,6］.大冶铁矿东露天采场工程地质岩组划分为6组，其中大理岩、闪长岩组强度最高，风化花岗闪长岩和矽卡岩组、蚀变闪长岩组次之，断层角砾岩、砂砾石和粘土岩组强度最低.采场岩体结构类型主要有块状结构、层状结构、层状碎裂结构、碎裂结构、散体结构，其中具有碎裂结构、散体结构的岩体在矿山地下开采中易产生地面塌陷、崩塌及滑坡.  2.2东露天采场矿体特征大冶铁矿狮子山矿体（26-30线）主要赋存于闪长岩与大理岩接触带内，局部地段呈分枝插入大理岩或闪长岩内.矿体走向320 °，沿走向长430 m，矿体上部北倾，下部转向南西，矿体倾角75～90°，厚度20～80 m，一般厚30～50 m，赋存标高+170~－400 m.矿石矿物主要为磁铁矿，次为赤铁矿、黄铜矿、菱铁矿、黄铁矿、白铁矿、斑铜矿、磁黄铁矿等，条痕呈不同程度的红色［7］.脉石矿物主要有方解石、绿泥石、透辉石、白云石、金云母、石榴子石等.矿石结构为自形-半自形粒状结构、它形粒状结构、交代残余结构、包裹结构、隐晶粒状结构、环带状结构等.矿石构造为块状构造、粉状构造、浸染状构造、脉状构造、条带状构造、角砾状构造、晶簇状构造等.2.3东露天采场采矿方法大冶铁矿东露天采场地下采矿采用无底柱崩落法开采，随着每个步距的矿石回采出来，矿体上面覆盖的松散岩石也就随之崩落，覆盖到下一个分段的矿体上.如此自上而下采完各分段，覆盖岩石和地表跟着崩落塌陷.矿块的水平尺寸50 m×50 m或60 m×60 m，阶段高度为70 m，分段高度为10 m，进路间距为8到10 m，崩落步距为1.2至2.4 m（即1至2排炮孔距离）.2.4东露天采场采空区地面塌陷该塌陷区位于东露天采场狮子山坡脚处（图1），目前地下开采在－72 m阶段，受地下开采和爆破震动的影响,塌陷区域呈椭圆状，长度近300 m，宽度在80 m左右，面积约2.4×104m2.塌陷区北帮为花岗闪长岩，坡角近45 °，南帮为大理岩，坡角42 °，塌陷区两侧堆积成分为土夹石，塌陷坡度约80 °，高度约25 m.塌陷区周边地裂缝发育，垂直于塌陷方向（图2）,地裂缝宽度10~50 cm，深度90 cm，长度10~50 cm，密度约1 L/m.图1狮子山地面塌陷
Fig.1Surface subsidence area of Shizi mountain图2地面塌陷区周围地裂缝
Fig.2Ground fissure around surface subsidence area大冶铁矿东露天采场狮子山采区地表塌陷与地下巷道分布如图3，地表塌陷范围比地下巷道范围大，且塌陷范围逐年递增，严重影响两边高陡边坡的稳定性.地表塌陷给矿区地质环境与生态环境造成强烈破坏，同时也给矿山生产带来严重威胁，随着地下开采工程的延深，采空区塌陷与地表变形还会继续扩展.塌陷区于2007年8月16日开始启动“正负零塌陷区回填工程”，将尾石抛于塌陷的坑内.图3地表塌陷与地下巷道分布图
Fig.3Surface subsidence area and distribution map of underground tunnel依据矿体赋存条件、上下盘围岩的物理力学性质、采矿方法等进行类比确定的岩移角如表2.类比法预测地表变形范围属一种经验方法，它把复杂的围岩工程地质条件和岩体破坏概化为一种宏观均匀的地质变化，但实际上影响围岩破坏的各方面因素必然存在着一定的差异性，这也将导致预测的移动界线与实际上地表破坏边界不可能完全吻合，故矿山在生产过程中，应建立完善的监测系统，通过监测数据，不断修正优化崩落角、移动角参数，以期能获得更好的预测效果，为地质灾害防治和搬迁决策等提供可靠依据.表2 采空区岩体移动角
Table 2Rock moving angle of goaf
采区岩石及开采深度上盘下盘端部东采区-180 m以上60°60°65°（东西两端）大冶铁矿东露采塌陷区Ⅰ－Ⅰ′剖面如图4，在崩落铁矿石中，存在两种情况引起地表塌陷的形状不一［8］：a.覆于其上的岩体随矿石一起被崩落，其余部分则呈“悬钟状态”暂时保留，但这种状态是极不稳定的，受邻近采矿活动的影响，部分岩体将坠落下来，最有在其上方距源矿层数十米的地方形成如图所示的空场，此时产生地表不均匀沉降，地表移动呈现出“漏斗型”形态特征；b.利用崩落法采矿，在一般正常地段，自然崩落法需达到充满采空区为止，顶部岩体移动常达到地表，产生均匀沉降，地表移动呈现出“盆地型”形态特征.
图4塌陷区Ⅰ-Ⅰ′剖面图
Fig.4Ⅰ-Ⅰ′profile of surface subsidence area3结语a. 金属矿山地表塌陷受矿体形态、产状，采空区埋深、采厚比，矿体围岩工程地质结构、物理力学性质，矿区地质构造、地下水活动等多方面因素影响，这些因素相互作用，加上地质上的不确定性，使得金属矿山地表塌陷机理复杂.b. 文中从大冶铁矿东露天采场地质环境、矿体特征、采矿方法、地面塌陷的形状及与地下巷道之间的关系等方面介绍了地面塌陷的形成机理.大冶铁矿东露天采场地面塌陷严重破坏了矿山地质环境，同时也给矿山生产带来严重威胁，随着地下开采工程的延深，采空区塌陷与地表变形还会继续扩展，必须采取合理的治理方案.致谢：论文的研究得到了武汉工程大学环境与城市建设学院课题组及武汉钢铁集团矿业有限责任公司大冶铁矿的大量帮助，论文的资料由大冶铁矿科技处提供，在此一并表示感谢!