礦產(chǎn)開發(fā)區(qū)地表開裂與崩塌變形問(wèn)題及其模型的建立——以鄂西山區(qū)礦產(chǎn)開發(fā)區(qū)為例

李小勇，林 堅(jiān)，袁金榜，林肖榮，邱 鳳

(1.湖北省宜昌地質(zhì)勘探大隊(duì)，湖北宜昌 443100;2.湖北省地質(zhì)環(huán)境總站，湖北武漢 430034)

0 引言

在地形陡峻的山區(qū)進(jìn)行地下采礦工程活動(dòng)時(shí)，由于地應(yīng)力自然平衡條件的改變，勢(shì)必會(huì)對(duì)采礦區(qū)的地質(zhì)環(huán)境條件帶來(lái)不同程度的負(fù)面影響。諸如由于地下采場(chǎng)和礦房的不合理開拓或頂板管理不當(dāng)，以及對(duì)礦山地質(zhì)環(huán)境的保護(hù)不予以足夠重視，均可能引發(fā)嚴(yán)重地表開裂、塌陷(洞)和危巖崩塌災(zāi)害等環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題的發(fā)生。例如:1980年6月3日發(fā)生于宜昌遠(yuǎn)安鹽池河磷礦的嚴(yán)重山崩，導(dǎo)致礦毀人亡、兩百余人喪生的慘痛事件即與此密切相關(guān);2009年—2011年宜昌磷礦樟村坪礦區(qū)第III礦段普遍出現(xiàn)地表開裂和引發(fā)新危巖的成生，導(dǎo)致采礦區(qū)上方的民房多處出現(xiàn)不均勻沉降與開裂變形而成為危房，并由此而引發(fā)采礦區(qū)一帶水資源枯竭，當(dāng)?shù)鼐用裆钣盟畢T乏，致使山上民房不得不搬遷重建，農(nóng)田亦需重新整治，不僅對(duì)當(dāng)?shù)鼐用竦纳c財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成重大威脅，而且對(duì)礦山區(qū)的生態(tài)環(huán)境和正常工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)不良影響。

然而，礦產(chǎn)開發(fā)區(qū)環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題發(fā)生最重要和最關(guān)鍵者乃是礦坑頂板以上冒落—張裂帶的發(fā)生與發(fā)展，尤其是引發(fā)至地表的開裂和不均勻沉降變形的出現(xiàn)。由于頂板張裂帶波及至地表，不僅可能引發(fā)危巖出現(xiàn)乃至崩塌災(zāi)害事件的發(fā)生，而且將導(dǎo)致礦山區(qū)水資源環(huán)境條件劇變，礦坑充水因素亦會(huì)因此而發(fā)生明顯變化。

1988—1990年在完成部控“七五”重點(diǎn)突破項(xiàng)目《鄂西山區(qū)礦產(chǎn)開發(fā)環(huán)境地質(zhì)評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)》并在提交該項(xiàng)目成果報(bào)告后，深感對(duì)礦產(chǎn)開發(fā)山區(qū)地表開裂變形和崩塌災(zāi)害預(yù)測(cè)的重要性和緊迫性;特別是對(duì)已出現(xiàn)地表開裂與崩塌災(zāi)害的礦產(chǎn)開發(fā)區(qū)，研究和探索因地下礦產(chǎn)的開采引發(fā)地表開裂與崩塌變形的定量性預(yù)測(cè)計(jì)算模型，以改變以往主要為定性評(píng)價(jià)的模式更顯其必要性和強(qiáng)烈責(zé)任感。本文也正是根據(jù)山區(qū)礦產(chǎn)開發(fā)產(chǎn)生的環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題特點(diǎn)，并以宜昌磷礦和鄂西山區(qū)相類似礦產(chǎn)開發(fā)區(qū)出現(xiàn)地表開裂與崩塌的實(shí)際資料為依據(jù)，通過(guò)反復(fù)多次驗(yàn)算和論證，提出適宜于地形坡陡尤其是臨空面廣布的礦產(chǎn)開發(fā)區(qū)因地下采礦工程活動(dòng)可能引發(fā)山體開裂變形的數(shù)學(xué)模型，籍以為采礦工程的合理布設(shè)和防災(zāi)、減災(zāi)措施提供借鑒依據(jù)。

1 影響采礦區(qū)地表開裂與塌陷發(fā)生的主要因素

如前所述，由于一些地下采礦工程的不合理開拓，從而破壞或改變了礦山區(qū)的應(yīng)力自然平衡條件。在礦山應(yīng)力調(diào)整過(guò)程中，由于地下采空面積的逐漸擴(kuò)大，在采空區(qū)的負(fù)壓作用下，礦坑頂板將首先沿原生和次生軟弱或較軟弱結(jié)構(gòu)面(包括層面、裂隙或斷裂結(jié)構(gòu)面等)坍落，即所謂的頂板冒落帶。對(duì)頂板巖層厚度較大且完整性較好者，則會(huì)形成一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的自然拱;而對(duì)頂板巖石完整性較差者，則會(huì)形成不規(guī)則的坍落帶;與此同時(shí)，又將會(huì)在頂板外側(cè)受張應(yīng)力影響區(qū)出現(xiàn)張裂隙，尤其是地表存在臨空面一側(cè)更是如此。據(jù)宜昌磷礦各開發(fā)區(qū)的調(diào)查資料，地表裂隙(縫)的寬度一般由數(shù)厘米至80余厘米不等，最寬者可達(dá)1～2 m。而且地表出現(xiàn)的裂縫傾向大都是與臨空面傾向相反，顯示為拉張變形的特征;但在采空區(qū)中部，則表現(xiàn)為沉降變形特點(diǎn)，伴隨有塌陷(洞)發(fā)生(見(jiàn)圖1)。然而，采礦區(qū)地表開裂與塌陷問(wèn)題發(fā)生與發(fā)展仍受多種因素控制，主要為:

圖1 礦坑頂板以上變形示意圖Fig．1 Schematic diagram of deformation

(1)采礦區(qū)上方地形坡度越陡，尤其是陡崖廣布的采礦區(qū)，頂板以上開裂與沉降變形帶的影響高度越大，且變形發(fā)展的速度會(huì)加快;反之，影響帶高度較小，變形速度亦變慢。

(2)巖(礦)層傾角越大，地表出現(xiàn)裂縫的可能性增大;反之，出現(xiàn)地表裂縫的可能性和裂縫規(guī)模相對(duì)會(huì)較小。

(3)頂板上覆地層巖石越具硬脆性和重度越大，開裂變形帶的影響高度越大;反之，其變形帶的高度亦相對(duì)較小。

(4)地下采礦巷道(掌子面或礦房)高度(采厚)和走向?qū)挾仍酱螅l(fā)頂板以上開裂變形帶的高度亦越大;反之則相對(duì)變小。

(5)頂板上覆地層巖石的抗拉強(qiáng)度越大，開裂變形帶的影響高度越小;反之則增大。

(6)礦層埋深越大(開采深度越大)，變形發(fā)展到地表所需的時(shí)間越長(zhǎng)，地表變形值亦越小甚至基本無(wú)影響;反之，則變形發(fā)展至地表的時(shí)間越短，地表變形值亦越大［1］。

此外，地表開裂乃至崩塌變形的規(guī)模和范圍，除與上述各項(xiàng)因素緊密相關(guān)外，并與地下采空區(qū)大小、頂板管理方法、開采方法與工作面推進(jìn)速度等密不可分。尤其是采空面積越大，地表變形范圍與速度越大;反之則較小。

2 地表開裂與崩塌的形成機(jī)制

采礦區(qū)尤其是在崖壁廣布的采礦區(qū)，地表開裂與崩塌變形大都是自然地質(zhì)作用與地下采礦工程綜合作用促成或引發(fā)所致。地質(zhì)環(huán)境是變形破壞的條件，而地表開裂與崩塌變形則是綜合作用的現(xiàn)象和結(jié)果。就鄂西山區(qū)礦產(chǎn)地而言，一方面由于大都地形峭峻、崖高坡陡，臨空面發(fā)育，以致各采礦區(qū)卸荷裂隙(縫)普遍可見(jiàn);另一方面，又由于斷裂構(gòu)造和節(jié)理裂隙發(fā)育的結(jié)果，為卸荷作用的盛行造就了有利的條件;兼以工業(yè)礦層上覆沉積蓋層中的層間結(jié)構(gòu)面較發(fā)育，從而為巖體的崩塌與開裂變形提供了有利的邊界條件。

據(jù)自1980年以來(lái)出現(xiàn)地表開裂與崩塌變形的鹽池河磷礦(崩塌物體積100萬(wàn)m3)、桃坪河磷礦區(qū)大寨包崩塌(體積30萬(wàn) m3)、丁家河礦區(qū)東部礦段砦溝崩塌(體積20萬(wàn)m3)、殷家溝礦區(qū)西部和東部開裂與崩塌(體積分別為10萬(wàn) m3和6萬(wàn) m3)以及樹崆坪磷礦崩塌(體積30萬(wàn)m3)和樟村坪磷礦區(qū)第III礦段開裂變形體(變形體積＞60萬(wàn) m3)的調(diào)查研究，地表開裂與崩塌變形體在其發(fā)展過(guò)程中，基本都經(jīng)歷以下三個(gè)發(fā)展階段:

(1)拉裂變形階段:在地下采動(dòng)作用下，礦山應(yīng)力在調(diào)整過(guò)程中，首先沿區(qū)域構(gòu)造裂隙和卸荷裂隙結(jié)構(gòu)面追蹤與逐漸拉張，并以水平位移變形為主，垂直位移不明顯。此階段一般歷時(shí)一兩個(gè)月或數(shù)月，甚至更長(zhǎng)時(shí)間。這點(diǎn)取決于采動(dòng)綜合作用強(qiáng)度的大小。

(2)滑動(dòng)擴(kuò)容階段:巖體沿裂隙結(jié)構(gòu)面進(jìn)一步拉張變形結(jié)果，變形體中的相對(duì)軟弱結(jié)構(gòu)面在采動(dòng)作用和斜坡效應(yīng)綜合作用下(包括崩塌塊石墜落裂縫中的尖劈和降雨入滲的潤(rùn)化與入滲水的張壓作用等)，巖體自然平衡狀態(tài)受到進(jìn)一步破壞，抗剪強(qiáng)度被削弱，開裂與崩塌變形的二維或三維空間的邊界條件逐漸完備，巖體的水平位移乃至垂直位移均有顯現(xiàn)，但一般仍以水平位移為主，局部由于制約因素和所處部位的不同，仍可出現(xiàn)垂直位移;甚至在垂直位移過(guò)程中，一些原為張開裂縫會(huì)出現(xiàn)開度變小或呈現(xiàn)假閉合狀，易使人誤判為趨穩(wěn)定。如鹽池河磷礦在崩塌前十余天即是如此。此階段往往伴隨局部崩塌變頻出現(xiàn)，其歷時(shí)一般十余天至數(shù)月或更長(zhǎng)時(shí)間。但若改變采動(dòng)作用強(qiáng)度和作用方向，或者采取其他諸如削坡減載等措施，則也有使變形破壞體處于較長(zhǎng)時(shí)間相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)者。如宜昌遠(yuǎn)安磷礦645中段上方的順層滑移體，以及樟村坪磷礦III礦段的開裂變形體即是。

(3)崩塌破壞階段:巖體崩塌變形邊界條件逐漸完備，進(jìn)入了累進(jìn)性變形破壞階段。在地下采動(dòng)、卸荷和自重的綜合作用下，巖體的滑動(dòng)破壞力已達(dá)到甚至超過(guò)其抗剪切、剪斷力的閥值，從而出現(xiàn)沿底部軟弱或相對(duì)軟弱帶剪出，表現(xiàn)為滑動(dòng)—座落—傾倒崩塌。此階段常與降水的入滲，導(dǎo)致充填于裂縫中的充填物密實(shí)、尖劈和水壓作用增強(qiáng)，從而加速了山體崩塌變形的發(fā)生與發(fā)展。在此階段，地下采礦坑道頂板裂隙(縫)和坍塌變形亦更嚴(yán)重，并出現(xiàn)坑道支護(hù)結(jié)構(gòu)被壓彎、壓斷乃至頂板陷落;同時(shí)在坑道內(nèi)往往還可聽到因巖石移動(dòng)、撕裂的摩擦聲(如悶雷)。這是巖體在孕育劇烈變形過(guò)程中，由于巖體中應(yīng)力的調(diào)整，使軟弱結(jié)構(gòu)面間的兩側(cè)巖石產(chǎn)生巨大摩擦所致;其甚者，此期間還會(huì)引起崩塌變形區(qū)附近的雞、犬、鼠等敏感性較強(qiáng)的動(dòng)物出現(xiàn)狂奔、不安寧狀。所有這些都是山體劇烈變形破壞前夕的明顯征兆。如前述的鹽池河磷礦崩塌和桃坪河大寨包崩塌等在臨崩前，上述征狀均有顯現(xiàn)①林肖榮、高星輝等，鄂西山區(qū)礦產(chǎn)開發(fā)環(huán)境地質(zhì)評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)，湖北省鄂西地質(zhì)大隊(duì)、第二地質(zhì)大隊(duì)，1991。。

3 地表開裂變形帶與模型的建立

如前所述，由于礦產(chǎn)開發(fā)區(qū)的地表開裂變形的出現(xiàn)，不僅破壞或進(jìn)一步破壞了巖體的完整性，導(dǎo)致原有危巖向更不穩(wěn)定方向發(fā)展乃至崩塌致災(zāi)事件發(fā)生。而地表開裂帶的影響高度與范圍的大小，又與采礦區(qū)的地形地貌、礦層埋深、頂板上覆地層的物理力學(xué)性能、采礦坑道掌子面(或礦房)的高度與寬度，以及巖礦層傾角的大小和采礦方式、方法與采礦強(qiáng)度等密切關(guān)聯(lián)。

近年來(lái)，對(duì)鄂西山區(qū)一些礦產(chǎn)開發(fā)區(qū)(主要是震旦紀(jì)海相沉積磷塊巖和二疊紀(jì)煤礦區(qū))進(jìn)行礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)估調(diào)查結(jié)果顯示，坑道頂板以上開裂變形帶高度(Ht)一般都在160～290 m之間，并以200 m左右為多見(jiàn)，亦即均較以往一些有關(guān)規(guī)范和教科書中提出的計(jì)算頂板冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶最大高度的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果要大得多［2］。

通過(guò)對(duì)湖北宜昌鹽池河磷礦崩塌及其他同類或相似礦產(chǎn)開發(fā)區(qū)出現(xiàn)地表開裂和崩塌災(zāi)害的發(fā)生與發(fā)展特點(diǎn)，以及變形的因果關(guān)系進(jìn)行分析研究后，于1994年宜昌地質(zhì)勘探大隊(duì)林肖榮、肖春錦兩人首次提出了因地下采礦工程活動(dòng)引發(fā)山體開裂變形帶高度(Ht)的定量性評(píng)價(jià)計(jì)算模型。當(dāng)時(shí)提出的模型式為:

式中:K——安全系數(shù)，一般取2;η——頂板以上巖石完整程度有關(guān)系數(shù)，在2～4之間:巖石破碎者取大值，反之取小值;γ——頂板上覆地層平均重度(kN/m3);h——坑道采高(m);β——地層(礦層)平均傾角(°);α——采空區(qū)上方地形平均坡角(°);Rc——頂板上覆地層平均抗壓強(qiáng)度(MPa)。

此后該計(jì)算式在對(duì)宜昌磷礦各礦區(qū)進(jìn)行礦山地質(zhì)環(huán)境與災(zāi)害地質(zhì)預(yù)測(cè)評(píng)估中普遍運(yùn)用，并為宜昌一些地質(zhì)勘查單位在地質(zhì)環(huán)境評(píng)估工作中引用。但通過(guò)近十余年實(shí)踐，深感上述模型式仍欠全面，尤其是式中對(duì)頂板以上巖石的力學(xué)性能只考慮其抗壓強(qiáng)度欠完善;同時(shí)在具正相關(guān)性的因子中，只考慮采礦高度而不考慮采礦坑道(掌子面)的寬度等亦覺(jué)不妥。故自2010年后，通過(guò)對(duì)近年來(lái)出現(xiàn)地表開裂與崩塌災(zāi)害事件的采礦區(qū)進(jìn)一步調(diào)查研究，并引入與頂板以上地層巖石變形關(guān)系更直接的巖石強(qiáng)度脆性系數(shù)和抗拉強(qiáng)度參數(shù)，提出了改進(jìn)的定量性評(píng)價(jià)模型式為:

式中:Ht——山體開裂變形帶高度(m);K——頂板以上地層巖石的碎脹系數(shù)(在1．3～1．6之間:巖石硬脆、易碎裂者取大值;反之取小值);η——頂板以上巖層完整性系數(shù)(在1～3之間:巖體完整者取小值;反之取大值);γ——頂板上覆地層巖石平均重度(kN/m3);h——坑道掌子面采礦高度(m);b——掌子面(或礦房)沿走向?qū)挾?m);B——頂板上覆地層巖石平均脆性系數(shù)(通過(guò)巖石抗壓與抗拉強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算確定);Rt——頂板上覆地層巖石抗拉強(qiáng)度(kPa);α——由坑口至掌子面垂直投影至地表點(diǎn)連線的仰角(°);β——地層(礦層)平均傾角(°)。

上式經(jīng)對(duì)已發(fā)生地表開裂、崩塌變形災(zāi)害的多個(gè)礦產(chǎn)開發(fā)區(qū)驗(yàn)證，都說(shuō)明是符合或基本符合實(shí)際的。以1980年6月3日發(fā)生的鹽池河磷礦崩塌為例，其地質(zhì)環(huán)境條件為:工業(yè)磷礦層賦存于震旦系下統(tǒng)陡山沱組下部，直接頂板為陡山沱組下段上亞段的厚層狀白云巖，厚10～12 m;其上的陡山沱組中及上部為中厚夾薄層狀白云巖，厚95 m左右;再上為震旦系上統(tǒng)燈影組厚層狀白云巖，厚185 m;坑口標(biāo)高520 m，山頂標(biāo)高810 m(掌子面垂直投影至地表點(diǎn))，相對(duì)高差290 m。其他參數(shù)為:α =40°，β =10°，h=3．0 m，b=25 m，B=23．5，K=1．6，η =3．0，γ =24 kN/m3，Rt=4 130 kPa。代入上式計(jì)算結(jié)果為:Ht=351．6 m，即Ht大于坑道掌子面至山頂?shù)母叨?為290 m)。故鹽池河崩塌事件的出現(xiàn)是必然的。再如樟村坪磷礦III礦段:該礦段磷礦上覆地層巖性與鹽池河相同，但地形條件較鹽池河要緩些。其地質(zhì)環(huán)境條件為:磷礦直接頂板厚層狀白云巖厚3．7 ～26．44 m，平均厚 15．0 m;其上的陡山沱組中及上部亦為中厚夾薄層狀白云巖，厚74～103 m，平均厚90．0 m;再上為震旦系上統(tǒng)燈影組厚層狀白云巖，厚48～62 m，平均厚50 m;坑口標(biāo)高987 m，深部回采富礦掌子面投影至地表最高點(diǎn)標(biāo)高1 220 m，相對(duì)高差為233 m。其他參數(shù)為:α =30°，β =9°，h=2．80 m，b=30 m，B=25．4，K=1．5，η =2．8，γ =24 kN/m3，Rt=5 940 kPa。上述參數(shù)代入上式計(jì)算結(jié)果，Ht=218．5 m。雖Ht值略小于地下掌子面與地表投影點(diǎn)的相對(duì)高差(為233 m)，但Ht值上部端點(diǎn)已達(dá)到坡頂最高點(diǎn)以下14．5 m，亦即已波及至地表燈影組白云巖構(gòu)成的巖體上部，從而使本來(lái)就處于臨空狀態(tài)的巖體出現(xiàn)地表開裂并形成體積約4 000 m3的不穩(wěn)定的危巖體，且崖壁下緩坡地帶多處出現(xiàn)地表開裂縫(分布標(biāo)高1 150～1 200 m)，均顯示礦坑頂板以上開裂變形帶的高度在213 m以上。說(shuō)明用上述公式估算因地下采礦工程活動(dòng)的影響高度是符合或基本符合地形坡陡、臨空面發(fā)育的礦產(chǎn)開發(fā)區(qū)實(shí)際的。

4 結(jié)語(yǔ)

位處峰巒疊嶂、崖谷廣布的礦產(chǎn)開發(fā)區(qū)，地表開裂變形是引發(fā)其他環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題發(fā)生與發(fā)展的最主要因素。由于它的發(fā)生與發(fā)展，不僅可導(dǎo)致危巖和崩塌災(zāi)害事件的發(fā)生，而且還必將引起礦山區(qū)水文與工程地質(zhì)條件出現(xiàn)顯著變化，從而使礦山區(qū)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量降低。因此，研究礦坑頂板以上裂隙和沉降變形帶的分布特點(diǎn)與規(guī)律，進(jìn)而預(yù)測(cè)裂隙帶的高度，特別是評(píng)價(jià)其影響至地表的可能性，是礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)估工作中最重要的一環(huán)。

本文是以鄂西山區(qū)的礦產(chǎn)開發(fā)區(qū)為例，提出因地下采礦工程活動(dòng)引發(fā)礦坑(地下采場(chǎng))頂板以上包括冒落帶在內(nèi)的裂隙帶，尤其是張裂變形帶高度的估算式。誠(chéng)然，由于影響頂板以上開裂變形的因素繁多，在提出的計(jì)算式中，只考慮其主要和具制約意義的影響因素，肯定還會(huì)有不足、不完善之處，有待今后在實(shí)踐中逐步完善和提高。

致謝:本文在編寫與定稿過(guò)程中，得到宜昌地質(zhì)勘探大隊(duì)總工程師羅洪和副隊(duì)長(zhǎng)冉瑞生的具體指導(dǎo)和幫助，在此深表謝意!

［1］ 工程地質(zhì)手冊(cè)［M］.第四版.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009:567－569.

［2］ GB12719—91，礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范［S］.