婁底市雙峰縣杏子鋪鎮虎塘村“7.25”特大型地面塌陷成因分析

彭洪峰 肖敏

摘要：雙峰縣杏子鋪鎮虎塘村突發特大型礦山采空區地面塌陷，受災人口達250余戶700余人，造成經濟損失約4000萬元。本文分析認為，條形保安礦柱尺寸嚴重偏小、礦房跨度過大、上下采場礦柱重疊率低是引發大面積采空區地面塌陷的根本原因。

關鍵詞：梓門橋組；石膏礦；采空區；地面塌陷

雙峰縣杏子鋪鎮虎塘村“7.25”地面塌陷是一場特大型礦山地質災害，影響區面積約0.55km2，采空區巖移盆地最大下沉值為2.5m，最大水平位移1.5m。塌陷區最長裂縫達300m，最寬處達4.8m；伴生塌陷坑（洞）46個，洞口直徑最大達15m，最大洞深達12m，并造成地下水位異常下降，井泉干涸。

1塌陷區環境概況

虎塘村及周圍為低丘寬谷地貌。區內山丘海拔最高160.4m——位于庵堂沖西南300m處，最低點是北面虎塘。最大高差77m，地面斜坡坡度一般為12°～20°，局部較陡，約25°～30°。區內無大的地表水體。當地為亞熱帶季風型濕潤氣候，年平均氣溫16.8℃，極端最高氣溫40.3℃(1971.7.26)，極端最低氣溫-6℃(1977.1.30)。年蒸發量1036.9～1598.6mm，平均1298.68mm，年降雨量1009.3～2035.8mm，平均1376mm，月最大降雨量587.6mm(1954.7)。

塌陷區及附近基巖地層總體上為單斜構造，巖層傾向南西，傾角25°～30°。區內斷裂構造弱發育，但無大的斷層分布。

2石膏礦開采方式等情況

雙峰縣石膏礦采用斜井開拓，主、副斜井均布置在底板中，采用房柱法開采，前進式采礦，留設條形保安礦柱。該礦開采梓門橋組Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ膏層，共分二個水平（-150m和-248m）、8個區段開采，每個區段垂高為32～34m，斜長74m左右。

礦山自建成投產至今近二十年，歷經國有、私營兩個時期，設計開采參數進行了多次調整。“7.25”之前，雙峰縣石膏礦各水平采空區均存在不同程度的頂板垮冒現象。

3“7.25”地面塌陷成因機理力學分析

以礦柱支撐頂板為核心的房柱法開采，其采空區頂板穩定性主要由頂板和礦柱兩個基本要素決定。

3.1 采場頂板穩定性分析

本文采用三帶理論、Barton“當量尺寸”極限跨度分析法等方法從頂板安全厚度、允許跨度等方面分析采空區頂板穩定性。

3.1.1 頂板安全厚度分析

（1）三帶理論分析。石膏礦層采出后，石膏礦采空區周圍巖體將發極為復雜的移動和變形，變形移動穩定后可分為三個不同破壞程度的開采影響帶：冒落帶、裂隙帶和彎曲帶。

①冒落帶高度的預計與計算

在礦體傾角小于55°，頂板為堅硬覆巖時，計算公式為：

式中：M——開采法線厚度（m）；

②裂隙帶高度的預計與計算

采用煤礦充分采動時的經驗公式：

③計算結果與分析

雙峰石膏礦采場高度與礦層厚度基本一致，為4～5m，按充分采動情況分析頂板巖層冒落帶高度為21.36m，裂隙帶高度為71.4m。冒落帶高度遠小于采空區深度，不會導致地面發生整體塌陷（變形）；裂隙帶高小于隔水層厚度，沒有明顯破壞頂板隔水層，不會導致地下水位超常下降而引發地面塌陷。

3.1.2 采場頂板允許跨度分析

在頂板厚度滿足穩定性要求的條件下，根據巖體工程地質調查及巖體質量評價，采用Q分類結果計算頂板在各條件下的允許暴露跨度。

（1）分析原理。開挖體的最大無支護跨度SPAN與Q值和開挖體支護比（ESR）的關系如下式：SPAN＝2Q0.66＝2×（ESR）×Q0.4

（2）計算分析

根據以上公式，當ESR值為1.6時（雙峰石膏礦采空區Q＝23.225817），其最大無支護跨度為11.26m，即當采場寬度為11.26m，其頂板整體穩定性較好。據調查，雙峰石膏礦礦房（采場）寬大部分為13～16m，所以采空區頂板穩定性差，不能滿足安全要求，是引發本次采空區冒頂的重要因素。

3.1.3 重疊開采采場穩定性分析

房柱式開采是以留設礦柱的方式支撐采空區上覆巖層，在多層復合采動的情況下，上層開采后礦柱所承受的荷載必將傳遞到下層礦柱柱上。因此，只有當上下兩層礦柱完全對齊，才能使上覆巖層的重量有效通過礦柱順利地傳遞到底板巖層，保證采場的穩定性。

礦柱重疊率是評估分層開采時，隔離層頂板穩定性的重要指標。在重疊開采時，如果上下分層礦柱留設不當，將造成上下疊加二個或多個采空區上下連通活化，從而導致大規模的采空區上覆巖層垮塌。

令e代表上下層礦柱重疊的百分率，其表達式為：

式中：WP上下——上下礦柱重疊部分的寬度，m；

WP下——下層礦柱寬度，m。

根據彈性薄板理論推導出重疊開采條件，上下礦柱對齊所要求的臨界重疊率ecri須同時以下二個關系式：

式中：——上下礦柱完全不對齊情況下，下分層頂柱巖體所要承受的上覆巖層的垂直荷載，MPa；

——上下礦柱完全對齊情況下，下分層頂柱巖體所承受的均布荷載，MPa； ——頂柱巖（礦）體單軸抗拉強度，MPa；——頂柱巖（礦）體的抗剪強度，MPa；

A、B——由巖（礦）柱的長、寬和巖體泊松比確定的系數。

計算結果為：只有當-150m水平Ⅱ膏層與-183m水平Ⅲ膏層礦柱重疊率大于71.1%、-216m水平Ⅱ膏層與-248m水平Ⅲ膏層礦柱重疊率大于77%時，隔離層頂板才不會發生拉伸破壞，但根據調查，雙峰縣石膏礦采空區礦柱重疊率遠未達到上述要求，因此隔離層頂板穩定性很差，也是導致“7.25”采空區冒頂事故的主要因素之一。

3.2 礦柱穩定性分析

礦柱不僅用于維護礦房穩定，也用于隔離大面積空場和保護井巷、地表及建筑物的安全，因此，礦柱間距應小于極限跨度，且礦柱本身橫斷面尺寸應滿足強度要求。否則，礦柱一旦被壓垮，勢必造成采場實際跨度過大而導致冒頂，同時，上覆巖石壓力會轉移到其它相鄰礦柱上，可能引起礦柱破壞而發生連鎖反應。

礦柱是否穩定，取決于礦柱平均應力（σP）和礦柱強度（Sp）二個因素共同決定。計算式如下：

式中：σP——礦柱平均應力；

γ——巖石容重；Z——礦柱埋藏深度；Wo、Wp——分別為礦房和礦柱的寬度

式中：α——常數，本礦山取1.0；Wp /h——礦柱寬高比；SL——礦柱的抗壓強度，MPa。

取硬石膏抗壓強度值為43MPa，計算-150m至-280m水平硬石膏采場各參數條件下礦柱安全系數如表2。

根據礦柱穩定性安全系數計算結果評價：

①按03年11月以前的設計參數開采，-150～-248m水平硬石膏礦柱為安全系數1.61～2.25，滿足安全要求。

②按03年11月至09年2月的設計開采參數開采，-150～-248m水平硬石膏礦柱安全系數為1.14～1.59，-183m及以下水平礦柱安全系數不滿足安全要求。

以上是對硬石膏礦柱的安全系數計算。而普通石膏（Ⅱ膏層）的強度不到硬石膏的1/2，按相同參數開采，普通石膏礦柱安全系數將遠低于硬石膏礦柱。另一方面，實際開采過程中對設計參數的執行很不到位，條形礦柱(墻)穿孔現象較普遍。

所以，礦柱太小，礦柱安全系數低是雙峰縣石膏礦長期存在的嚴重安全隱患，也是引發“7.25”地面塌陷的最主要原因。

綜上所述，礦柱嚴重偏小，采場跨度過大，礦柱重疊率低是引發雙峰石膏礦采空區大面積冒頂的根本原因。