趙家壟礦地質災害分析及防治對策研究

付 俊，唐紹輝，徐必根

(1.長沙礦山研究院有限責任公司安全技術中心， 湖南長沙 410012;2.金屬礦山安全技術國家重點實驗室， 湖南長沙 4100012)

0 前言

地下礦山一旦發生地表塌陷，大量土體將會涌入地下巷道，對正在進行生產作業的人員構成巨大的威脅，并帶來巨大的經濟損失，更嚴重的是部分礦山地表塌陷往往伴隨著雨水、地下水，隨之將會形成泥石流災害，帶來巨大的經濟損失。

回采過程中往往因對歷史民采遺留采空區情況未完全掌握，可能導致采場與老采空區相連，形成巨大的采空區，在一些地質條件較差的礦山，容易發生突發性地質災害，事先不容易被人察覺，對礦山地質災害的形成原因分析研究，能夠有效地對區域內其它地下礦山提出應對措施，預防地質災害，減少災害造成的損失。湖南是我國地質災害比較嚴重的省份之一，屬地質災害高發區［1］，本文以湘南郴州市蘇仙區趙家壟多金屬礦為例進行分析。

1 工程概況及地質災害概述

1.1 工程概況

郴州市趙家壟多金屬礦于1980年代起開始露天開采，后轉為地下開采。露天開采形成了+745，+735，+721 m三個平臺，露天開采形成的采坑面積22500 m2。對+690 m以下礦體采用地下開采，由于沒有正規開采設計，原有井下開采秩序混亂，形成了大量未經處理的采空區。

1.2 地表塌陷事故概述

事故發生在趙家壟多金屬礦的水湖里礦區，塌陷坑地面標高約+745～760 m。本次地面塌陷事故造成地面塌陷長度達75 m，寬度達60 m，塌陷面積近4000 m2，最大塌陷深度達33 m，塌方總量約5萬m3，事故現場如圖1所示。塌陷坑下部為原老采空區，由于地表塌陷后形成的井下泥石流通過老采空區后涌進+640，+615 m水平巷道，巷道和老采空區被泥石堵塞，致使井下5名工人被困。

圖1 現場地表塌陷坑

2 塌陷區地質條件及形成原因分析

2.1 地質環境條件

(1)自然地理。礦區地貌屬構造侵蝕中低山地貌。礦區地形整體上南東高，北西低，最高處+961 m，最低處+524 m，地表相對高差437 m，地形坡高5°～24°。地表植被發育，覆蓋率在50%左右，地形有的切割呈“V”字型，地形切割深度40～160 m。當地侵蝕基準面海拔標高210 m。該區屬大陸性亞熱帶季風濕潤氣候，陽光充足，雨量充沛，四季分明，春季寒潮頻繁，仲夏(6～8月)多雨易澇，夏末秋初多旱，冬寒期短的特征。

(2)巖土體工程地質類型。該區的土體為第四系殘破積及沖洪積層，主要分布于礦區中部及零星分布于緩坡溝谷地帶，由礫及砂土組成，因其結構松散，開挖后容易垮塌，工程地質條件差。區內巖石可以分為堅硬厚層石英巖、粉砂巖夾頁巖巖性綜合體，較硬—堅硬厚層紋層狀灰巖、云灰巖巖性綜合體和堅硬塊狀花崗巖、花崗斑巖巖性綜合體巖組三類。

(3)水文地質條件。區域地貌屬構造侵蝕的中低山地貌，地面坡度一般在5°～14°，局部地段有陡坎，較陡坡面植被覆蓋率50%左右，大氣降水地表排泄較流暢。礦區及其附近無江河分布，無水庫建設工程，僅在礦區的北部分布有一條小溪溝，其流量隨大氣降水變化明顯，礦山開采處于當地侵蝕基準面附近，區內地層的賦水性一般。水文地質條件復雜程度屬中等類型。

2.2 塌陷區老采空區分布情況

塌陷區位于南部，塌陷區老采空區為1號礦體。該區域東部+610 m以上礦體已基本采完，形成的采空區面積較大，采空區未處理。

根據礦山提供的地質勘探線剖面圖、最新實測的采掘工程平面圖、井上下對照圖及地表塌陷后的實測圖，建立了塌陷區三維實體模型，如圖2所示。

圖2 塌陷坑與井下開采區域相互關系

2.3 地質災害成因分析

2.3.1 不良的工程地質條件

塌陷區下部采空區為原礦山開采1號礦體留下的采空區，從86號勘探線往南至87號勘探線，采空區頂板巖層逐漸變薄，在86號勘探線附近，頂板巖層為中泥盆統棋梓橋組灰巖巖組，其中700 m標高以上灰巖巖組厚度為10 m左右，往南至87號勘探線時，灰巖巖組逐漸尖滅，在670 m標高以上采空區直接頂板巖層為5～10 m厚的矽卡巖，矽卡巖上盤為第四系土體，土體厚度達80 m，由礫及砂土組成，其結構松散，工程地質條件差。

礦區內巖體風化較強烈，強風化帶深度一般為10～30 m，最深可達50 m，風化的白云巖、灰巖及砂巖極為破碎，f值在4～6以下。堅硬的矽卡巖、花崗斑巖在風化帶中強度低，穩固性較差。采空區上盤頂板巖層較薄，近地表巖體風化較強烈，頂板上第四系土體較厚是采空區發生失穩的主要因素，較厚的第四系土體為產生井下泥石流提供了豐富的物質來源。

2.3.2 原有老采空區的影響

礦區開采始于1980年代，經歷了村辦企業、民營企業開采，由于前期的無序開采，+610 m以上形成了大量未經處理的不明采空區。ZK1/87號以東670 m以上，采空區傾角達70°，頂板為5～10 m的矽卡巖，矽卡巖上覆為第四系土體，土體厚度達80 m;采空區傾角為55°，頂板為矽卡巖、灰巖，該部分礦體標高為+610～670 m。

為分析該區域采空區穩定性狀況，采用二維彈塑性有限元分析程序進行了計算分析，選取87號勘探線剖面，建立二維模型，如圖3所示。根據工程經驗，選取了數值計算的巖土力學參數，見表1，材料的本構模型采用Mohr－Coulomb模型。

表1 數值計算巖體介質的力學參數選取

模擬開采1號礦體后的計算各步驟最小主應力、最大主應力、位移及塑性區的分布和變化情況。計算結果如圖4與圖5所示。

圖3 87勘探線計算模型

根據以87號勘探線為模型，1號礦體+670 m標高以上礦體開挖前后的最小主應力、最大主應力、位移及塑性區分布的數值模擬計算結果表明，由于該段礦體傾角(70°左右)較陡，采空區頂板覆巖隔離層厚度小，塌陷坑處地表第四系覆蓋層厚度大，礦體開采后，采空區上盤圍巖位移明顯增大，采空區上盤第四系土體整體向采空區移動，采空區上盤圍巖發生大面積塑性破壞，容易產生頂板覆巖隔離層失穩破壞，頂板覆巖隔離層破壞后，第四系土體涌入采空區，致使地表發生塌陷。

圖4 1號礦體開采后巖體移動趨勢

圖5 1號礦體開采后圍巖位移及塑性區

2.3.3 不利的氣候條件

根據氣象資料證明，自2012年8月1日至10月11日止，山區出現了長時間的陰雨天氣，尤其自2012年9月24日起至10月11日(事故發生日)，連續18天雨天，其中10月6、7日為大暴雨、大雨天氣。2012年10月1日至10月11日降雨量見表2。

長時間的連續雨水天氣，造成地下水位升高，巖土含水量大大增加，地表第四系殘坡積松散碎石土達到飽和成流體狀態。豐富的地下水不僅降低了巖土體的穩固性，加快老采空區的失穩，也為井下泥石流的發生提供了充足的水源和合適的激發因素。

綜上所述，由于地表有豐富的第四系松散殘坡積碎石土固體物質來源，長時間的陰雨天氣使殘坡積松散碎石土達到飽和成流體狀態，提供了充足的水源和合適的激發因素，井下的采空區與巷道提供了有利于貯集、運動和停淤的空間條件，塌陷區巖體工程地質條件差，在降雨因素作用下，采空區頂板巖層發生破壞，導致地面塌陷，引發井下泥石流災害。

表2 礦區10月份降雨量

3 地表塌陷控制治理措施［2-5］

(1)在巷道構筑封堵體的措施控制泥石流。巷道圍巖為砂巖，巖質堅硬，巖石完整，抗風化能力強，硬度較大，適合構筑封堵體。根據巷道面積，高程計算，分別選擇640封堵體長度選為6.4 m，615西側巷道封堵體長度選為8.6 m，615東側巷道封堵體長度選為8.4 m。

(2)塌陷坑地面標高為+745～760 m，長度達到75 m，寬度達到60 m，塌陷面積近4000 m2，最大塌陷深度達33 m。塌陷坑周邊區域為露采時期回填土，北部為原露采坑。綜合塌陷坑位置及周邊土層情況，考慮從塌陷區域西側取土回填塌陷坑，治理區回填料來源充分。

(3)為防止地表水匯入塌陷坑，在塌陷坑上山方向依地形修筑截洪溝。截洪溝布置在塌陷區上山方向，主要起到攔截山坡徑流水，防止洪水流入塌陷地段的作用。

4 結論

工程地質條件差、地下采空區情況復雜以及當時不利的氣候條件是造成趙家壟礦區地表塌陷及井下泥石流災害的主要原因。本次地質災害的成因及發生過程的分析，可為該區域內其它存在同樣隱患的礦山進行有效的地質災害防治提供借鑒作用。此類礦山應統一對該區域內的老采空區進行穩定性論證和分析，為老采空區綜合治理提供可靠的依據。

［1］方 瓊，段中滿.湖南省地形地貌與地質災害分布關系分析［J］.中國地質災害防治學報，2012，23(2):83-88.

［2］紀萬斌，尹訓河.采礦塌陷災害的成因機理及防治策略［J］.中國地質災害與防治學報，1998，9(3):60-65.

［3］孫光華，陳 穩，胡建釗，等.礦山地表塌陷坑綜合治理［J］.化工礦物與加工，2012(5):31-33.

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