雷溪石膏礦地面沉陷特征及沉陷機理

李益陳，饒凌志，藺 力（.成都理工大學，四川 成都 60000；.江西省地質礦產勘查開發局，江西 鷹潭 335000）

雷溪石膏礦地面沉陷特征及沉陷機理

李益陳1，饒凌志2，藺 力1
（1.成都理工大學，四川 成都 610000；2.江西省地質礦產勘查開發局，江西 鷹潭 335000）

【摘 要】在對雷溪石膏礦沉陷區地面和采空區變形現象進行大量地質調查的基礎上，結合開采概況和礦區地質環境，分析了地面和采空區變形破壞特征，總結得出該石膏礦區地面沉陷機理，是其內外因素綜合作用的結果，為探究礦區地面沉陷的原因提供了理論依據。

【關鍵詞】雷溪石膏礦；地面沉陷；采空區；沉陷機理

地面沉陷是一種地質災害，其形成的原因是復雜多樣的，地下采礦就是誘因之一，地下采礦導致地面沉陷的過程是一個復雜的系統性問題[1]。地下工程開挖必然引起巖層變形與移動，其變形速度、影響范圍、發生與發展時間受眾多因素的影響，諸如巖體物理力學性質、開挖深度、地質構造、水文地質條件以及開挖施工工序與工藝等都是影響巖層移動的重要因素[2]。雷溪石膏礦區自2010年開始出現地面沉陷現象，在礦區形成三個沉陷中心，并逐漸向外擴散，礦區地面一旦大規模沉陷，將對礦區及鄰近居民的生命和財產安全造成威脅。

1　礦區地質環境與開采概況

雷溪石膏礦礦區位于羅河沖積階地，地勢平坦，階地寬370～2500m，高出河床2.0～4.0m，階地地面高程約43m。礦區南、東面為低緩坡丘陵地區，山體呈渾圓狀，山體起伏小，山坡較平緩，天然坡角一般5～15°，谷底較開闊，山坡植被不發育。出露地層為第四系松散層和白堊系贛州組(K2g)粉砂質泥巖、砂礫巖、砂巖、粉砂巖，巖層走向300～310°，傾向北東，傾角15～20°，此層為富礦層。礦區地處于廣豐—東鄉深大斷裂帶的南側，信江凹陷與武夷隆起的接壤部位，屬盛源向斜西翼，礦區巖體發育兩組節理裂隙：①組產狀30～50°∠20～30°，可見裂寬1.50～3.0mm，延伸長0.50～1.0m；②組產狀140～165°∠35～42°，裂寬1～3mm，砂泥質充填，往深部尖滅閉合，長度0.30～1.20m。

雷溪石膏礦礦床呈層狀產出，產狀40°∠8～20°，屬于緩傾巖層，平均傾角15°。礦床沿走向長約1000m，礦體傾向延伸260m，礦體厚度最大2.12m，平均厚度1.63m，本礦區地質總儲量為848 萬t，平均品位56.48%。開采方法為長壁房柱法地下開采，開拓方式為斜井開拓，運輸方式為輕軌礦車。主斜井由-21.5m，下掘到-50.18m，傾角約15°，斜長約155.1m。目前，此礦山已停止生產，采空區主要由三部分組成，采空總面積為0.86km2。石膏礦采空區內頂板標高：-20.15～-51.35m，底板標高：-23.15～-54.35m，采空區高2.1～4.lm，平均高度3m，采空頂板覆巖巖性為青灰色粉砂質泥巖，礦區平面分布圖見圖1。

2　沉陷區地面及采空區變形破壞特征

2.1地面變形破壞特征

雷溪石膏礦區自1999年開采，隨著石膏礦開采進行，采空區逐漸形成，2010年開始出現地面沉陷變形，截至2013年9月，礦區共出現三處沉陷區，分別命名為C1、C2、C3。礦區地面沉陷使多處民用及公共建筑設施不同程度開裂，并造成鄉村公路及橋梁等交通設施受到不同程度的破損?，F以C1沉陷區為例，說明該礦區地面沉陷變形破壞特征。

2011年5月沉陷區第一期裂縫帶基本形成，第一期裂縫帶單條裂縫平均長度約12m，平均裂縫寬度約25cm，平均裂縫深度2m。一期裂縫帶所包括的沉陷范圍形成了(40×45)m2的近圓形區域，其最大沉陷深度為1.2m(見圖2)。

圖1　雷溪石膏礦沉陷區平面分布圖

圖2　第一期裂縫

2012年7月沉陷區第二期裂縫帶基本形成，其單條裂縫平均長度約8m，平均裂縫寬度約20cm，裂縫平均深度1.4m。二期裂縫帶所包括的沉陷范圍形成了(70×100)m2的橢圓區域，其最大塌陷深度為0.8m(見圖3)。

2013年12月第三期裂縫帶基本形成，單條裂縫平均長度3m，裂縫平均寬度約16cm，裂縫平均深度0.7m。三期裂縫帶所包括的地面沉陷范圍為(90× 160)m2的橢圓形區域，橢圓長軸走向150°，長160m；短軸走向67°，最大沉陷深度為0.5m(見圖4)。

C1沉陷區裂縫分布情況表明，裂縫帶逐漸向外擴展，外圍裂縫長度、深度與寬度都比靠近沉陷中心的裂縫帶要小。其沉陷面積從2011年的1475m2擴大到2013年的11340m2，面積擴大約7.6倍。其沉陷范圍以沉陷中心為基點向四周擴展，沿橢圓形沉陷區長軸方向及礦房展布方向擴展速度最快。

圖3　第二期裂縫

圖4　第三期裂縫

2.2采空區變形破壞特征

C1區地下采空區變形破壞情況較嚴重，主要表現為頂板彎曲、冒落與礦柱的變形，具體變形特征如下：

(1)礦房礦柱沿結構面剝落，剝落堆積物呈現碎塊狀，礦柱厚度變薄(見圖5)。

圖5　礦柱剝落

(2)礦房左側礦柱下沉，但礦柱并未發生較大變形或剝落，礦柱下覆巖體強度較低，在礦柱及其上覆巖體共同作用下產生擠壓變形，導致礦柱下陷。該側下陷后，上覆巖體對右側礦柱產生更大的彎矩，且右側礦柱下覆基巖強度好于左側，則出現了左側下沉右側彎曲的情況(見圖6)。

圖6　礦柱彎曲與下陷

(3)礦房左側的礦柱發生較大程度的彎曲但結構仍較完整，右側礦柱在與頂板接觸的邊緣部分受擠壓破碎，并剝落碎塊狀塊體形成堆積，頂板出現彎曲并向一側傾斜。礦柱受壓彎曲并沿剪切面錯斷，頂板受覆巖垂向壓力彎曲，并由于兩側礦柱高度不同，向礦柱高度低的一側傾斜(見圖7)。

圖7　礦柱、頂板彎曲

(4)礦房左側礦柱變形較小，右側礦柱嚴重下陷與底板相互擠壓，形成擠壓破壞的堆積體。受兩側礦柱高度差的影響，頂板發生嚴重傾斜(見圖8)。

圖8　頂板傾斜

(5)頂板巖層大面積冒落并呈碎裂化分布，崩落塊石粒徑約30～40cm(見圖9)。

(6)頂板被兩組交錯的X型節理面切割，形成楔形結構，并由于層面近水平，層間結合力不足，導致頂板沿層面依次破壞(見圖10)。

雷溪石膏礦區從2010年開始出現地面沉陷現象。迄今為止，采空區C1礦柱破壞最為嚴重，礦柱、頂板均出現冒落；C2沉陷區受地下水侵蝕，礦柱風化作用強烈，頂板傾斜破壞，甚至坍塌；C3采空區變形情況相對C1較弱，且C3沉陷區礦房、礦柱破壞程度較輕微。從地表變形與采空區變形破壞情況可以發現，礦柱與礦房變形破壞是地表沉陷變形的根本原因。

圖9　頂板冒落、傾斜

圖10　頂板沿X節理剝落

3　地面沉陷機理分析

地下采礦引起的地面沉陷成因歸根結底是采空區的失穩，因此研究地面沉陷機理需重點分析采空區穩定性，對于房柱式開采的石膏礦房，其采空區穩定性分析最關鍵在于礦柱穩定性分析。礦柱與頂板作為一個應力與應變相互作用系統，在研究石膏礦采空區穩定性時，需將礦柱與頂板作為一個整體進行研究。

3.1礦柱失穩機制分析

3.1.1礦柱變形破壞模式

通過對雷溪石膏礦礦房礦柱變形破壞特征的分析，可以將石膏礦房礦柱變形破壞方式分為以下三種。

(1)沿軟弱面剪切破壞。

石膏礦柱中存在節理、裂隙、層理、軟弱夾層等軟弱結構面，礦柱的整體性將受到影響。在上覆荷載及地下水的影響下，作用在這些軟弱結構面上的剪切力大于該面上的抗剪強度時，礦柱就會沿著軟弱面發生剪切破壞，隨著時間推移，被剪切破壞的礦柱巖體沿著結構面剝落(見圖11a)。

(2)壓張破壞。

礦柱經過長時間風化剝蝕及上覆荷載的作用，礦柱的高寬比減小，礦柱沿水平方向將產生橫向張力，當橫向張力大于礦柱抗拉強度時，礦柱會發生拉張變形，出現嚴重的片幫現象(見圖11b)。

(3)彎曲破壞。

礦柱受頂板及底板兩端垂直荷載超過了礦柱抗壓強度時，礦柱將向應力釋放的一側彎曲變形，并出現彎曲拉裂現象(見圖11c)。

圖11　礦柱變形破壞模式

3.1.2礦柱失穩機制

大量巖石力學試驗結果表明，巖石受載時，應力與應變作用關系為：加載開始時，在應力作用下巖石中原本存在的微裂紋閉合，隨著巖石所受載荷增加，巖石到達線彈性變形階段，巖石變形超過其彈性極限時，巖石中微裂紋會迅速傳播，直至巖石的應力達到其峰值強度。隨著變形的增加巖石的抗變形能力不斷減小，巖石開始表現出應變軟化現象。隨著礦體開采，采空區礦柱受開挖的影響，礦柱中部分巖體應力集中并超過巖體屈服極限，巖體狀態由彈性轉變為塑性，并形成松動區，并最終導致礦柱失穩。同時，在開采范圍內頂板懸伸部分覆巖的荷載由兩側礦柱承擔，因此礦柱間距與位置是否合理也影響了礦柱穩定性，礦柱間距不合理時，礦柱承受荷載過大失穩后將荷載轉移集中到相鄰礦柱，引發相鄰礦柱相繼失穩破壞。

雷溪石膏礦采空區礦柱破壞主要是由于長期受到上覆巖體的壓應力及地下水侵蝕的共同作用產生蠕變，使得石膏礦柱內較為發育的節理裂隙進一步發展，從而形成了以軟弱結構面為主控因素的破壞模式，并伴有礦柱的彎曲變形破壞。石膏礦柱內部巖體強度的降低是礦柱失穩破壞的主要因素，影響礦柱失穩破壞的因素主要有如下幾方面：

(1)礦柱巖體的抗壓強度和抗拉強度。

(2)礦柱所承受上覆巖體荷載大小。

(3)礦柱中的軟弱結構面。

(4)礦柱的寬高比。礦柱寬度與高度比值越小，礦柱越易失穩。

(5)礦柱的留設間距。

3.2采空區頂板失穩機制分析

3.2.1頂板破壞模式

通過對雷溪石膏礦采空區頂板變形破壞特征的分析，可以將頂板的變形破壞模式主要分為以下三種類型：

(1)頂板拱形冒落。

根據“普氏地壓學說”，采空區頂板巖塊在自重作用下，會逐漸冒落，最終形成一定高度的免壓拱以支撐上覆巖體自重，免壓拱形成后，采空區頂板會趨于穩定(見圖12a)。

(2)頂板楔形冒落。

礦房頂板巖體節理裂隙發育，部分頂板巖體被多條較大裂隙切割后形成楔形巖體，楔形體在自重作用下脫離母巖冒落。頂板被兩組交錯的X型節理面切割，形成楔形結構，并由于層面近水平，層間結合力不足，導致頂板沿層面依次破壞(見圖12b)。

(3)頂板離層折斷冒落。

采場頂板及其覆巖的移動特征是，礦層頂板處于受拉狀態，當其拉伸變形超過巖石的允許抗拉強度時，直接頂板及其上部的部分巖層便與整體分開[3]。采空區上覆巖層為層狀，如果巖體層間結合力小，單層連續性好，單層巖層厚度小，巖石強度低而頂板跨度較大，則在構造應力和巖體自重共同作用下，頂板巖層之間會分離，直接頂板產生彎曲變形，當彎曲變形超過巖層抗拉強度時，折斷頂板形成碎塊巖體向采空區冒落(見圖12c)。

圖12　頂板變形破壞模式

3.2.2頂板失穩機制

據雷溪石膏礦三個沉陷區采空區頂板變形特征及其頂板變形破壞模式，可以將采空區頂板失穩機制歸為以下三類。

(1)應力集中導致頂板失穩。

礦體開挖前，圍巖應力狀態自然平衡。開挖后，自然平衡狀態破壞，原巖應力狀態發生變化，采空區圍巖應力重新分布。隨著工作面的不斷推進，原巖應力分布狀態不斷改變而產生新的應力場，從而在礦房頂板中會出現應力集中。根據“普氏地壓學說”，采空區形成后，在應力集中作用下，頂板免壓拱形成范圍內頂板巖體應力狀態失去平衡，頂板巖層會出現下沉、彎曲現象。當拉應力增加到一定大小并超過頂板巖體極限抗拉強度時，頂板巖層出現拉張裂縫，隨著時間推移，拉張裂縫會不斷延伸擴大最終致使頂板冒落。

(2)“關鍵塊體”導致頂板失穩。

在半堅硬和堅硬巖層中，各種結構軟弱面將頂板巖體切割成鑲嵌塊體。礦體開挖前，這些鑲嵌塊體處在應力平衡狀態。礦體開挖后，鑲嵌塊體暴露并失去了支撐，暴露出的鑲嵌塊體失去平衡，會沿著巖體中結構軟弱面滑動、失穩。這些鑲嵌塊體即為“關鍵塊體”。“關鍵塊體”是保持采空區頂板穩定的關鍵組成部分，同時也是控制采場頂板穩定的薄弱部分。采空區頂板中存在的某個“關鍵塊體”的冒落，會使相鄰塊體相繼失穩并冒落，連鎖反應下會導致采空區頂板塊體的連續冒落，甚至致使采空區頂板整體失穩、冒落。

(3)地質構造軟弱面導致頂板失穩。

石膏礦巖層在形成過程中隨地質演化形成的地質構造軟弱面，對頂板的穩定性影響很大，軟弱面的存在破壞了頂板的完整性，并使巖性、頂板組合結構改變，頂板的強度降低，最后導致頂板冒落。當裂隙、節理等構造較發育時，頂板巖體受壓后容易破碎，如果未支護，會頻繁出現小規模冒頂，極端時會發生大面積頂板冒落。層理發育形成的軟弱面，則會使頂板組合結構改變，頂板巖體沿層理產生離層裂隙，導致巖層和母巖分離，使頂板巖體強度降低從而發生離層冒落。并且當巖石抗壓強度相同，有層理弱面的巖層厚度越小，頂板也越容易失穩。

4　結語

通過對地面變形破壞特征及采空區礦房頂板和礦柱失穩模式的分析，得出頂板和礦柱的失穩機制，礦區地面沉陷是內外因素綜合作用的結果，為礦區地面沉陷原因提供了理論依據。

【參考文獻】

[1]唐名富,周明芳,李賦屏,等.廣西大新鉛鋅礦地面沉陷機理及預測[J].金屬礦山,2009(2):151-153.

[2]趙靜波,高謙,李莉.地下采動巖層移動預測理論分析與研究[J].礦冶工程,2004,24(3):1-4.

[3]黃樂亭.開采沉陷力學的研究與發展[J].煤炭科學技術,2003,31 (2):54-56.

Ground Subsidence Features and Settlement Mechanism of Leixi Gypsum Mine

LI Yi-chen1, RAO Ling-zhi2, LIN Li1
(1. Chengdu University of Technology, Chengdu 610000, China; 2. Jiangxi Bureau of Geology and Mineral Exploration and Development Bureau, Yingtan 335000, China)

Abstract:On the basis of many geological explorations of deformation phenomena of ground and goaf in Leixi gypsum mine's subsidence, combining mining overview and geological conditions, we analyzed the deformation characteristics of ground and goaf, concluded the settlement mechanism of the mine. It is the result of the combined effects of internal and external factors and provides theoretical basis for mine subsidence ground reasons.

Key words:Leixi gypsum mine; ground subsidence; goaf; settlement mechanism

【收稿日期】2015-03-16

【中圖分類號】TD327

【文獻標識碼】A

【文章編號】1007-9386(2015)06-0048-05