采空區變形特點與防治措施

冉建兵

((湖北省城市地質工程院,湖北 武漢 430072)

采空區變形特點與防治措施

冉建兵

((湖北省城市地質工程院,湖北 武漢 430072)

以湖北某礦山采空區變形恢復治理工程為例,分析了由采礦活動所引起的采空區變形而導致發生地面塌陷的問題及其主要特點,提出恢復治理對策。

采空區;變形;地面塌陷;恢復治理工程

在礦產資源的開采過程中必然要形成大小不同、形狀各異的采空區。采空區是指地下礦產資源被采出后殘留下來的空洞,按照礦產資源被開采的時間先后可將采空區劃分為老采區、現采區和未來采區。

由于采空區上覆巖土體冒落或變形而在地表發生大面積變形破壞,并造成人員傷亡或財產損失的現象和過程,稱為礦區地面變形地質災害。如果地面變形呈現面狀分布,則為地面塌陷[1]。地面塌陷威脅地面建筑物的安全、破壞耕地等,中國由于采礦引起的地面塌陷面積大,為1 150 km2,危害較大[2]。

本文針對湖北某礦山存在的采空區及其所引起的地面塌陷問題,以實現采礦區地質環境安全,保護礦山生態環境為目標,分別從采空區形成特點、地面塌陷成因、工程治理措施3個方面提出了采空區恢復治理方案。

1 礦區概況

1.1 自然地理

礦區位于湖北省陽新縣,屬亞熱帶氣候,其特點是四季分明、季風交替明顯、雨量充沛。年平均氣溫17 ℃;年均降雨量1 100～1 400 mm,最大年降雨量2 391.5 mm。礦區總的趨勢是西北和中部高、南北低,中部及西北部為古生界與中生界碳酸鹽巖地層組成的構造侵蝕中低山丘陵,南部及東部為寒武系白云巖和奧陶系大理巖組成之中低山;標高一般200～400 m,最高烏云山達490.20 m。山勢陡峻,局部懸崖峭壁,侵蝕切割強烈。

礦山為地下開采礦山,選擇單翼或雙翼自上而下的后退式的開采順序,采用淺孔留礦法進行回采。礦山類型為銅鉬鎢礦,設計生產能力為60 kt/a,礦區面積0.161 3 km2。

1.2 地質與構造

礦區位于黃姑山—犀牛山倒轉背斜北翼,南受銀山大斷裂帶、北受陽新侵入體的影響,測區內斷層較為發育;礦床賦存于黃姑山—犀牛山倒轉背斜北翼,奧陶系中、下統或與上統之間。出露地層有古生界寒武系中—上統1～3段,奧陶系下、中、上統,志留系高家邊群1～2段,新生界第四系;區內主要有接觸帶構造和斷裂構造。

1.3 水文地質與工程地質條件

礦區地下水主要補給來源為大氣降水,其次為區域性補給。白云巖、大理巖分布區,基巖裸露,地表巖溶發育,易接受降水滲漏補給,但其地形陡峻沖溝發育,有利于地下水排泄,大量泉水出露(尤其雨季)以及礦化度低,說明含水層較淺部位,地下水活動交替強烈。

礦體頂、底板為大理巖、含碳質絹云母角巖、絹云母石英角巖、石英閃長巖等。其中大理巖巖石完整、塊狀、抗壓強度1 185.25 kg/cm2。含碳質絹云母角巖,抗壓強度2 376.91 kg/cm2,絹云母石英角巖,抗壓強度為2 330.31 kg/cm2。局部底板為石英閃長巖,巖石堅硬、致密、抗壓強度2 380.78 kg/cm2。而礦體的含鎢矽卡巖,也是堅硬、致密、抗壓強度1 826.23～3 088.77 kg/cm2。該數據表明,礦區各類巖石在未經構造破壞和強烈蝕變的情況下,穩固性較好,而局部構造破碎、巖溶發育,以及強烈風化蝕變地段,巖石松散易碎,穩固性較差。

2 采空區及地面塌陷特征

2.1 采空區分布現狀

礦山目前回采-25 m中段,+10 m水平以上已經回采完畢,之前采用留礦法開采,+70 m中段、+40 m中段、+10 m中段以上均已形成大量采空區,由于后期水平底柱的回采,許多采空區上下相互連通,采空區高度過大。

對礦山+10 m,+40 m,+70 m中段采空區體積進行統計,+70 m有4個采空區,總體積91 812 m3;+40 m有7個采空區,總體積123 483.4 m3;+10 m有5個采空區,總體積67 182.5 m3,3個中段采空區總體積282 477.9 m3。

在現狀條件下,采空區局部地段已發生地面塌陷2處,加之采空區面積大,上方為礦區生產設施堆放區,對礦山影響較大。

2.2 地面塌陷分布

2.2.1 地面塌陷分布現狀

2處地面塌陷均分布在采空區范圍內,其中,1#地面塌陷位于礦區北側的荒山無人區域,塌陷面積較大,塌陷時間不詳,塌陷范圍最長處約63 m,最寬處約42 m,呈近似橢圓形,塌陷面積2 646 m2,最大塌陷深約3～4 m(圖1);2#地面塌陷位于井口附近,最長約53 m,最寬約36 m,塌陷面積1 908 m2,最大塌陷深約1.5 m。2處塌陷區水平距離約240.0 m。

2.2.2 地面塌陷成因分析

礦區寒武系白云巖和奧陶系大理巖(主要為奧陶系下統大理巖(O1),以及少量奧陶系中統條帶狀大理巖(O2))大量分布,地表巖溶發育,見溶溝、溶蝕裂隙溶洞及落水洞,主要分布在礦區東部及東南部;據鉆孔資料在礦區西部及西北部巖石及礦體裂隙不發育,且多被充填呈閉合型,亦未見巖溶現象,礦石巖芯多較完整。根據地層資料,在該區基巖上方覆蓋較厚的粘土層,基本未見砂層,且含水層埋藏較淺,地下水在該區的潛蝕作用弱;根據采礦現狀圖,采空區位于其正下方,監測資料顯示此段巷道局部也發生了變形。礦山開采過程中,山體開裂變形將使礦區地上地下通過裂縫、裂隙等將含水層、隔水層、采空區連成一個完整地下水文通道，部分地區受斷裂作用，構造角礫巖大量分布,巖石破碎,巖溶發育，透水性強，為構造破碎帶對地下水的重要補給通道和活動場所。初步判斷,其塌陷成因為礦業開采活動使地下水向采空區集中,地下水的垂直或水平流動進一步帶動松散粘土蓋層向采空區移動,從而誘發地面塌陷。同時近地表的開采活動造成冒落,從而進一步誘發塌陷的發生。故判定其成因為采空引起冒落所致。

2.3 采空區及地面塌陷穩定性分析

根據分析,地面塌陷為采空引起冒落所致,同時,依據礦山工作人員的介紹,2處地面塌陷均有逐年擴大的趨勢。在后期,隨著采礦活動的加劇,采空區將會逐步擴大,采礦巷道不斷向深部延伸,山體開裂變形使礦區水文地質條件改變。礦層以上的含水層、隔水層及礦坑本身將隨著垂向裂隙、裂縫的貫通,連通成為一個完整的補、徑、排水文通道。當井巷通過斷層和節理裂隙密集處時,在爆破振動及裂隙、斷層綜合影響下,地面塌陷的范圍將會有所擴大(圖1)。

圖1 地面塌陷剖面圖Fig.1 Profile of ground collapse

3 治理措施

3.1 采空區治理措施選擇

目前,采空區治理方案主要有切槽放頂法、切頂與礦柱崩落法、充填法及類框架結構支撐法等。經對各治理方法的分析并結合現場地形地貌情況,本礦山采用采空區充填法與地面變形區回填法進行治理。

3.2 采空區治理

采空區治理分為采空區充填和采空區封堵。

采空區充填:采空區回填方案設計處理+10～+70 m采空區,+10 m以上老采空區處理完成后,再進行下一中段的開采,+10 m中段以下采用充填法開采;充填方式為全尾砂膠結充填;充填材料以干砂作為充填材料;充填順序為采空區充填,從+10 m中段開始,逐段向上充填,每個中段由北向南充填采空區;充填強度采用假頂、假底及接頂充填體強度>4 MPa,配比充填灰砂比1∶4;采場中部重要位置充填體強度>2 MPa,充填灰砂比1∶8,采場中部充填非重要充填體強度>1 MPa,充填灰砂比1∶12。并結合現場地形地貌情況,布置地面充填站等其他充填設備。

采空區封堵:充填每一個采空區時,首先必須要將采空區底部通道進行封堵。封堵工程要有一定強度,并同時安裝濾水設施。對空間不大、空頂不高且封堵截面不大的采空區,封堵方法可采用紅磚砌雙墻,雙墻間澆灌砼,墻厚度1 m,封堵墻斷面與巷道斷面一致,并預埋濾水管的方式進行封堵。對較大的采空區,且封堵斷面較大時,可采用分次封堵方法,即先封堵一定高度,隨即充填到封堵高度后暫停充填,再繼續向上封堵,逐層向上分次充填。當封堵處的通道比較長時,可采用局部爆破放頂的方法,利用爆破散落的巖石自然封堵,局部用編織袋裝沙土砌堵,此種方法最為簡單。具體的封堵方法根據封堵點的現場條件確定。

根據表1,-0.074 mm粒級含量占64.30%,-0.038 mm粒級含量占41.64%。根據礦山常用的尾砂分類方法進行尾砂分類,此試驗礦樣的全尾砂為細粒級尾砂。針對細粒級的尾砂濃縮的特性,決定采用小直徑的短柱長錐的旋流器組。保留一部分細粒的尾砂作為管道潤滑用。根據圖2知在初始濃度為31.2%,沉降速度開始快后來慢,最終5 h(300 min)的沉降濃度為58.9%。綜合表1、圖2,充填材料符合要求。充填管路布置見圖3。

3.3 地面塌陷治理

地面塌陷采用塌陷回填及植被恢復工程相結合的方法進行治理。

塌陷回填需分層回填,要使土的相對密實度不低于85%。回填所需的土石方于附近山體進行取土,土質要求為粘土,土石比7∶3～8∶2。回填過程中,須分層(≤0.5 m)回填。本次回填工程首先采用塊石+砂漿進行回填,再在其上回填粘土層,施工至地面0.3 m后回填種植土,以方便對回填后的地裂縫進行植被恢復;同時在回填至地表后,不應在地表形成凹槽狀地形,以防回填區積水。

圖3 充填管路布置圖Fig.3 Arrangement plan of pipeline

植被恢復工程主要是回填后的地面塌陷區。設計喬木種植行距為5 m×5 m,灌木間距為1 m×1 m,喬木與灌木種植間隔為1.0 m。同時,由于塌陷區位于山坡,野生草類較為豐富,在進行喬木和灌木種植后,礦山可以根據現場的實際情況在喬木與灌木的空隙處進行植草。地面塌陷治理見圖4。

圖4 地面塌陷治理效果剖面示意圖Fig.4 Sketch map of profile of governance effect about ground collapse

4 結語

采空區變形是礦山開采過程中影響最為嚴重的地質災害,但就以省內礦山為對象調查發現,對采空區基本未進行回填,一旦發生采空區變形的現象主要以變形區地表回填為主。筆者認為,這種治理方法治標不治本,不能全面和有效地處理采空區變形問題,不能有效地消除由于采空區變形而引發的地災隱患。本礦山 經過治理后，采空區變形得到了明顯的控制，通過監測，回填的采空區已趨于穩定，有效地控制了采空區變形引發的地面塌陷等地質環境問題，地表的安全隱患可基本消除。同時，美化了礦山環境，為后期的開采提供了安全的生產環境。經過分析，筆者認為,在礦山地下開采過程中,盡量采用邊回采邊充填的方法,從根本上減少采空區變形影響。在后期礦山地質環境恢復治理工程中,應加強對采空區治理措施的研究。

[1] 李鐵峰.災害地質學[M].北京:北京大學出版社,2012.

[2] 中國礦業學院.煤礦巖層與地表移動[M].北京:煤炭工業出版社,1981.

(責任編輯：陳文寶)

Study on Goaf Deformation Characterisitcs andPreventative Measures & Countermeasures

RAN Jianbing

(HubeiInstituteofUrbanGeologicalEngineering,Wuhan,Hubei430072)

This paper is aimed at introducing the main feature of ground subsidence problem caused by mining activities as a case study of one mine in Hubei province. And then,it puts forward the countermeasures to solve problems according to the characteristics of goaf deformation.

goaf; deformation; ground subsidence; restoration project

2016-08-29;改回日期:2016-10-13

冉建兵(1987-),男,助理工程師,環境工程專業,從事礦山地質環境工作。E-mail:382362437@qq.com

TD325

A

1671-1211(2016)06-0955-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.06.029

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20161114.1450.002.html 數字出版日期:2016-11-14 14:50