矿产开发区地表开裂与崩塌变形问题及其模型的建立——以鄂西山区矿产开发区为例

李小勇，林 坚，袁金榜，林肖荣，邱 凤

(1.湖北省宜昌地质勘探大队，湖北宜昌 443100;2.湖北省地质环境总站，湖北武汉 430034)

0 引言

在地形陡峻的山区进行地下采矿工程活动时，由于地应力自然平衡条件的改变，势必会对采矿区的地质环境条件带来不同程度的负面影响。诸如由于地下采场和矿房的不合理开拓或顶板管理不当，以及对矿山地质环境的保护不予以足够重视，均可能引发严重地表开裂、塌陷(洞)和危岩崩塌灾害等环境地质问题的发生。例如:1980年6月3日发生于宜昌远安盐池河磷矿的严重山崩，导致矿毁人亡、两百余人丧生的惨痛事件即与此密切相关;2009年—2011年宜昌磷矿樟村坪矿区第III矿段普遍出现地表开裂和引发新危岩的成生，导致采矿区上方的民房多处出现不均匀沉降与开裂变形而成为危房，并由此而引发采矿区一带水资源枯竭，当地居民生活用水匮乏，致使山上民房不得不搬迁重建，农田亦需重新整治，不仅对当地居民的生命与财产安全构成重大威胁，而且对矿山区的生态环境和正常工农业生产带来不良影响。

然而，矿产开发区环境地质问题发生最重要和最关键者乃是矿坑顶板以上冒落—张裂带的发生与发展，尤其是引发至地表的开裂和不均匀沉降变形的出现。由于顶板张裂带波及至地表，不仅可能引发危岩出现乃至崩塌灾害事件的发生，而且将导致矿山区水资源环境条件剧变，矿坑充水因素亦会因此而发生明显变化。

1988—1990年在完成部控“七五”重点突破项目《鄂西山区矿产开发环境地质评价预测》并在提交该项目成果报告后，深感对矿产开发山区地表开裂变形和崩塌灾害预测的重要性和紧迫性;特别是对已出现地表开裂与崩塌灾害的矿产开发区，研究和探索因地下矿产的开采引发地表开裂与崩塌变形的定量性预测计算模型，以改变以往主要为定性评价的模式更显其必要性和强烈责任感。本文也正是根据山区矿产开发产生的环境地质问题特点，并以宜昌磷矿和鄂西山区相类似矿产开发区出现地表开裂与崩塌的实际资料为依据，通过反复多次验算和论证，提出适宜于地形坡陡尤其是临空面广布的矿产开发区因地下采矿工程活动可能引发山体开裂变形的数学模型，籍以为采矿工程的合理布设和防灾、减灾措施提供借鉴依据。

1 影响采矿区地表开裂与塌陷发生的主要因素

如前所述，由于一些地下采矿工程的不合理开拓，从而破坏或改变了矿山区的应力自然平衡条件。在矿山应力调整过程中，由于地下采空面积的逐渐扩大，在采空区的负压作用下，矿坑顶板将首先沿原生和次生软弱或较软弱结构面(包括层面、裂隙或断裂结构面等)坍落，即所谓的顶板冒落带。对顶板岩层厚度较大且完整性较好者，则会形成一个相对稳定的自然拱;而对顶板岩石完整性较差者，则会形成不规则的坍落带;与此同时，又将会在顶板外侧受张应力影响区出现张裂隙，尤其是地表存在临空面一侧更是如此。据宜昌磷矿各开发区的调查资料，地表裂隙(缝)的宽度一般由数厘米至80余厘米不等，最宽者可达1～2 m。而且地表出现的裂缝倾向大都是与临空面倾向相反，显示为拉张变形的特征;但在采空区中部，则表现为沉降变形特点，伴随有塌陷(洞)发生(见图1)。然而，采矿区地表开裂与塌陷问题发生与发展仍受多种因素控制，主要为:

图1 矿坑顶板以上变形示意图Fig．1 Schematic diagram of deformation

(1)采矿区上方地形坡度越陡，尤其是陡崖广布的采矿区，顶板以上开裂与沉降变形带的影响高度越大，且变形发展的速度会加快;反之，影响带高度较小，变形速度亦变慢。

(2)岩(矿)层倾角越大，地表出现裂缝的可能性增大;反之，出现地表裂缝的可能性和裂缝规模相对会较小。

(3)顶板上覆地层岩石越具硬脆性和重度越大，开裂变形带的影响高度越大;反之，其变形带的高度亦相对较小。

(4)地下采矿巷道(掌子面或矿房)高度(采厚)和走向宽度越大，引发顶板以上开裂变形带的高度亦越大;反之则相对变小。

(5)顶板上覆地层岩石的抗拉强度越大，开裂变形带的影响高度越小;反之则增大。

(6)矿层埋深越大(开采深度越大)，变形发展到地表所需的时间越长，地表变形值亦越小甚至基本无影响;反之，则变形发展至地表的时间越短，地表变形值亦越大［1］。

此外，地表开裂乃至崩塌变形的规模和范围，除与上述各项因素紧密相关外，并与地下采空区大小、顶板管理方法、开采方法与工作面推进速度等密不可分。尤其是采空面积越大，地表变形范围与速度越大;反之则较小。

2 地表开裂与崩塌的形成机制

采矿区尤其是在崖壁广布的采矿区，地表开裂与崩塌变形大都是自然地质作用与地下采矿工程综合作用促成或引发所致。地质环境是变形破坏的条件，而地表开裂与崩塌变形则是综合作用的现象和结果。就鄂西山区矿产地而言，一方面由于大都地形峭峻、崖高坡陡，临空面发育，以致各采矿区卸荷裂隙(缝)普遍可见;另一方面，又由于断裂构造和节理裂隙发育的结果，为卸荷作用的盛行造就了有利的条件;兼以工业矿层上覆沉积盖层中的层间结构面较发育，从而为岩体的崩塌与开裂变形提供了有利的边界条件。

据自1980年以来出现地表开裂与崩塌变形的盐池河磷矿(崩塌物体积100万m3)、桃坪河磷矿区大寨包崩塌(体积30万 m3)、丁家河矿区东部矿段砦沟崩塌(体积20万m3)、殷家沟矿区西部和东部开裂与崩塌(体积分别为10万 m3和6万 m3)以及树崆坪磷矿崩塌(体积30万m3)和樟村坪磷矿区第III矿段开裂变形体(变形体积＞60万 m3)的调查研究，地表开裂与崩塌变形体在其发展过程中，基本都经历以下三个发展阶段:

(1)拉裂变形阶段:在地下采动作用下，矿山应力在调整过程中，首先沿区域构造裂隙和卸荷裂隙结构面追踪与逐渐拉张，并以水平位移变形为主，垂直位移不明显。此阶段一般历时一两个月或数月，甚至更长时间。这点取决于采动综合作用强度的大小。

(2)滑动扩容阶段:岩体沿裂隙结构面进一步拉张变形结果，变形体中的相对软弱结构面在采动作用和斜坡效应综合作用下(包括崩塌块石坠落裂缝中的尖劈和降雨入渗的润化与入渗水的张压作用等)，岩体自然平衡状态受到进一步破坏，抗剪强度被削弱，开裂与崩塌变形的二维或三维空间的边界条件逐渐完备，岩体的水平位移乃至垂直位移均有显现，但一般仍以水平位移为主，局部由于制约因素和所处部位的不同，仍可出现垂直位移;甚至在垂直位移过程中，一些原为张开裂缝会出现开度变小或呈现假闭合状，易使人误判为趋稳定。如盐池河磷矿在崩塌前十余天即是如此。此阶段往往伴随局部崩塌变频出现，其历时一般十余天至数月或更长时间。但若改变采动作用强度和作用方向，或者采取其他诸如削坡减载等措施，则也有使变形破坏体处于较长时间相对稳定状态者。如宜昌远安磷矿645中段上方的顺层滑移体，以及樟村坪磷矿III矿段的开裂变形体即是。

(3)崩塌破坏阶段:岩体崩塌变形边界条件逐渐完备，进入了累进性变形破坏阶段。在地下采动、卸荷和自重的综合作用下，岩体的滑动破坏力已达到甚至超过其抗剪切、剪断力的阀值，从而出现沿底部软弱或相对软弱带剪出，表现为滑动—座落—倾倒崩塌。此阶段常与降水的入渗，导致充填于裂缝中的充填物密实、尖劈和水压作用增强，从而加速了山体崩塌变形的发生与发展。在此阶段，地下采矿坑道顶板裂隙(缝)和坍塌变形亦更严重，并出现坑道支护结构被压弯、压断乃至顶板陷落;同时在坑道内往往还可听到因岩石移动、撕裂的摩擦声(如闷雷)。这是岩体在孕育剧烈变形过程中，由于岩体中应力的调整，使软弱结构面间的两侧岩石产生巨大摩擦所致;其甚者，此期间还会引起崩塌变形区附近的鸡、犬、鼠等敏感性较强的动物出现狂奔、不安宁状。所有这些都是山体剧烈变形破坏前夕的明显征兆。如前述的盐池河磷矿崩塌和桃坪河大寨包崩塌等在临崩前，上述征状均有显现①林肖荣、高星辉等，鄂西山区矿产开发环境地质评价预测，湖北省鄂西地质大队、第二地质大队，1991。。

3 地表开裂变形带与模型的建立

如前所述，由于矿产开发区的地表开裂变形的出现，不仅破坏或进一步破坏了岩体的完整性，导致原有危岩向更不稳定方向发展乃至崩塌致灾事件发生。而地表开裂带的影响高度与范围的大小，又与采矿区的地形地貌、矿层埋深、顶板上覆地层的物理力学性能、采矿坑道掌子面(或矿房)的高度与宽度，以及岩矿层倾角的大小和采矿方式、方法与采矿强度等密切关联。

近年来，对鄂西山区一些矿产开发区(主要是震旦纪海相沉积磷块岩和二叠纪煤矿区)进行矿山地质环境评估调查结果显示，坑道顶板以上开裂变形带高度(Ht)一般都在160～290 m之间，并以200 m左右为多见，亦即均较以往一些有关规范和教科书中提出的计算顶板冒落带和导水裂隙带最大高度的经验公式计算结果要大得多［2］。

通过对湖北宜昌盐池河磷矿崩塌及其他同类或相似矿产开发区出现地表开裂和崩塌灾害的发生与发展特点，以及变形的因果关系进行分析研究后，于1994年宜昌地质勘探大队林肖荣、肖春锦两人首次提出了因地下采矿工程活动引发山体开裂变形带高度(Ht)的定量性评价计算模型。当时提出的模型式为:

式中:K——安全系数，一般取2;η——顶板以上岩石完整程度有关系数，在2～4之间:岩石破碎者取大值，反之取小值;γ——顶板上覆地层平均重度(kN/m3);h——坑道采高(m);β——地层(矿层)平均倾角(°);α——采空区上方地形平均坡角(°);Rc——顶板上覆地层平均抗压强度(MPa)。

此后该计算式在对宜昌磷矿各矿区进行矿山地质环境与灾害地质预测评估中普遍运用，并为宜昌一些地质勘查单位在地质环境评估工作中引用。但通过近十余年实践，深感上述模型式仍欠全面，尤其是式中对顶板以上岩石的力学性能只考虑其抗压强度欠完善;同时在具正相关性的因子中，只考虑采矿高度而不考虑采矿坑道(掌子面)的宽度等亦觉不妥。故自2010年后，通过对近年来出现地表开裂与崩塌灾害事件的采矿区进一步调查研究，并引入与顶板以上地层岩石变形关系更直接的岩石强度脆性系数和抗拉强度参数，提出了改进的定量性评价模型式为:

式中:Ht——山体开裂变形带高度(m);K——顶板以上地层岩石的碎胀系数(在1．3～1．6之间:岩石硬脆、易碎裂者取大值;反之取小值);η——顶板以上岩层完整性系数(在1～3之间:岩体完整者取小值;反之取大值);γ——顶板上覆地层岩石平均重度(kN/m3);h——坑道掌子面采矿高度(m);b——掌子面(或矿房)沿走向宽度(m);B——顶板上覆地层岩石平均脆性系数(通过岩石抗压与抗拉强度指标计算确定);Rt——顶板上覆地层岩石抗拉强度(kPa);α——由坑口至掌子面垂直投影至地表点连线的仰角(°);β——地层(矿层)平均倾角(°)。

上式经对已发生地表开裂、崩塌变形灾害的多个矿产开发区验证，都说明是符合或基本符合实际的。以1980年6月3日发生的盐池河磷矿崩塌为例，其地质环境条件为:工业磷矿层赋存于震旦系下统陡山沱组下部，直接顶板为陡山沱组下段上亚段的厚层状白云岩，厚10～12 m;其上的陡山沱组中及上部为中厚夹薄层状白云岩，厚95 m左右;再上为震旦系上统灯影组厚层状白云岩，厚185 m;坑口标高520 m，山顶标高810 m(掌子面垂直投影至地表点)，相对高差290 m。其他参数为: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。代入上式计算结果为:Ht=351．6 m，即Ht大于坑道掌子面至山顶的高度(为290 m)。故盐池河崩塌事件的出现是必然的。再如樟村坪磷矿III矿段:该矿段磷矿上覆地层岩性与盐池河相同，但地形条件较盐池河要缓些。其地质环境条件为:磷矿直接顶板厚层状白云岩厚3．7 ～26．44 m，平均厚 15．0 m;其上的陡山沱组中及上部亦为中厚夹薄层状白云岩，厚74～103 m，平均厚90．0 m;再上为震旦系上统灯影组厚层状白云岩，厚48～62 m，平均厚50 m;坑口标高987 m，深部回采富矿掌子面投影至地表最高点标高1 220 m，相对高差为233 m。其他参数为: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。上述参数代入上式计算结果，Ht=218．5 m。虽Ht值略小于地下掌子面与地表投影点的相对高差(为233 m)，但Ht值上部端点已达到坡顶最高点以下14．5 m，亦即已波及至地表灯影组白云岩构成的岩体上部，从而使本来就处于临空状态的岩体出现地表开裂并形成体积约4 000 m3的不稳定的危岩体，且崖壁下缓坡地带多处出现地表开裂缝(分布标高1 150～1 200 m)，均显示矿坑顶板以上开裂变形带的高度在213 m以上。说明用上述公式估算因地下采矿工程活动的影响高度是符合或基本符合地形坡陡、临空面发育的矿产开发区实际的。

4 结语

位处峰峦叠嶂、崖谷广布的矿产开发区，地表开裂变形是引发其他环境地质问题发生与发展的最主要因素。由于它的发生与发展，不仅可导致危岩和崩塌灾害事件的发生，而且还必将引起矿山区水文与工程地质条件出现显著变化，从而使矿山区地质环境质量降低。因此，研究矿坑顶板以上裂隙和沉降变形带的分布特点与规律，进而预测裂隙带的高度，特别是评价其影响至地表的可能性，是矿山地质环境评估工作中最重要的一环。

本文是以鄂西山区的矿产开发区为例，提出因地下采矿工程活动引发矿坑(地下采场)顶板以上包括冒落带在内的裂隙带，尤其是张裂变形带高度的估算式。诚然，由于影响顶板以上开裂变形的因素繁多，在提出的计算式中，只考虑其主要和具制约意义的影响因素，肯定还会有不足、不完善之处，有待今后在实践中逐步完善和提高。

致谢:本文在编写与定稿过程中，得到宜昌地质勘探大队总工程师罗洪和副队长冉瑞生的具体指导和帮助，在此深表谢意!

［1］ 工程地质手册［M］.第四版.北京:中国建筑工业出版社，2009:567－569.

［2］ GB12719—91，矿区水文地质工程地质勘探规范［S］.