广东矽卡岩型铁矿顶部岩溶形成、失稳塌陷机理分析及治理

方 平 何 涛

(五矿二十三冶建设集团)

广东矽卡岩型铁矿顶部岩溶形成、失稳塌陷机理分析及治理

方 平 何 涛

(五矿二十三冶建设集团)

依据岩溶相关理论及探测技术，结合实际地质钻探，建立矽卡岩型岩溶地质模型，通过数值计算软件FLAC3D，分析降雨渗透、地下水抽排、地表静载荷对岩溶稳定性的影响及岩溶失稳塌陷机理，并提出岩溶治理措施。

岩溶地质模型 数值计算 失稳塌陷机理 治理措施

目前采用的一些定性、定量方法分析矽卡岩型铁矿岩溶地质形态是一个极其复杂的问题[1]。岩溶一般在地下深部碳酸岩系中发育，目前只能通过物探技术获取粗略的岩溶分布情况，精确的岩溶分布则需要通过钻孔探测获取，但钻探成本较高。本文通过物探及钻探技术相结合，了解特定矿区岩溶空隙在地下的分布规律及其与岩溶塌陷的关系，为此类岩溶防治提供理论依据。

1 矽卡岩型铁矿岩溶地质特征

广东怀集藤铁铁矿矿体顶板为白云质大理岩、花岗岩、矽卡岩，底板为矽卡岩、花岗岩，且浅层溶洞发育，上覆的第四系松散层厚度较薄，其分布如图1所示。

铁矿含水层主要有松散岩类孔隙水、碳酸岩类裂隙岩溶水、层状岩类裂隙水、块状岩类裂隙水4层，影响矿体开采的含水层主要是松散岩类孔隙水和碳酸岩类裂隙岩溶水。通过高密度电法勘探技术、水文地质钻探及抽水试验、水文地质及工程地质编录、水文地质孔观测数据及气象等水文地质工作，得出以下结论：①估算矿床岩溶裂隙水的静储量为39万m3，矿床岩溶的供水源为滕铁埂溪，水流量为3 m3/s；②矿床岩溶分为2层发育，属于多层岩溶发育地质概化模型，第1层岩溶主要由串珠型小岩溶组成，第2层岩溶由直径30 m的岩溶构成，两层岩溶通过特殊管道连通，地质构造如图1，图2所示;③第一层岩溶范围为地表下10～30 m,第二层岩溶主要为含水岩溶，其范围为地表下40～70 m，其探水钻孔出水流量为50～60 m3/h，第二层单个岩溶含水量约14 137 m3。

图1 腾铁铁矿Ⅱ矿体岩溶分布示意

图2 地表补充水文地质钻孔岩芯试样

2 矽卡岩型铁矿岩溶塌陷机理

(1)碳酸岩类岩溶水与松散岩类空隙含水层的水力梯度差是造成岩溶塌陷的主要原因之一[2-4]。两含水层间的水位差导致水流垂直向下运动，由于第四系松散含水层的内聚力较小，孔隙水由特殊管道向下运动，地下水在运动中产生潜蚀掏空作用，使岩溶顶板岩层不断脆化，直至上覆岩层塌陷。

岩溶的稳定系数

K=(σntanφ+C)/r(q+rt) ,

(1)

式中,σn为正应力；r为岩溶半径；φ为内摩擦角；rt为土体容重；q为岩溶上载荷。

当K<1时，岩溶失稳塌陷；K>1时，岩溶保持稳定状态。

(2)地下水天然流场受到降雨的影响，地表水系经特殊管道直接补给地下岩溶水，从而影响地下水水位幅度、水流速、水力梯度等[5-6]。矿区地表最大径流量在雨季5～6月份，最小流量在1月份，其水位变化幅度约1.52 m,暴雨后径流量大幅增大,地下水位同样大幅增长。

综上所述华南地区频繁的降水及矿区不合理的抽排水、矿石堆放是造成矿区岩溶塌陷的直接原因。

3 岩溶塌陷机理的数值模拟

数值计算模型z方向长度80 m,x方向长度 120 m，y方向长度10 m,采用理想弹塑性模型本构关系,选用Mohr-Coulomb屈服准则判断岩体的破坏。模型上边界施加均布载荷3.75 MPa，模拟岩溶上方堆放的铁矿石，其中第一层3个岩溶直径8 m,第二层最大岩溶直径30 m,岩层厚度及力学参数如表1所示。

表1 数值计算岩层分布和物理力学参数

按堆放铁矿石均布荷载(3.75 MPa)施加在岩溶上，得到的垂向应力分布、塑性区如图3(a)、图3(c)所示。从图中可见，应力主要集中分布在小岩溶的顶底板，最大岩溶的顶板处，而且运算过程拉应力主要分布地表第四系土层中小岩溶顶底板及大岩溶顶板处。数值计算结果表明，自然情况下大岩溶、小岩溶均处于稳定状态，没有发生小岩溶塌陷现象，张裂的分布范围也很窄，岩溶上方静载荷并不是岩溶塌陷的决定性因素。

分析地下水抽排致使岩溶塌陷的影响。从图3(b)，图3(d)可以得出岩溶中应力集中在大岩溶的两侧，最大值达3.5 MPa，显然比静力载荷状态下大，抽水带来的渗透力造成大岩溶顶板处拉应力集中，而且大岩溶开始变形塌陷，两旁小岩溶向中心偏移，决定了岩溶塌坑的最终形状，即在地表形成漏斗形塌陷区。

从计算结果可知，岩溶区域地下水位受迫下降，地表失稳现象是岩溶塌陷的最主要原因，从矿区井下抽水造成地表14#矿房区域塌陷可以得到证实。

图3 岩溶的力学状态

4 岩溶治理措施

前期工作证明岩溶水与第四系含水层的水力梯度差是岩溶塌陷的主要原因之一，而且第四系地下水通过第一层串珠式岩溶补给第二层大岩溶。为此，提出以下针对性治理措施：

(1)采矿前，对靠近矿体的滕铁埂溪进行改道，以断绝地表水系对第四系地下水的补给，间接阻碍岩溶水的补给。

(2)确定大岩溶的中心位置，并以此为中心确定三个注浆孔。第一层岩溶多为充填或半充填，采用化学灌浆法处理，可有效防止钻孔桩施工时泥浆流失、流砂及坍孔现象。处理后封闭了第四系水系与岩溶水沟通的渠道，岩溶土体强度不小于原地层强度。

(3)前期化学灌浆法可保证成孔及水下水泥混凝土浇注等工序顺利完成，水泥砂浆(可用尾砂代替)充填大岩溶，稳固采矿顶板，消除岩溶威胁。

5 结 论

(1)依据高密度电法勘探技术及钻孔技术，确定矽卡岩型岩溶地质概化模型，矽卡岩型岩溶一般属于多层岩溶范畴。

(2)分析了产生岩溶塌陷的基本条件和诱发原因为:岩溶发育、一定厚度的松散堆积层、地质条件脆弱断层破碎带、地下水位下降和人类采矿活动。

(3)岩溶塌陷的形成是深浅部隐伏岩溶连通效应、机械潜蚀效应和降水入渗效应、地下水抽排综合作用的结果。

(4)提出岩溶塌陷的主要防治措施：隔断地表补给水源，化学灌浆法阻隔第四系水系的补给、水泥砂浆充填大岩溶。

[1] 程 星.岩溶塌陷机理及其预测与评价研究[M].北京：地质出版社，2006.

[2] 贾淑霞,马霄汉.武汉市区岩溶地面塌陷成因机理与预测研究[J].中国地质灾害与防治学报,1994(S1):103-108.

[3] 欧阳振华,蔡美峰,李长洪.地表塌陷中隐伏土洞的形成与扩展机理研究[J].金属矿山,2006(6):16-18，52.

[4] 贺可强,王 滨,万继涛.枣庄岩溶塌陷形成机理与致塌模型的研究[J].岩土力学,2002(5):564-569，574.

[5] 王泽群.新桥硫铁矿岩溶塌陷成因及防治措施探讨[J].金属矿山,2001(6):47-49.

[6] 梁国印,何 游.贵州省德江县大顶上岩溶塌陷成因及防治措施[J].贵州大学学报：自然科学版,2012(2):67-71，86.

2014-07-24)

方 平(1963—)，总工程师，410000 湖南省长沙市劳动东路289号。