雷溪石膏矿地面沉陷特征及沉陷机理

李益陈，饶凌志，蔺 力（.成都理工大学，四川 成都 60000；.江西省地质矿产勘查开发局，江西 鹰潭 335000）

雷溪石膏矿地面沉陷特征及沉陷机理

李益陈1，饶凌志2，蔺 力1
（1.成都理工大学，四川 成都 610000；2.江西省地质矿产勘查开发局，江西 鹰潭 335000）

【摘 要】在对雷溪石膏矿沉陷区地面和采空区变形现象进行大量地质调查的基础上，结合开采概况和矿区地质环境，分析了地面和采空区变形破坏特征，总结得出该石膏矿区地面沉陷机理，是其内外因素综合作用的结果，为探究矿区地面沉陷的原因提供了理论依据。

【关键词】雷溪石膏矿；地面沉陷；采空区；沉陷机理

地面沉陷是一种地质灾害，其形成的原因是复杂多样的，地下采矿就是诱因之一，地下采矿导致地面沉陷的过程是一个复杂的系统性问题[1]。地下工程开挖必然引起岩层变形与移动，其变形速度、影响范围、发生与发展时间受众多因素的影响，诸如岩体物理力学性质、开挖深度、地质构造、水文地质条件以及开挖施工工序与工艺等都是影响岩层移动的重要因素[2]。雷溪石膏矿区自2010年开始出现地面沉陷现象，在矿区形成三个沉陷中心，并逐渐向外扩散，矿区地面一旦大规模沉陷，将对矿区及邻近居民的生命和财产安全造成威胁。

1　矿区地质环境与开采概况

雷溪石膏矿矿区位于罗河冲积阶地，地势平坦，阶地宽370～2500m，高出河床2.0～4.0m，阶地地面高程约43m。矿区南、东面为低缓坡丘陵地区，山体呈浑圆状，山体起伏小，山坡较平缓，天然坡角一般5～15°，谷底较开阔，山坡植被不发育。出露地层为第四系松散层和白垩系赣州组(K2g)粉砂质泥岩、砂砾岩、砂岩、粉砂岩，岩层走向300～310°，倾向北东，倾角15～20°，此层为富矿层。矿区地处于广丰—东乡深大断裂带的南侧，信江凹陷与武夷隆起的接壤部位，属盛源向斜西翼，矿区岩体发育两组节理裂隙：①组产状30～50°∠20～30°，可见裂宽1.50～3.0mm，延伸长0.50～1.0m；②组产状140～165°∠35～42°，裂宽1～3mm，砂泥质充填，往深部尖灭闭合，长度0.30～1.20m。

雷溪石膏矿矿床呈层状产出，产状40°∠8～20°，属于缓倾岩层，平均倾角15°。矿床沿走向长约1000m，矿体倾向延伸260m，矿体厚度最大2.12m，平均厚度1.63m，本矿区地质总储量为848 万t，平均品位56.48%。开采方法为长壁房柱法地下开采，开拓方式为斜井开拓，运输方式为轻轨矿车。主斜井由-21.5m，下掘到-50.18m，倾角约15°，斜长约155.1m。目前，此矿山已停止生产，采空区主要由三部分组成，采空总面积为0.86km2。石膏矿采空区内顶板标高：-20.15～-51.35m，底板标高：-23.15～-54.35m，采空区高2.1～4.lm，平均高度3m，采空顶板覆岩岩性为青灰色粉砂质泥岩，矿区平面分布图见图1。

2　沉陷区地面及采空区变形破坏特征

2.1地面变形破坏特征

雷溪石膏矿区自1999年开采，随着石膏矿开采进行，采空区逐渐形成，2010年开始出现地面沉陷变形，截至2013年9月，矿区共出现三处沉陷区，分别命名为C1、C2、C3。矿区地面沉陷使多处民用及公共建筑设施不同程度开裂，并造成乡村公路及桥梁等交通设施受到不同程度的破损。现以C1沉陷区为例，说明该矿区地面沉陷变形破坏特征。

2011年5月沉陷区第一期裂缝带基本形成，第一期裂缝带单条裂缝平均长度约12m，平均裂缝宽度约25cm，平均裂缝深度2m。一期裂缝带所包括的沉陷范围形成了(40×45)m2的近圆形区域，其最大沉陷深度为1.2m(见图2)。

图1　雷溪石膏矿沉陷区平面分布图

图2　第一期裂缝

2012年7月沉陷区第二期裂缝带基本形成，其单条裂缝平均长度约8m，平均裂缝宽度约20cm，裂缝平均深度1.4m。二期裂缝带所包括的沉陷范围形成了(70×100)m2的椭圆区域，其最大塌陷深度为0.8m(见图3)。

2013年12月第三期裂缝带基本形成，单条裂缝平均长度3m，裂缝平均宽度约16cm，裂缝平均深度0.7m。三期裂缝带所包括的地面沉陷范围为(90× 160)m2的椭圆形区域，椭圆长轴走向150°，长160m；短轴走向67°，最大沉陷深度为0.5m(见图4)。

C1沉陷区裂缝分布情况表明，裂缝带逐渐向外扩展，外围裂缝长度、深度与宽度都比靠近沉陷中心的裂缝带要小。其沉陷面积从2011年的1475m2扩大到2013年的11340m2，面积扩大约7.6倍。其沉陷范围以沉陷中心为基点向四周扩展，沿椭圆形沉陷区长轴方向及矿房展布方向扩展速度最快。

图3　第二期裂缝

图4　第三期裂缝

2.2采空区变形破坏特征

C1区地下采空区变形破坏情况较严重，主要表现为顶板弯曲、冒落与矿柱的变形，具体变形特征如下：

(1)矿房矿柱沿结构面剥落，剥落堆积物呈现碎块状，矿柱厚度变薄(见图5)。

图5　矿柱剥落

(2)矿房左侧矿柱下沉，但矿柱并未发生较大变形或剥落，矿柱下覆岩体强度较低，在矿柱及其上覆岩体共同作用下产生挤压变形，导致矿柱下陷。该侧下陷后，上覆岩体对右侧矿柱产生更大的弯矩，且右侧矿柱下覆基岩强度好于左侧，则出现了左侧下沉右侧弯曲的情况(见图6)。

图6　矿柱弯曲与下陷

(3)矿房左侧的矿柱发生较大程度的弯曲但结构仍较完整，右侧矿柱在与顶板接触的边缘部分受挤压破碎，并剥落碎块状块体形成堆积，顶板出现弯曲并向一侧倾斜。矿柱受压弯曲并沿剪切面错断，顶板受覆岩垂向压力弯曲，并由于两侧矿柱高度不同，向矿柱高度低的一侧倾斜(见图7)。

图7　矿柱、顶板弯曲

(4)矿房左侧矿柱变形较小，右侧矿柱严重下陷与底板相互挤压，形成挤压破坏的堆积体。受两侧矿柱高度差的影响，顶板发生严重倾斜(见图8)。

图8　顶板倾斜

(5)顶板岩层大面积冒落并呈碎裂化分布，崩落块石粒径约30～40cm(见图9)。

(6)顶板被两组交错的X型节理面切割，形成楔形结构，并由于层面近水平，层间结合力不足，导致顶板沿层面依次破坏(见图10)。

雷溪石膏矿区从2010年开始出现地面沉陷现象。迄今为止，采空区C1矿柱破坏最为严重，矿柱、顶板均出现冒落；C2沉陷区受地下水侵蚀，矿柱风化作用强烈，顶板倾斜破坏，甚至坍塌；C3采空区变形情况相对C1较弱，且C3沉陷区矿房、矿柱破坏程度较轻微。从地表变形与采空区变形破坏情况可以发现，矿柱与矿房变形破坏是地表沉陷变形的根本原因。

图9　顶板冒落、倾斜

图10　顶板沿X节理剥落

3　地面沉陷机理分析

地下采矿引起的地面沉陷成因归根结底是采空区的失稳，因此研究地面沉陷机理需重点分析采空区稳定性，对于房柱式开采的石膏矿房，其采空区稳定性分析最关键在于矿柱稳定性分析。矿柱与顶板作为一个应力与应变相互作用系统，在研究石膏矿采空区稳定性时，需将矿柱与顶板作为一个整体进行研究。

3.1矿柱失稳机制分析

3.1.1矿柱变形破坏模式

通过对雷溪石膏矿矿房矿柱变形破坏特征的分析，可以将石膏矿房矿柱变形破坏方式分为以下三种。

(1)沿软弱面剪切破坏。

石膏矿柱中存在节理、裂隙、层理、软弱夹层等软弱结构面，矿柱的整体性将受到影响。在上覆荷载及地下水的影响下，作用在这些软弱结构面上的剪切力大于该面上的抗剪强度时，矿柱就会沿着软弱面发生剪切破坏，随着时间推移，被剪切破坏的矿柱岩体沿着结构面剥落(见图11a)。

(2)压张破坏。

矿柱经过长时间风化剥蚀及上覆荷载的作用，矿柱的高宽比减小，矿柱沿水平方向将产生横向张力，当横向张力大于矿柱抗拉强度时，矿柱会发生拉张变形，出现严重的片帮现象(见图11b)。

(3)弯曲破坏。

矿柱受顶板及底板两端垂直荷载超过了矿柱抗压强度时，矿柱将向应力释放的一侧弯曲变形，并出现弯曲拉裂现象(见图11c)。

图11　矿柱变形破坏模式

3.1.2矿柱失稳机制

大量岩石力学试验结果表明，岩石受载时，应力与应变作用关系为：加载开始时，在应力作用下岩石中原本存在的微裂纹闭合，随着岩石所受载荷增加，岩石到达线弹性变形阶段，岩石变形超过其弹性极限时，岩石中微裂纹会迅速传播，直至岩石的应力达到其峰值强度。随着变形的增加岩石的抗变形能力不断减小，岩石开始表现出应变软化现象。随着矿体开采，采空区矿柱受开挖的影响，矿柱中部分岩体应力集中并超过岩体屈服极限，岩体状态由弹性转变为塑性，并形成松动区，并最终导致矿柱失稳。同时，在开采范围内顶板悬伸部分覆岩的荷载由两侧矿柱承担，因此矿柱间距与位置是否合理也影响了矿柱稳定性，矿柱间距不合理时，矿柱承受荷载过大失稳后将荷载转移集中到相邻矿柱，引发相邻矿柱相继失稳破坏。

雷溪石膏矿采空区矿柱破坏主要是由于长期受到上覆岩体的压应力及地下水侵蚀的共同作用产生蠕变，使得石膏矿柱内较为发育的节理裂隙进一步发展，从而形成了以软弱结构面为主控因素的破坏模式，并伴有矿柱的弯曲变形破坏。石膏矿柱内部岩体强度的降低是矿柱失稳破坏的主要因素，影响矿柱失稳破坏的因素主要有如下几方面：

(1)矿柱岩体的抗压强度和抗拉强度。

(2)矿柱所承受上覆岩体荷载大小。

(3)矿柱中的软弱结构面。

(4)矿柱的宽高比。矿柱宽度与高度比值越小，矿柱越易失稳。

(5)矿柱的留设间距。

3.2采空区顶板失稳机制分析

3.2.1顶板破坏模式

通过对雷溪石膏矿采空区顶板变形破坏特征的分析，可以将顶板的变形破坏模式主要分为以下三种类型：

(1)顶板拱形冒落。

根据“普氏地压学说”，采空区顶板岩块在自重作用下，会逐渐冒落，最终形成一定高度的免压拱以支撑上覆岩体自重，免压拱形成后，采空区顶板会趋于稳定(见图12a)。

(2)顶板楔形冒落。

矿房顶板岩体节理裂隙发育，部分顶板岩体被多条较大裂隙切割后形成楔形岩体，楔形体在自重作用下脱离母岩冒落。顶板被两组交错的X型节理面切割，形成楔形结构，并由于层面近水平，层间结合力不足，导致顶板沿层面依次破坏(见图12b)。

(3)顶板离层折断冒落。

采场顶板及其覆岩的移动特征是，矿层顶板处于受拉状态，当其拉伸变形超过岩石的允许抗拉强度时，直接顶板及其上部的部分岩层便与整体分开[3]。采空区上覆岩层为层状，如果岩体层间结合力小，单层连续性好，单层岩层厚度小，岩石强度低而顶板跨度较大，则在构造应力和岩体自重共同作用下，顶板岩层之间会分离，直接顶板产生弯曲变形，当弯曲变形超过岩层抗拉强度时，折断顶板形成碎块岩体向采空区冒落(见图12c)。

图12　顶板变形破坏模式

3.2.2顶板失稳机制

据雷溪石膏矿三个沉陷区采空区顶板变形特征及其顶板变形破坏模式，可以将采空区顶板失稳机制归为以下三类。

(1)应力集中导致顶板失稳。

矿体开挖前，围岩应力状态自然平衡。开挖后，自然平衡状态破坏，原岩应力状态发生变化，采空区围岩应力重新分布。随着工作面的不断推进，原岩应力分布状态不断改变而产生新的应力场，从而在矿房顶板中会出现应力集中。根据“普氏地压学说”，采空区形成后，在应力集中作用下，顶板免压拱形成范围内顶板岩体应力状态失去平衡，顶板岩层会出现下沉、弯曲现象。当拉应力增加到一定大小并超过顶板岩体极限抗拉强度时，顶板岩层出现拉张裂缝，随着时间推移，拉张裂缝会不断延伸扩大最终致使顶板冒落。

(2)“关键块体”导致顶板失稳。

在半坚硬和坚硬岩层中，各种结构软弱面将顶板岩体切割成镶嵌块体。矿体开挖前，这些镶嵌块体处在应力平衡状态。矿体开挖后，镶嵌块体暴露并失去了支撑，暴露出的镶嵌块体失去平衡，会沿着岩体中结构软弱面滑动、失稳。这些镶嵌块体即为“关键块体”。“关键块体”是保持采空区顶板稳定的关键组成部分，同时也是控制采场顶板稳定的薄弱部分。采空区顶板中存在的某个“关键块体”的冒落，会使相邻块体相继失稳并冒落，连锁反应下会导致采空区顶板块体的连续冒落，甚至致使采空区顶板整体失稳、冒落。

(3)地质构造软弱面导致顶板失稳。

石膏矿岩层在形成过程中随地质演化形成的地质构造软弱面，对顶板的稳定性影响很大，软弱面的存在破坏了顶板的完整性，并使岩性、顶板组合结构改变，顶板的强度降低，最后导致顶板冒落。当裂隙、节理等构造较发育时，顶板岩体受压后容易破碎，如果未支护，会频繁出现小规模冒顶，极端时会发生大面积顶板冒落。层理发育形成的软弱面，则会使顶板组合结构改变，顶板岩体沿层理产生离层裂隙，导致岩层和母岩分离，使顶板岩体强度降低从而发生离层冒落。并且当岩石抗压强度相同，有层理弱面的岩层厚度越小，顶板也越容易失稳。

4　结语

通过对地面变形破坏特征及采空区矿房顶板和矿柱失稳模式的分析，得出顶板和矿柱的失稳机制，矿区地面沉陷是内外因素综合作用的结果，为矿区地面沉陷原因提供了理论依据。

【参考文献】

[1]唐名富,周明芳,李赋屏,等.广西大新铅锌矿地面沉陷机理及预测[J].金属矿山,2009(2):151-153.

[2]赵静波,高谦,李莉.地下采动岩层移动预测理论分析与研究[J].矿冶工程,2004,24(3):1-4.

[3]黄乐亭.开采沉陷力学的研究与发展[J].煤炭科学技术,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

【中图分类号】TD327

【文献标识码】A

【文章编号】1007-9386(2015)06-0048-05