采空区变形特点与防治措施

冉建兵

((湖北省城市地质工程院,湖北 武汉 430072)

采空区变形特点与防治措施

冉建兵

((湖北省城市地质工程院,湖北 武汉 430072)

以湖北某矿山采空区变形恢复治理工程为例,分析了由采矿活动所引起的采空区变形而导致发生地面塌陷的问题及其主要特点,提出恢复治理对策。

采空区;变形;地面塌陷;恢复治理工程

在矿产资源的开采过程中必然要形成大小不同、形状各异的采空区。采空区是指地下矿产资源被采出后残留下来的空洞,按照矿产资源被开采的时间先后可将采空区划分为老采区、现采区和未来采区。

由于采空区上覆岩土体冒落或变形而在地表发生大面积变形破坏,并造成人员伤亡或财产损失的现象和过程,称为矿区地面变形地质灾害。如果地面变形呈现面状分布,则为地面塌陷[1]。地面塌陷威胁地面建筑物的安全、破坏耕地等,中国由于采矿引起的地面塌陷面积大,为1 150 km2,危害较大[2]。

本文针对湖北某矿山存在的采空区及其所引起的地面塌陷问题,以实现采矿区地质环境安全,保护矿山生态环境为目标,分别从采空区形成特点、地面塌陷成因、工程治理措施3个方面提出了采空区恢复治理方案。

1 矿区概况

1.1 自然地理

矿区位于湖北省阳新县,属亚热带气候,其特点是四季分明、季风交替明显、雨量充沛。年平均气温17 ℃;年均降雨量1 100～1 400 mm,最大年降雨量2 391.5 mm。矿区总的趋势是西北和中部高、南北低,中部及西北部为古生界与中生界碳酸盐岩地层组成的构造侵蚀中低山丘陵,南部及东部为寒武系白云岩和奥陶系大理岩组成之中低山;标高一般200～400 m,最高乌云山达490.20 m。山势陡峻,局部悬崖峭壁,侵蚀切割强烈。

矿山为地下开采矿山,选择单翼或双翼自上而下的后退式的开采顺序,采用浅孔留矿法进行回采。矿山类型为铜钼钨矿,设计生产能力为60 kt/a,矿区面积0.161 3 km2。

1.2 地质与构造

矿区位于黄姑山—犀牛山倒转背斜北翼,南受银山大断裂带、北受阳新侵入体的影响,测区内断层较为发育;矿床赋存于黄姑山—犀牛山倒转背斜北翼,奥陶系中、下统或与上统之间。出露地层有古生界寒武系中—上统1～3段,奥陶系下、中、上统,志留系高家边群1～2段,新生界第四系;区内主要有接触带构造和断裂构造。

1.3 水文地质与工程地质条件

矿区地下水主要补给来源为大气降水,其次为区域性补给。白云岩、大理岩分布区,基岩裸露,地表岩溶发育,易接受降水渗漏补给,但其地形陡峻冲沟发育,有利于地下水排泄,大量泉水出露(尤其雨季)以及矿化度低,说明含水层较浅部位,地下水活动交替强烈。

矿体顶、底板为大理岩、含碳质绢云母角岩、绢云母石英角岩、石英闪长岩等。其中大理岩岩石完整、块状、抗压强度1 185.25 kg/cm2。含碳质绢云母角岩,抗压强度2 376.91 kg/cm2,绢云母石英角岩,抗压强度为2 330.31 kg/cm2。局部底板为石英闪长岩,岩石坚硬、致密、抗压强度2 380.78 kg/cm2。而矿体的含钨矽卡岩,也是坚硬、致密、抗压强度1 826.23～3 088.77 kg/cm2。该数据表明,矿区各类岩石在未经构造破坏和强烈蚀变的情况下,稳固性较好,而局部构造破碎、岩溶发育,以及强烈风化蚀变地段,岩石松散易碎,稳固性较差。

2 采空区及地面塌陷特征

2.1 采空区分布现状

矿山目前回采-25 m中段,+10 m水平以上已经回采完毕,之前采用留矿法开采,+70 m中段、+40 m中段、+10 m中段以上均已形成大量采空区,由于后期水平底柱的回采,许多采空区上下相互连通,采空区高度过大。

对矿山+10 m,+40 m,+70 m中段采空区体积进行统计,+70 m有4个采空区,总体积91 812 m3;+40 m有7个采空区,总体积123 483.4 m3;+10 m有5个采空区,总体积67 182.5 m3,3个中段采空区总体积282 477.9 m3。

在现状条件下,采空区局部地段已发生地面塌陷2处,加之采空区面积大,上方为矿区生产设施堆放区,对矿山影响较大。

2.2 地面塌陷分布

2.2.1 地面塌陷分布现状

2处地面塌陷均分布在采空区范围内,其中,1#地面塌陷位于矿区北侧的荒山无人区域,塌陷面积较大,塌陷时间不详,塌陷范围最长处约63 m,最宽处约42 m,呈近似椭圆形,塌陷面积2 646 m2,最大塌陷深约3～4 m(图1);2#地面塌陷位于井口附近,最长约53 m,最宽约36 m,塌陷面积1 908 m2,最大塌陷深约1.5 m。2处塌陷区水平距离约240.0 m。

2.2.2 地面塌陷成因分析

矿区寒武系白云岩和奥陶系大理岩(主要为奥陶系下统大理岩(O1),以及少量奥陶系中统条带状大理岩(O2))大量分布,地表岩溶发育,见溶沟、溶蚀裂隙溶洞及落水洞,主要分布在矿区东部及东南部;据钻孔资料在矿区西部及西北部岩石及矿体裂隙不发育,且多被充填呈闭合型,亦未见岩溶现象,矿石岩芯多较完整。根据地层资料,在该区基岩上方覆盖较厚的粘土层,基本未见砂层,且含水层埋藏较浅,地下水在该区的潜蚀作用弱;根据采矿现状图,采空区位于其正下方,监测资料显示此段巷道局部也发生了变形。矿山开采过程中,山体开裂变形将使矿区地上地下通过裂缝、裂隙等将含水层、隔水层、采空区连成一个完整地下水文通道，部分地区受断裂作用，构造角砾岩大量分布,岩石破碎,岩溶发育，透水性强，为构造破碎带对地下水的重要补给通道和活动场所。初步判断,其塌陷成因为矿业开采活动使地下水向采空区集中,地下水的垂直或水平流动进一步带动松散粘土盖层向采空区移动,从而诱发地面塌陷。同时近地表的开采活动造成冒落,从而进一步诱发塌陷的发生。故判定其成因为采空引起冒落所致。

2.3 采空区及地面塌陷稳定性分析

根据分析,地面塌陷为采空引起冒落所致,同时,依据矿山工作人员的介绍,2处地面塌陷均有逐年扩大的趋势。在后期,随着采矿活动的加剧,采空区将会逐步扩大,采矿巷道不断向深部延伸,山体开裂变形使矿区水文地质条件改变。矿层以上的含水层、隔水层及矿坑本身将随着垂向裂隙、裂缝的贯通,连通成为一个完整的补、径、排水文通道。当井巷通过断层和节理裂隙密集处时,在爆破振动及裂隙、断层综合影响下,地面塌陷的范围将会有所扩大(图1)。

图1 地面塌陷剖面图Fig.1 Profile of ground collapse

3 治理措施

3.1 采空区治理措施选择

目前,采空区治理方案主要有切槽放顶法、切顶与矿柱崩落法、充填法及类框架结构支撑法等。经对各治理方法的分析并结合现场地形地貌情况,本矿山采用采空区充填法与地面变形区回填法进行治理。

3.2 采空区治理

采空区治理分为采空区充填和采空区封堵。

采空区充填:采空区回填方案设计处理+10～+70 m采空区,+10 m以上老采空区处理完成后,再进行下一中段的开采,+10 m中段以下采用充填法开采;充填方式为全尾砂胶结充填;充填材料以干砂作为充填材料;充填顺序为采空区充填,从+10 m中段开始,逐段向上充填,每个中段由北向南充填采空区;充填强度采用假顶、假底及接顶充填体强度>4 MPa,配比充填灰砂比1∶4;采场中部重要位置充填体强度>2 MPa,充填灰砂比1∶8,采场中部充填非重要充填体强度>1 MPa,充填灰砂比1∶12。并结合现场地形地貌情况,布置地面充填站等其他充填设备。

采空区封堵:充填每一个采空区时,首先必须要将采空区底部通道进行封堵。封堵工程要有一定强度,并同时安装滤水设施。对空间不大、空顶不高且封堵截面不大的采空区,封堵方法可采用红砖砌双墙,双墙间浇灌砼,墙厚度1 m,封堵墙断面与巷道断面一致,并预埋滤水管的方式进行封堵。对较大的采空区,且封堵断面较大时,可采用分次封堵方法,即先封堵一定高度,随即充填到封堵高度后暂停充填,再继续向上封堵,逐层向上分次充填。当封堵处的通道比较长时,可采用局部爆破放顶的方法,利用爆破散落的岩石自然封堵,局部用编织袋装沙土砌堵,此种方法最为简单。具体的封堵方法根据封堵点的现场条件确定。

根据表1,-0.074 mm粒级含量占64.30%,-0.038 mm粒级含量占41.64%。根据矿山常用的尾砂分类方法进行尾砂分类,此试验矿样的全尾砂为细粒级尾砂。针对细粒级的尾砂浓缩的特性,决定采用小直径的短柱长锥的旋流器组。保留一部分细粒的尾砂作为管道润滑用。根据图2知在初始浓度为31.2%,沉降速度开始快后来慢,最终5 h(300 min)的沉降浓度为58.9%。综合表1、图2,充填材料符合要求。充填管路布置见图3。

3.3 地面塌陷治理

地面塌陷采用塌陷回填及植被恢复工程相结合的方法进行治理。

塌陷回填需分层回填,要使土的相对密实度不低于85%。回填所需的土石方于附近山体进行取土,土质要求为粘土,土石比7∶3～8∶2。回填过程中,须分层(≤0.5 m)回填。本次回填工程首先采用块石+砂浆进行回填,再在其上回填粘土层,施工至地面0.3 m后回填种植土,以方便对回填后的地裂缝进行植被恢复;同时在回填至地表后,不应在地表形成凹槽状地形,以防回填区积水。

图3 充填管路布置图Fig.3 Arrangement plan of pipeline

植被恢复工程主要是回填后的地面塌陷区。设计乔木种植行距为5 m×5 m,灌木间距为1 m×1 m,乔木与灌木种植间隔为1.0 m。同时,由于塌陷区位于山坡,野生草类较为丰富,在进行乔木和灌木种植后,矿山可以根据现场的实际情况在乔木与灌木的空隙处进行植草。地面塌陷治理见图4。

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

4 结语

采空区变形是矿山开采过程中影响最为严重的地质灾害,但就以省内矿山为对象调查发现,对采空区基本未进行回填,一旦发生采空区变形的现象主要以变形区地表回填为主。笔者认为,这种治理方法治标不治本,不能全面和有效地处理采空区变形问题,不能有效地消除由于采空区变形而引发的地灾隐患。本矿山 经过治理后，采空区变形得到了明显的控制，通过监测，回填的采空区已趋于稳定，有效地控制了采空区变形引发的地面塌陷等地质环境问题，地表的安全隐患可基本消除。同时，美化了矿山环境，为后期的开采提供了安全的生产环境。经过分析，笔者认为,在矿山地下开采过程中,尽量采用边回采边充填的方法,从根本上减少采空区变形影响。在后期矿山地质环境恢复治理工程中,应加强对采空区治理措施的研究。

[1] 李铁峰.灾害地质学[M].北京:北京大学出版社,2012.

[2] 中国矿业学院.煤矿岩层与地表移动[M].北京:煤炭工业出版社,1981.

(责任编辑：陈文宝)

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,助理工程师,环境工程专业,从事矿山地质环境工作。E-mail:382362437@qq.com

TD325

A

1671-1211(2016)06-0955-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.06.029

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20161114.1450.002.html 数字出版日期:2016-11-14 14:50