江苏省邳州石膏矿区采空地面塌陷发育特征与防治对策研究

周 丹, 景佳俊,邢 雪

(1.江苏省地质矿产局第五地质大队，徐州 221004; 2.河海大学，南京 210098)

0 引言

江苏省邳州石膏矿区是华东最大的石膏矿产地之一，开采历史已有30多年，由于以往开采技术落后，技术管理水平低，大量开采石膏资源，虽然带来了经济效益，但留下了严重的采空地面塌陷隐患。自2005年3月发生第一起地面塌陷以来，邳州石膏矿区连续多年发生地面塌陷灾害，且频率不断加快，规模不断扩大，造成矿井报废、土地损毁等严重后果。2012年4月15日，第一石膏集团公司平台矿主井生产区发生大面积地面塌陷，对矿区人民的生命及财产安全造成了较大威胁，引起了各级政府及相关主管部门的高度重视。因此，研究邳州石膏矿区采空地面塌陷特征及防治对策具有十分重要的意义。

目前，国内许多学者对石膏矿区采空地面塌陷机理开展了大量研究，并取得了一定成果[1-6]。邹洋等[1]将石膏矿上覆岩层的自然冒落作为一个逐级发展的过程来处理，根据普氏平衡拱理论对各级拱形做出两点假设，即冒落拱顶部弧线为抛物线，矿柱按θ角剥落。贺桂成等[2]利用FLAC(3D)对湖南衡山县石膏矿闭坑前后采空区引发的地面塌陷机理进行了模拟，估算了塌陷区影响范围到采空区边界的距离，分析了石膏矿开采矿房与矿柱的合理采场结构参数。闫世民等[3]在分析邳州石膏矿地面塌陷机理的基础上，建立了邳州石膏矿区采空地面塌陷易发性模糊评判模型，对矿区进行了易发性分区。刘星辉等[5]针对湖南邵东石膏矿区采空区情况提出了相应防治对策。陈乐求等[6]对石膏矿采空区充填加固技术进行了试验性研究，确定了充填物的最佳配方。

以往研究工作主要针对石膏矿的开采方式，注重岩层移动及应力分析等塌陷发生机理及影响采空地面塌陷地质因素的研究。然而，在石膏矿地面塌陷防治对策研究中，由于区域性较强，防治方法不能通用。本文通过对邳州石膏矿区的地质背景、已塌陷区的形状和发展过程等因素进行调查分析，阐述了邳州石膏矿区采空地面塌陷发育特征。同时，结合矿区地表建筑物重要程度及矿山下一步开采规划，提出了适宜邳州石膏矿区的防治对策。

1 区域地质概况

1.1 矿区地质背景

邳州石膏矿区位于华北地台鲁西南断隆带南缘的东端，区域主要断裂构造形迹以EW向为主，有蒋单楼—河口—四户断裂和四户南断裂，这2条断裂是形成四户凹陷(盆地)的主要断裂构造，构成了盆地的北、南边缘。盆地内部主要发育有NNE向和SEE向正断层，常造成地层及膏层的抬升或下降。整个矿区断层受区域构造影响，总体呈近EW向或EW向展布，NE向或近SN向断层晚于EW向断层，并错动EW向断层。区域上分布的主要地层有新元古界青白口系土门群和震旦系(缺金山寨组)、中生界白垩系青山组和王氏组、新生界古近系大汶口组及第四系。矿区地质简图见图1。

1.太古宇泰山群; 2.青白口系土门群; 3.震旦系九顶山组; 4.震旦系赵圩组; 5.震旦系倪园组; 6.震旦系城山组; 7.下白垩统青山组; 8.古近系始新统大汶口组下段; 9.古近系始新统大汶口组上段; 10.地质界线; 11.断层及编号； 12.开采矿层露头线; 13.矿区范围

1.2 矿区地层特征

研究区地层以新生界古近系及第四系为主。古近系大汶口组分布在断陷盆地内，以湖相含盐碎屑岩沉积为主，不整合于白垩系之上，是区内石膏赋存的主要层位。大汶口组地层走向为NWW—EW，倾向为NE—N，呈单斜层状分布，倾角一般为6°～10°，受构造影响局部为12°～15°(图1)。根据岩性、岩相及化石组合特征，将大汶口组划分为上、下2段。

(1)大汶口组下段(E2-3dw1)。上部岩性以棕褐色、砖红色泥岩和砂质泥岩为主，夹有灰色和灰褐色砂岩，呈互层状交替分布； 中部岩性主要为紫褐色、灰色和灰黑色，局部为灰褐色泥岩和灰白色膏层，呈互层状产出，为含矿层位； 下部岩性主要为紫褐色和红褐色粉细砂岩、泥质砂岩以及紫褐色泥岩，呈互层状产出，具波状、交错状层理，局部含星散状膏粒和微薄层纤膏。

(2)大汶口组上段(E2-3dw2)。顶部遭受剥蚀； 上部主要以灰褐、灰黄和棕黄色块状砂质泥岩、夹泥岩和砂岩为主，含较多钙质结核，局部泥岩发育小型波状层理与交错层理； 下部以红棕色砂质泥岩为主，夹多层暗棕色泥岩、棕红色粉砂岩及青灰、灰紫色细—粗砂岩与砾岩。

矿区第四系广泛分布，厚度32～86 m，总体由NW向SE渐厚，岩性主要为粉质黏土、砂质粉质黏土、黏土、含砾黏土、粉砂层、细砂层、中粗砂和砾石层，第四系含砂层一般为1～4层。

1.3 石膏矿层特征

石膏矿层位于大汶口组下段(E2-3dw1)，石膏矿层呈互层状产出，其膏层上部一般有数米含膏泥岩，可作为本区找矿的标志层。该层中石膏矿层根据其分布特征，可分为3个含膏岩带(层)，自下而上编号为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。Ⅰ膏带分布在该层下部，埋深95.18～454.71 m，由于埋深较大，以往详查工作对该膏带均未作控制，膏层厚度约3.16 m； Ⅱ膏带分布在该层中上部，矿区内稀疏钻孔控制，埋深155.37～426.96 m，其中Ⅱ-1膏层厚度为1.73～2.39 m，Ⅱ-2膏层厚度为1.29～8.72 m； Ⅲ膏带分布在该层上部，矿区内钻孔控制较好，其顶板埋深46.79～449.26 m，是整个矿区的开采矿层，膏层厚度为1.15～34.05 m。

2 采空区概况

2.1 矿区石膏矿开采历史及现状

江苏省邳州石膏矿区是我国石膏的重要产地，已探明石膏资源储量为44亿t，居华东地区之首，占全国总储量的9%。1982年10月25日，矿区第一口矿井破土兴建，1984年建成投产，矿井设计生产能力为20万t/a。至2007年初，先后建成了17家石膏矿山，24口生产矿井，另有在建矿井7口，拟建矿井10口，总设计生产能力750万t。

邳州石膏矿区面积为47.40 km2，矿床埋藏深度为50～450 m，采用地下开采方式。整个矿区全部采用竖井开拓和脉内开拓采准方式，房柱式开采与顶板管理，空场法采矿，提升上山(或提升下山)划分开采区。设计每隔200～400 m布置一条提升上山(提升下山)形成采区，在提升上山(提升下山)中每隔50 m左右开掘甩车道和区段平巷划分盘区，在两条提升上山(提升下山)中间布置回风上山(回风下山)。主巷道采宽与采高为5 m×5 m，运输巷道采宽与采高为5 m×6 m，矿房采宽与采高8 m×(8～10) m。

2.2 采空区发育分布特征

邳州石膏矿区经过30多年开采，现已形成11.11 km2的地下采空区，根据采空区形成的时间及分布空间，大致以矿区矿山实施开采监理活动开始日期(2009年)为界，将实施矿山开采监理前形成的采空区划称为老采空区，实施矿山开采监理后形成的采空区称为近期采空区。另外,矿山进行主要水平运输大巷及上下山准备巷道掘进，对个别矿房进行试采，因此，把巷道掘进后形成的区域划为巷道开拓区。采空区分布情况见图2。

图2 邳州石膏矿区采空区分布

2.2.1 老采空区

老采空区形成于矿山监理工作开展以前，主要分布于邳州石膏矿区西北部第一石膏集团与第二石膏集团早期开采区内，及第三石膏集团北部少量早期开采区内，其水平投影面积约3.73 km2，埋深50～230 m。由于历史原因，当时同一矿井开采主体多，矿主更替频繁，短时间内经过多次转手，新矿主接手后只关注短期效益，加上矿山开采管理技术落后，不按设计要求随意开采现象普遍，形成的采空区规格严重偏离房柱法开采规范要求，矿房超宽超限开采普遍，超宽比最大可达200%。矿山开采未留设村庄保护矿柱、动采断层保护矿柱、露头淋失带保护矿柱和矿段间保护矿柱等，严重降低了采空区的整体稳定性。老采空区开采记录图纸不全，且图纸记录情况往往与采空区实际状况不吻合，采空区大多已封堵，或无通风、无照明，人员已经无法进入，采空区的稳定性无法进行直接观测及判断。

2.2.2 近期采空区

近期采空区主要位于老采空区周围，其水平投影面积约3.65 km2，埋深100～380 m。矿山开采监理工作的实施使矿山开采相对规范，无明显越界、越层开采现象，与老采空区相比，巷道断面、矿房、矿柱尺寸较规范。但开采过程中对新揭露的小断层重视程度不够，不能及时采取必要的治理加固措施，或进行避让，常引发点状地面塌陷。同时，存在对老采空区多点小范围复采现象，且区域较隐蔽。另外，对完整性较差的采空区顶板保护工作不力，形成了新的地面塌陷隐患点。

2.2.3 巷道开拓区

巷道开拓区主要位于矿区东部第三石膏集团新建设矿井及中西部老矿井深部计划开采区内，巷道开拓区水平投影面积约3.73 km2。区内主要进行主运输巷道和上下山准备巷道掘进，暂未进行矿房开采。巷道掘进过程中无明显越界、越层现象，但巷道尺寸普遍存在超宽、超高现象。

3 采空地面塌陷类型

野外调查发现，邳州石膏矿区环境地质条件复杂，人类工程活动较强烈，采空地面塌陷发育，截至2015年5月，邳州石膏矿区共发生15处地面塌陷。根据国内类似矿山塌陷机理研究[7-8]，按地面塌陷规模、形态及地面变形强度，将本矿区地面塌陷分为面状地面变形、波状地面塌陷、点状地面塌陷和地面塌陷隐患点4类地面塌陷。矿区内已发生的塌陷大多数为点状塌陷，个别为大面积的波状塌陷，此外，多数矿井的局部矿房或巷道还存在许多地面塌陷隐患点(图2)。地面塌陷类型地质模型示意图见图3。

(a) 面状地面变形 (b) 点状地面塌陷

(c) 波状地面塌陷 (d) 地面塌陷隐患点

3.1 面状地面变形

矿区内面状地面变形主要指在采空区顶板岩层变形及矿井长期降水影响下，在采区上方及周边邻近地带一定范围内的地面发生的沉降变形[9]。面状地面变形会导致较大范围的地面建筑物及其他地面设施变形、开裂和倒塌。

区内所有生产矿井开采后形成的采空区上方地表均已产生不同程度的面状地面变形，目测面状地面变形区地形总体平坦，无明显倾斜或起伏，但地面建筑物墙壁及地坪普遍发生开裂变形。根据灾害地质调查结果，目前遭受面状地面变形危害的建筑物主要分布于董家、青墩村、赵家等15个自然村，受损房屋结构主要为砖混结构，高度1～2层，主要损坏形式为房屋自然间墙壁裂缝，局部地段见地坪裂缝。墙壁裂缝类型有近竖直的贯通缝和斜裂缝，局部可见倒八字缝、八字缝及水平裂缝，缝宽1～150 mm，以3～30 mm为主。区内建筑物遭受面状地面变形损坏情况详见表1。

表1 建筑物受损情况一览表

3.2 波状地面塌陷

波状地面塌陷主要是指房柱法开采区域因矿柱被连锁压溃、倒塌或滑移而导致采空区上覆岩土体发生切冒、塌陷或下沉，但矿房、巷道等采空部位地面下沉幅度明显大于矿柱分布区域的下沉幅度，从而在地面形成波状起伏的地面塌陷现象(图4)。波状地面塌陷盆地面积较大，波峰部位对应井下矿柱位置，波谷部位对应井下矿房及巷道位置，盆地形态特征明显，但地面变形不充分，因此倾斜、曲率和水平变形很大，局部地段伴生地裂缝，对地面土地资源、建筑及其他设施的危害程度大。

图4 平台矿塌陷现状(W-N向摄于2015年4月)

波状地面塌陷盆地主要位于平台石膏矿主井工业广场区及周围，已与相邻山东省石膏矿塌陷区相连，平面形态不规则，占地面积约305 000 m2，塌陷区地面呈波状起伏，波峰与波谷间相对高差3～10 m，局部地段积水，边缘区未见地裂缝。波状地面塌陷盆地可导致道路下沉、农田塌陷、井筒变形及地面围墙倒塌，危害严重。

3.3 点状地面塌陷

点状地面塌陷是指由于巷道、矿房等局部地段顶板冒落成洞，并持续向上发展，最终到达地面，在地表形成近圆形塌陷坑的地面塌陷现象(图5)。点状地面塌陷可叠加在面状地面变形或波状地面塌陷盆地之上。

图5 希州矿塌陷(TX5)现状(SW-NE向摄于2015年4月)

邳州石膏矿区点状地面塌陷规模一般较小，其井下洞口规模受单个矿房或巷道规模控制，洞径一般不大于矿房或巷道宽度。地面塌陷坑面积受第四系土层结构及含水层发育程度控制，单一黏性土结构土层及砂层较薄的土层区域的地面塌陷坑面积为58～160 m2，砂层厚度大的区域地面塌陷坑面积可达22 116 m2。点状地面塌陷均具有“自稳”现象，即区内所有点状地面塌陷在发展到地表以后，均因塌落洞被黏性土堵塞而停止发育，暂时处于相对稳定状态。

区内目前已经发生点状地面塌陷14处，主要分布于矿区西部的平台石膏矿和希州石膏矿及矿区南部的富达石膏矿、云坛石膏矿和淮海石膏矿井区范围内。点状地面塌陷在井下主要表现为，矿房或巷道顶板及上覆岩土体中形成冒落洞，洞径与矿房或巷道宽度相近，在地面主要形成近圆形塌陷坑，坑径9～186 m，面积58～22 116 m2。井下冒落洞初始与地面塌陷坑相互贯通，最后被弱渗透性的黏性土塌落体充填，地面塌陷坑最终自稳后，坑底距地表1.5～10 m。

3.4 地面塌陷隐患点

地面塌陷隐患点是各类采空区局部地段因围岩风化弱化或不规范开采导致的顶板下陷开裂、冒顶、片帮、底鼓及涌水涌泥等异常地点。这类异常地点若不及时进行加固治理，围岩的弱化变形将持续发展，使弱化范围不断扩大，引发更大范围的围岩变形破坏，最终引发地面塌陷。根据隐患点发展为地面塌陷的可能性大小，将隐患点分为临界隐患点和一般隐患点。临界隐患点围岩变形强烈，采空区顶板已经形成冒落洞并持续向上发展，稳定性很差，随时都有可能贯通地表形成地面塌陷； 一般隐患点围岩变形处于暂时相对稳定状态，但随着时间的推移，再次失稳并转化为临界隐患点的可能性很大。

根据收集到的邳州石膏矿区矿山开采监理资料及邳州市各年度地质灾害防治方案，初步筛选41处地面塌陷隐患点或隐患区，这些隐患点或隐患区目前发生了顶板冒落、片帮、涌水涌泥、渗水、削帮起底及围岩破碎等异常现象，容易转化为临界地面塌陷状态，大多数隐患点容易发展为点状塌陷。

不规范开采是引发邳州石膏矿区地面塌陷的主要原因，不规范开采主要表现为因越界开采而削弱保护矿柱，因超标高开采而导致护顶层削弱或缺失，因超大断面巷道而导致覆岩稳定性变差。采空区因预留矿柱规格、间距达不到支撑要求或顶板防护厚度达不到安全厚度而导致原岩应力平衡遭到破坏，局部围岩已发生变形、位移、开裂及冒落，甚至产生大面积岩移破坏。大面积不规范采空区可造成区域性的面状地面变形，进而发展为点状塌陷或波状塌陷，或直接发展为波状塌陷，小面积不规范采空区可演变为点状塌陷。

区内各类地面塌陷隐患点及点状塌陷周围围岩均有一定程度地破碎和变形，有些已经沟通地下水含水层，在风化作用及地下水的联合作用下，隐患点或塌陷点围岩强度及完整性将持续恶化，稳定性逐渐变差，一般隐患点向临界隐患点转化，进而演化为点状地面塌陷，最终点状塌陷向波状塌陷演变。

4 防治方法

邳州石膏矿区采空地面塌陷多表现为突发性，这种突发性对矿区上方的生产建设活动产生巨大危害，威胁生命财产安全。根据邳州石膏矿区采空区现状，建议地面塌陷灾害防治主要采取地面塌陷防治监测预警、搬迁避让与采空地面塌陷工程治理等措施。

4.1 地面塌陷防治监测预警

邳州石膏矿区地面塌陷监测预警体系由群测群防、应急反应系统及专业监测系统组成。其中群测群防由地方县级政府、矿区内相关镇政府(石膏集团公司)、村(矿井)三级监测网络及监测点构成； 应急反应系统由地方政府领导各相关部门及单位参与，政府及各单位需按要求编制专项应急方案并落实各项地质灾害应急制度； 专业监测系统主要监测地面塌陷灾害形态要素、影响因素(包括地表水、地下水及人类活动情况)、地面工程设施以及土地破坏情况，监测方法以专业仪器监测为主，辅以测绳、卷尺等简易监测，配合人工巡查观察，建立矿区地面塌陷监测网络，专业监测网络系统可利用国内外先进的监测技术与方法，如： 分布式光纤地面变形监测技术[10]、合成孔径干涉雷达(区域INSAR监测)监测技术[11-12]及地下水位自动监测技术等。

4.2 搬迁避让

搬迁避让措施包含3方面： 一是地面建设规划控制，新建工程将建设场地选在无地面塌陷危害的区域，避开采空区，避免地面塌陷的危害； 二是搬迁异地重建，对受采空地面塌陷威胁的村庄、学校等人群聚集区进行搬迁，选择异地重建，从而规避地面塌陷威胁； 三是土地类型转换，将隐患点较多和极易发生地面塌陷的部分重点防治区的土地类型进行转换，进行隔离管制，减少人类活动。

4.3 采空地面塌陷工程治理

根据邳州石膏矿区地面塌陷现状，结合各类型采空区分布情况，进行地面塌陷防治。矿区地面塌陷治理工程措施主要有：

(1)充填加固。对采空塌陷隐患点及重要建筑物下采空区的治理，可采用充填治理，降低地面塌陷发生的可能性，保障地面建构筑物安全，同时也保障井下矿山开采施工的安全。根据充填物，采空区充填工程可分为采空区干式充填加固工程、注浆充填加固工程和新材料注浆充填胶结加固工程。该方法在湖南省邵东石膏矿区采空区治理过程中应用较广泛[13]，技术较成熟。

(2)封闭隔断。对老采空区及已发生点状地面塌陷或有隐患点的矿井，为防止采空区顶板冒落面积进一步发展扩大，保护地面与井下人员生命财产安全，在井下塌陷点巷道砌筑封闭墙，隔断塌陷点与其他巷道之间的联系。该治理方法应保证矿井局部下井条件，并且人员及材料能到达塌陷点，该方法已在邳州石膏矿区以往塌陷点治理过程中实施，技术可行。

(3)封闭回填。对存在大面积老采空区且确定关闭的矿井，实施封闭回填处理，在井底马头门处适当位置砌筑封堵墙，充填混凝土、矿渣和碎石等，并在第四系淋水段充填低渗透性黏土，封堵井筒淋水，矿井封堵完毕后，设置永久性标识牌。

(4)巷道支护。为保证矿山生产安全及巷道顶板稳定，防止巷道内顶板冒落引发地面塌陷，对巷道开拓区超尺寸掘进巷道采用加强支护。其加强支护方法较多，如锚杆支护、锚网支护、锚网喷联合支护、砖石(混凝土)砌碹支护及工字钢和U型钢金属棚式支护[13]等。根据超尺寸巷道情况和施工难易程度，选用不同的施工工艺及方法。

(5)房屋修缮。对新采空区上方及影响区内地面受损的建筑进行修缮，受损建筑主要为砖瓦结构的单层房屋，整体性差，抗变形能力弱，修复方法应与其损坏程度相适应。当房屋自然间砖墙上出现宽度小于10 mm的裂缝时，可先采用纯水泥浆对裂缝进行充填胶结，然后再对墙面进行粉刷； 当房屋自然间砖墙上出现宽度大于10 mm的裂缝时，根据损毁程度，先在垂直裂缝墙壁的相邻墙壁上使用钢筋拉丝配合角钢或钢垫片穿墙紧固，再用纯水泥浆对裂缝进行充填胶结。

(6)复垦利用。根据已发生的塌陷坑面积大小、深度、积水情况及周围地貌环境等，采取不同的治理措施。面积较小、深度较浅的塌陷坑，可进行直接回填复垦，与周围地貌地类相协调，如TX5(富达矿)塌陷坑； 面积较大、深度较深、常年积水的塌陷坑，宜复垦为水塘，发展水产养殖，如TX7塌陷坑； 面积大、局部积水的塌陷区，宜采用“挖低填高”的方法，高处进行填方，复垦为农用地，低洼处进行挖方，复垦为水塘，如平台石膏矿。

5 结论与建议

(1)对邳州石膏矿区采空地面塌陷地质灾害现状进行了调查，根据地面塌陷规模、形态及地面变形强度，将邳州石膏矿区采空地面塌陷类型划分为面状地面变形、波状地面塌陷、点状地面塌陷及地面塌陷隐患点，并分析了矿区内地面塌陷的发展趋势。

(2)针对邳州石膏矿区采空地面塌陷地质灾害防治现状及存在的问题，建议采取地面塌陷防治监测预警、搬迁避让与工程治理等措施。

(3)邳州石膏矿区缺乏地面塌陷专业监测与塌陷治理经验，在防治区实施监测与治理过程中，宜选取代表性区域作为监测与治理实验区，再逐步向全矿区推广。另外，邳州石膏矿区地面塌陷防治尚处于起步阶段，其防治技术应不断吸取周边矿区及湖南邵东石膏矿区治理经验，并结合自身实际情况，探索出经济可行的防治技术。