武安市矿山镇铁矿冒落塌陷分析与预测

宋鹏杰

（河北省地矿局第九地质大队，河北 邢台 054000）

1 矿区概况

矿区位于武安凹断束北端，区内地层总体产状为北北东，倾向南东东，倾角一般为5～15°，局部较陡，区内有一些小型的褶皱背斜与向斜；断裂以正断层为主，构造线的方向北北东～北向为主，其次为北东东向。矿山镇铁矿为一埋藏较深、规模较大、品位较高的矽卡岩型磁铁矿床。中关～矿山镇背斜是区内主要控岩、控矿构造。矿区内较厚矿体为Ⅰ-1、Ⅱ-1矿体，矿层倾角 10～15°，局部 45°左右。

2 采空区塌陷预测研究分析

地下矿层大面积采空后，矿层上部的岩层失去支撑，平衡条件破坏，使岩层塌落、弯曲，以致引起地面下沉变形。继而形成移动盆地，移动盆地的边界通常超出地下采空区的边界范围。本矿区铁矿层直接顶板为奥陶系中统灰岩，岩石多致密坚硬，在构造有利部位裂隙极为发育。底部为闪长岩、蚀变闪长岩，较为坚硬，局部蚀变部位较破碎。

本区内铁矿体多呈透镜状、囊状、条带状。较厚部位在ZK08、ZK06、CK10孔附近，铁矿体呈透镜状，其直接顶板为磁县组厚层大理岩，岩性坚硬完整，裂隙发育。由此我们可以参阅西石门铁矿的塌陷情况。

采空区在上覆岩石自重应力作用下，促使采空区顶板某一高度内岩层发生破裂和冒落，由下往上分为冒落带、裂隙带、整体下沉带[1]。冒落下来的岩石碎块由于碎胀，体积有一定的增大，根据附近西石门铁矿资料，碎胀系数取1.2，其中冒落带高度可以用下列经验公式计算：

式中：M—开采厚度（m）

k—碎胀系数

α—矿层倾角，

α 值 10～15°，取 15°

h1—冒落带高度（m）

n─经验系数,其值3～5,这里取4

h2—裂隙带高度（m）

3 预测结果

地表塌陷坑深度等于采空区顶板冒落高度减去铁矿层埋深，当开采深度小于冒落带高度时，地表就会产生塌陷。当开采深度大于冒落带高度而小于裂隙带高度时，地表只产生裂缝。采空区地表塌陷坑四周及附近总有伴生裂缝相随产生，塌陷坑一般呈椭圆形，当采空区冒透地表时，地表的变形与破坏表现为在塌陷区的周边形成许多间隔的断裂线。约在ZK06、CK10孔周边及ZK08孔周边，在36600m2范围内预测采空后将会出现两个主要塌陷坑，呈椭圆形，分别为：

预测1#塌陷坑：长轴约70m，短轴约40m,最大深度约为48.68m。预测2#塌陷坑：长轴约120m，短轴约75m,最大深度约为139.33m。该两坑可能在此基础向四周扩展，尤其预测2#塌陷坑深度大，其扩展较预测1#塌陷坑有更大空间。计算结果见表1。

表1 地面塌陷区冒落高度计算结果表

4 采空区顶板冒落过程分析

根据采空区顶板岩性、空区状态、空区顶部穹拱及采矿实践，分析空区顶板冒落过程，主要包括以下4个阶段：

初始冒落阶段。采空区内矿石采出后，顶板处于临空状态，在拉应力的作用下，穹拱平衡被打破，岩体顺节理扩展、贯通，导致岩体破坏并在自重作用下自然崩落下来，形成新的穹拱。

间断冒落阶段。空区顶板塌陷后暴露面积不断扩大，更多岩体参与继续顺节理向上发展，不时发生冒落，穹拱在趋于平衡但达不到平衡的情况下向上发展，冒落范围呈间断性地扩大，穹拱也呈间断性向上扩张。

地表冒落阶段。当空区顶板冒落接近地表时，穹拱顶部岩石随临空面积增大常常产生整体变形和破坏，周边受剪应力破坏常以突发形式呈大规模冒落，此时可能引发具有危害性的气浪，同时造成穹拱被破坏。

扩展下移阶段。空区上部地表崩落后，周边岩石逐渐向空区崩落、崩落下来的周边岩石充填到空区，空区崩落边界逐渐向外扩展至达到新的平衡状态采空区塌陷结束。

由此我们可以发现空区顶板的冒落形式：前期及后期主要是顺节理或裂隙发展的以散体形式冒落，中后期是受周边剪应力影响而大规模的批量冒落。

5 结语

采空区地面塌陷是一个复杂的拉应力、剪应力针对岩层的方向不断变化、位置不断变化的，且时间与空间不连续的变化过程，具有间断性和突发性，并且与采空区顶板的岩性、构造及裂隙发育程度有很大的联系，也与冒落后形成的穹拱形状有关[2]。但是地表塌陷总有伴生裂缝相随且提前出现，地裂缝总沿一定方向延伸，在同一地点同一地区地裂缝延伸方向大致相同或相似。将来矿区可通过对采空区地表塌陷区的伴生裂缝裂隙研究分析观测，能够更加准确地掌握塌陷区在具体时空上的发生发展变化。

在开采中应根据采空区的空间形态大小规模采取适当方法进行提前预防，以阻止矿体顶板含水层石灰岩裂隙的扩展延伸而有可能引起的局部涌水量突然增大；同时还可避免塌陷后，塌陷坑地表处的两个冲沟逢雨季时雨水灌入。根据不同情况可采取回填矿渣、喷浆支护、锚杆支护、锚喷支护、锚网支护等措施，避免并减少坍塌，降低地表出现塌陷坑的几率，将危险系数尽力降低。