荆门市白庙街办石膏矿采空区特征及稳定性分析

朱文彩，陈胜林，陈 松，刘 杰

(湖北省水文地质工程地质勘察院,湖北 武汉 430050)

荆门市白庙街办辖区内共有4家石膏矿企业(荆花矿、荣兴矿、宝龙矿、明珠矿),石膏矿山自2016年停产后至2018年底的2年间,多次发生采空区地面塌陷,导致周边大面积建(构)筑物损毁,土地无法利用[1]。本文以白庙办辖区的四家石膏矿山为对象,分析探讨石膏矿采空区的变形特征、影响因素及稳定性。

1 研究区概况

研究区处于丘陵和江汉平原的过渡地带,属低缓丘陵地貌,山体坡度5°～10°。区内地表大部分为第四系地层覆盖,地层从上至下为第四系(Q)粘性土、古近系夹马槽组(Ejm)泥质粉砂岩和粉砂质泥岩、白垩系跑马岗组(K2p)泥质粉砂岩,跑马岗组地层夹3层石膏矿层,矿层厚度1.27～4.23 m,最大厚度12.89 m。受荆门断裂作用的影响,区内岩层产状平缓,倾角在3°～8°之间,为单斜构造[2]。

2 采空区特征

白庙街办石膏矿区于上世纪八、九十年代建矿,历经近三十年的开采形成了规模不等的采空区,各采空区矿柱、采高特征见表1,采空区形态特征见图1。

表1 白庙街办石膏矿采空区特征汇总表Table 1 Summary of goaf characteristics of Baimiaojieban gypsum mine

图1 白庙街办石膏矿采空区剖面示意图Fig.1 Section diagram of goaf in Baimiaojieban gypsum mine1.粘土(表土)；2.泥质粉砂岩；3.粉砂质泥岩；4.石膏矿层；5.矿柱及采空区；6.地层界线。

3 采空区变形特征

研究区内石膏矿山企业自2016年停产后至2018年底的2年间,共发生14起采空区地面塌陷,年均发生量达7次之多,较前20多年间年平均1.4起有近5倍增幅。矿区采空区地面变形的主要表现方式为地面塌陷和地面裂缝。区内的采空区变形根据采空深度和地面变形的特征可分为“切冒型”和“拱冒型”两种。

(1) “切冒型”主要发生于采空深度<100 m的矿房及巷道,地表呈圆形、椭圆形的塌陷,塌陷面积小于采空区面积。整体冒落形状呈反漏斗状,塌陷深度较大,陷坑周壁岩层出露清晰,虽然影响范围不大,但对地表形成的破坏性及危险性较大[3]。

(2) “拱冒型”主要发生于采空深度>100 m的采空区,地表呈盆地状、圆形、椭圆形的塌陷,变形范围在平面上超出采空区范围。采空区的四周冒落高度小,中部冒落高度大,冒落后地表出现纵横交错的张开裂缝,裂缝位置可在采空区平面范围内侧或外侧盆地边缘处,变形的延续时间较长,可达几天—数月。

近年在白庙街办辖区的四家石膏矿的14次塌陷中,10次为“拱冒型”,4次为“切冒型”。

4 采空区变形的影响因素

研究区的石膏矿经多年开采形成的采空区面积大,空间结构较复杂,影响采空区稳定的因素较多,根据矿区地面塌陷的发育分布规律、变形特点,结合区域水文地质工程地质条件及矿山特点综合分析,影响采空区地面变形的主要因素为[4]：

(1) 采矿作业不规范的影响。采空区的形状、大小等几何参数对采空区稳定性有着直接影响。采空区宽度越小,高度越小,采空区面积越小,预留矿柱面积比率越大,采空区越稳定,反之则越不稳定。

(2) 区域岩土工程地质条件差。围岩质量对采空区稳定性起着决定性作用。围岩质量越好,强度越高越稳定;反之,质量越差,强度越低,其承受应力释放带来的变形能力就越差,围岩就越不稳定。石膏矿围岩多为软质岩类,不利于采空区的稳定。

(3) 地下水的影响。石膏矿物饱水后会明显软化,抗压强度、抗拉强度显著降低。

(4) 矿区构造作用。断层或裂隙处容易渗水,采空区上覆地层受地下渗水的长期冲刷,容易导致护顶层岩石的弱化,从而影响到采空区的稳定性。

5 采空区稳定性分析及发展趋势预测

5.1 计算参数

采空区围岩可分为表土、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、石膏岩四类,根据矿区勘查报告,并参考周边工程地质资料,稳定性分析计算的岩体力学参数见表2。

表2 岩体的力学参数Table 2 Mechanical parameters of rock mass

5.2 矿柱稳定性分析

采用房柱法采矿时,矿柱强度对采空区的稳定起着很大的作用。采用缓倾斜矿体矿柱计算法来估算采空区的稳定性。矿柱相对面积应满足下式：

S0/S≥γhnk/σ0kf

(1)

式中：S为矿柱支撑面积(m2);S0为矿柱横截面积(m2);k为荷载系数,据石膏矿特点取k=1;σ0kf为矿柱矿石立方形试件单轴抗压强度(MPa),用顶板岩石的抗压强度Rc来代替σ0kf;n为安全系数,当地表不允许陷落或矿柱需长期保留时,取3～5;kf为矿柱的形状系数;γ为覆岩容重;h为采空区距地表深度。在已知矿柱、矿房尺寸时,由上式求得矿柱安全系数n。

相关研究成果表明石膏矿在泡水后,其强度将大大降低,软化系数约为0.8,石膏矿柱因流变强度折减系数为0.66,由此计算出矿柱的平均安全系数,详见表3。

表3 矿柱稳定性安全系数计算结果表Table 3 Calculation results of safety factor of pillar stability

计算结果表明,采空区在矿柱泡水后,矿柱的稳定性将得不到保障。

5.3 采空区上覆岩层稳定性计算

石膏矿开采之后,采空区上覆岩层的稳定性根据重力与摩阻力的力学平衡之间的关系来判断。根据力学平衡分析,当采空区埋深H增大到某一深度时,上覆岩层恰好保持自然平衡状态,此时的H称为临界深度H0,则临界深度计算公式为：

(2)

式中：B为巷道宽度(m);φ为岩层的内摩擦角(°)。比较采空区埋藏深度H与临界深度H0,即可粗略地评价上覆岩层的稳定性。当H1.5H0时,采空区上覆岩层稳定。计算时,φ取上覆岩土层的内摩擦角加权平均值标准值作为计算值,取φ=32°。根据上述公式计算出石膏矿覆岩稳定性所需厚度,如表4所示。

表4 覆岩厚度计算结果表Table 4 Calculation results of overburden thickness

计算结果表明,采空区覆盖层厚度不满足稳定要求,稳定得不到保证。

石膏矿采空区变形是一个长期持续的过程。研究区内的四家石膏矿采用房柱法开采,采空区跨度较大,采高较高,采空区覆盖层厚度不满足稳定要求,采空区的稳定性将得不到保证。对矿区环境、安全等方面形成了极大的安全隐患[5]。

6 塌陷危险区处置措施

目前,地下采空区的处理方法通常有封闭、崩落、加固和充填四大类。在具体的采空区处理过程中,由于各个矿山存在的采空区数量、所处位置、形态特征不一样,必须针对各采空区的特点和条件,分别采取相应的处理方法。有时采用两类方法联合处理,如采用加固法与充填法联合、崩落法与充填法联合等。

2019年初荆门市开始对研究区内石膏矿采空区及影响区进行地面变形专业监测工作,并根据采空区特征及目前变形程度的不同,分别采用不同的处置措施,从而有效地规避了地质灾害的发生。如：对分散居住的受采空区变形威胁居民采取紧急搬迁避让安置；对因采空区变形受损严重的道路、桥梁、输电线路进行紧急异地重建；对目前变形较为轻微的采空区进行灌浆回填处置等。