废弃铁矿老采空区赋存特征及稳定性评价

郝杰, 孙雅飞, 胡小辉, 高隽, 李海涛, 王海龙,2,3*

(1.山东省地质矿产勘查开发局八○一水文地质工程地质大队, 济南 250014; 2. 临沂大学土木工程与建筑学院, 临沂 276000; 3. 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室, 北京 100083)

铁矿石的稳产增产是推动社会经济发展的重要支撑,同时,也形成了大量的采空区,成为潜在的灾害源,地表塌陷事件时有发生,严重威胁人民的生命财产安全[1-4],采空区稳定性成为当前的热点问题。精确地掌握采空区的赋存特征是科学评判采空区稳定性的前提,但对于一些开采年代较为久远的铁矿,由于开采技术和管理方式的原因,采掘相关资料常会有缺失,此外,形成的采空区随时间也会产生新的变形破坏,使得采空区赋存情况变得更模糊不清。目前,学者针对铁矿老采空区赋存特征及稳定性开展了一系列研究。在采空区赋存特征研究方面,主要手段包括地球物理勘探、钻孔钻探和三维激光扫描[5]。杨兆林等[6]利用高密度电法,贾三石等[7]、包乃利等[8]利用瞬变电磁法,张远博等[9]利用地质雷达对铁矿采空区分布进行探测;周楠楠等[10]利用地质雷达和大地电磁相结合方法,罗志波等[11]利用高密度电法与钻探相结合方法对铁矿采空区分布进行探测。此外,章林等[12]、李海洲等[13]利用三维激光扫描对铁矿采空区形态进行探测。在采空区稳定性研究方面,主要手段包括现场监测、数值模拟和理论分析[14]。杨美宏等[15]利用数值模拟,贾瀚文等[16]利用现场监测和数值模拟,从地表沉降角度对采空区稳定性研究;李群等[17]、申超霞等[18]利用数值模拟,从位移和应力角度对采空区稳定性研究;宫凤强等[19]通过对采空区稳定性影响因素权重和影响度分析,构建稳定性评价指标体系。

上述研究在一定程度上获得了铁矿采空区赋存特征及稳定性,对地表塌陷灾害防控起到重要的指导作用,然而主要研究是以采空区平面分布为主,且选取的采空区大多停采时间不长,对于采空区的垂向分布,尤其是停采时间较长且充填情况复杂的老采空区的垂向分布研究还较少,此外,对于稳定性的研究主要是铁矿开采期间的稳定性,对停采后较长时间稳定性研究还较少。为准确探明老采空区赋存特征,现以济南市顿丘铁矿老采空区为例,首先采用地球物理勘探和钻孔钻探相结合的方法,获得铁矿老采空区赋存特征,构建采空区三维地质模型;采用采空区地表变形监测、临界载荷影响深度计算和采空区深厚比分析3种方法评价老采空区稳定性。以期对铁矿老采空区探测和治理具有一定指导意义。

1 研究区域概况

顿丘铁矿位于济南市高新区,面积约0.455 km2。矿区由4个矿体群组成,矿体间互相孤立展布成近方形,每个矿体群由数个规模不一的小矿体组成,最大矿体长150 m,厚24 m,最小矿体长25 m,厚1 m。4个矿体群特征如表1所示。各矿体间不是独立开采,而是通过巷道连通,采用中央式双斜井开拓方式,地上和地下联合开采,地下采用空场采矿法。

表1 顿邱铁矿矿体群特征表Table 1 Orebody group characteristic of Dunqiu iron mine

顿邱铁矿自1995年闭坑后,经历长达10年的群众私采,直至2005年才完全停止开采,地下采空区情况非常复杂。2006年起,在原有铁矿采空区之上开始规划彩虹湖公园的建设。2019年1月,在彩虹湖西部环形水道内侧,即2#矿体群采空区范围内发生地面塌陷,导致湖水泄露,漏水口宽度约5 m,单日涌入地下采空区的湖水达8 640 m3,塌陷处为一个曾充填处理过的废弃井口。

2 采空区赋存特征

考虑顿邱铁矿采空区的复杂性,提出一种地球物理勘探+钻孔钻探组合式铁矿采空区探测方法,即首先采用高精度磁测法进行磁场特征探测,圈定老采空区平面分布范围,然后利用天然源面波法和可控源音频大地电磁法进行地层剖面测量,获得不同位置、深度上地层电阻率和波速变化规律,进而推测采空区的垂向分布范围及深度,最后采用钻孔钻探对物探结果进行对比和修正。以2#矿体群采空区探测为例进行具体说明。

2.1 地球物理勘探结果

基于已有的采掘工程资料,高精度磁测法共布置5条测线,编号C16～C20,线长分别为100、100、100、80、60 m,线距为20 m,点距为10 m;天然源面波法共布置5条测线,编号WT04、WT05、WT24、WT25、WT26,线长分别为100、120、60、60、60 m,线距为20 m,点距为20 m;可控源音频大地电磁法共布置4条测线,编号K04、K05、K24、K25,线长分别为90、120、60、60 m,线距为20 m,点距为10 m。物探测线布设如图1所示,约定测线南部端点为起点,即0 m位置。

图1 物探、钻探和地表变形观测点布置图Fig.1 Observation points (lines) layout of geophysical exploration, exploration drilling and surface deformation

2.1.1 高精度磁测法

以磁场强度H0=52 000 nT为背景场,高精度磁测法改正后的ΔH异常场如图2所示,整体为南部和东部高,北部和西部低趋势,呈不规则状,磁场强度范围为700～2 200 nT,ΔH>800 nT 区域推测为铁矿采空影响区,范围为100 m×100 m。

图2 磁测法改正后的ΔH异常场分布图Fig.2 Distribution of ΔH abnormal field after revision obtained by magnetic survey method

2.1.2 天然源面波和可控源音频大地电磁法

以天然源面波法WT25测线和可控源音频大地电磁法K25测线为例进行详细说明,两条测线起始点完全一致,测线断面如图3所示。

图3 地球物理勘探典型测线断面图Fig.3 Typical line sectional view of geophysical exploration

自浅部向深部,视横波值和视电阻率有增大趋势,浅部回填土视横波波速值小于500 m/s,视电阻率较低;基岩视横波波速值大于500 m/s,视电阻率较高。在测线0～60 m、埋深5～50 m处,视横波波速值小于500 m/s,推测为露天开采回填区域;在测线位置20～60 m、埋深80～150 m处频散曲线出现“之”字形拐点,视横波等值线呈低速异常,同时视电阻率等值线呈“V”字形,推测为地下采空影响区。在测线位置15～30 m处,推测为岩性接触带。

通过对物探结果解译,2#矿体群地下采空影响区和露天开采回填区分布如表2所示。露天开采回填区埋深为5～50 m,地下采空影响区埋深为38～152 m。将每条测线上的高阻采空影响区段投影到平面中,物探圈定的采空区和地表回填区平面范围如图4所示。圈定的采空区北部进入彩虹湖内,平面形态近似拳击套形。受彩虹湖水面限制,圈定的地表回填区仅限于地上部分,平面形态近似躺椅形。地表回填区面积稍大于采空区面积。

图4 采空区和地表回填区平面范围及地层剖面线Fig.4 Plane range of goaf and surface backfill area and stratum section line

表2 采空影响区分布表Table 2 Distribution of goaf affected area

2.2 钻孔钻探结果

为对物探结果进行对比和修正,在由物探圈定的采空区范围进行钻孔钻探。首先由物探圈定的高阻与低阻间的梯级带开始,揭露采空区后则由已知向未知,由中间向外围逐步扩展。2#矿体群在物探圈定的异常范围附近共计施工19眼钻孔,编号为ZK201～ZK219,具体的钻孔布置如图1所示。以钻探过程中的掉钻以及明显与上下地层岩性不同的情况作为判定采空区的依据。区域内出现2种采空区形式:采空纯空区和采空回填区。采空纯空区,即钻探过程中出现的“掉钻”现象,采空区中间不含有任何填充物;采空回填区,即采矿形成的空洞被填充物部分或全部充填。

区域内揭露采空区的钻孔有13眼,分别为ZK201～ZK210和ZK215～ZK217,其他位于采空区边界附近,未发现采空区。揭露采空区厚度为1.6～45.7 m,其中,掉钻厚度最大的为ZK210号孔,为10.8 m;采空充填物厚度最大的为ZK208号孔,为45.7 m。

将所有钻孔分为北、中和南3个部分,北部钻孔揭露采空区层数主要为2层,位置基本位于地下90 m以下,最深达154.4 m,总厚度为40 m左右;中部钻孔揭露采空区层数主要为3～4层,位置基本位于30 m以下,最深达149.6 m,总厚度均在10 m以上,ZK201号孔除外;南部钻孔未见采空区,仅ZK214号钻孔在32.5～34.0 m见有品味较低的铁矿。代表性的钻孔ZK202地层柱状如图5(a)所示,共有采空纯空区2层,采空回填区4层;代表性的钻孔ZK210地层柱状如图5(b)所示,共有采空纯空区2层,采空回填区2层。

图5 代表性钻孔地层柱状图Fig.5 Histogram of typical borehole formation

2.3 采空区三维地质模型构建

采空区边界确定总体原则:南部边界根据物探结果及揭露和未揭露采空区钻孔的中间点确定;东部和西部边界以物探结果为依据,并将采空区边界划定在揭露采空区钻孔的外围;北部边界位于彩虹湖水面下,根据物探解译推测结果和搜集的基础资料相互验证确定。综合分析已取得的物探和钻探结果,确定2#矿体群采空区平面分布如图4所示,采空区整体位于彩虹湖中小岛的中北部,并向北延伸至湖面,平面形态近似歪葫芦形,南北最长约67.5 m,东西最长约100 m,面积为4 992.5 m2;露天开采回填区分布确定结果与物探结果一致,面积为5 598 m2。

基于钻孔揭露地层情况,结合钻孔分布,共设计8条地层剖面线,3条为近东西方向,分别为AA′、BB′和CC′,5条为近南北方向,分别为DD′、EE′、FF′、GG′和HH′,地层剖面线分布如图4所示。利用地下水模型系统(grounder modeling systems)软件,建立采空区地层剖面组合模型如图6(a)所示,采用插值法构建采空区三维地质模型如图6(b)所示,采空纯空区体积为17 220.54 m3,采空回填区体积为108 384.03 m3,二者合计为125 604.57 m3。

图6 采空区地质模型Fig.6 Geological model of goaf

3 采空区稳定性评价

3.1 采空区地表变形特征

为获得2#矿体群采空区地表下沉值,区域内共设置4个地面观测点JCD01～JCD04和1个建筑物监测点群,如图1所示。4个地面观测点观测时间为2019年6月15日—10月18日,历时115 d,地表沉降值如图7所示。区域内下沉观测累积最大值为-6.517 mm,出现在JCD4号点;最小值为-1.533 mm,出现在JCD1号点。以年为单位进行下沉量的换算,JCD4号点最大下沉量为20.68 mm/a,根据《地质灾害危险性评估规范》(GB/T 40112—2021),从下沉量角度看,采空塌陷已经达到中等发育等级。

图7 采空区地表下沉曲线Fig.7 Surface subsidence curve of goaf

此外,以地面建筑物为依托设置建筑物监测点群,对区域较长期沉降进行分析。需指出的是,建筑物监测是基于建筑物建成初期同层标高是完全一致这一前提的。该建筑物于2011年建造完成。地面塌陷事故发生后第一时间对其进行观测,一层共设置12个监测点,二层共设置14个监测点,建筑物及其高程等值线如图8所示。测得一层最大高程为107.728 m,最小高程为107.483 m,最大高差24.5 cm,南北方向高差19.3 cm,东西方向高差17.0 cm。西部和北部整体偏低;二层最大高程为111.993 m,最小高程为111.247 m,最大高差74.6 cm,东西方向高差23.6 cm,南北方向高差67.6 cm。房间内最大高程值为111.499 m,最小高程值为111.247 m,室内最大高差25.2 cm。二层整体西北偏低,呈南高北低、东高西低状态。

图8 建筑物及其高程等值线图Fig.8 Building and elevation contour map

对比分析可以看出,虽然短时间内2#矿体群采空区地表沉降不明显,但是在时间效应下仍会产生较大沉降量,尤其是不均匀沉降会引发地面建筑物的倾斜,存在潜在风险。

3.2 临界载荷影响深度

采用力平衡分析法计算极限顶板稳定性,临界载荷影响深度计算公式[20]为

(1)

式(1)中:H0为采空区临界深度,m;B为巷道宽度,m;γ为上部岩层重度,kN/m3;P0为建筑物基底单位压力,kN/m2;φ为岩层内摩擦角,(°)。

为获得较准确的计算参数,对钻孔取芯获得的岩样进行物理力学性能测试,上部岩层的平均重度为30.80 kN/m3,岩层内摩擦角平均值为49.92°。巷道宽度选取2#矿体群采空区最大宽度,即25 m。区域内最高建筑物为2层楼房,建筑物基底单位压力值为1.96×105kN/m2。计算获得临界载荷影响深度为164.24 m。2#矿体群采空区顶板埋深为30.2～154.4 m,小于临界载荷影响深度,为不稳定型采空区。

3.3 采空区深厚比

深厚比越小,采空区地面越容易产生塌陷。2#矿体群区域内钻孔揭露的开采深度和开采厚度的情况如表3所示,深厚比最小值为0.15,最大值只有24.22,均小于25,采空区稳定性较差。

表3 采空区开采深度和厚度统计表Table 3 Mining depth and thickness of goaf

4 结论

(1)以顿丘铁矿老采空区为工程背景,开展地球物理勘探和钻孔钻探,构建老采空区三维地质模型,实现采空区赋存特征的立体展现。

(2)2#矿体群开采形成的采空区平面面积为4 992.5 m2,采空区分为采空纯空区和采空回填区2种形式,层数为2～4层,埋深为38～152 m,厚度为1.6～45.7 m,其中,纯空区最大厚度为10.8 m。

(3)采用采空区地表变形监测、临界载荷影响深度计算和采空区深厚比分析3种方法评价老采空区稳定性,2#矿体群开采形成的采空区整体稳定性较差,存在塌陷风险。