江苏某缓倾斜石膏矿抽冒式塌陷机理分析

摘 要：石膏矿一般采用房柱式开采，因石膏遇水变软的特性，造成了多起地面塌陷地质灾害。截至2023年4月，江苏省邳州石膏矿共发生了35次、28处地面塌陷，塌陷多以直径小于50 m的点状塌陷为主，抽冒式塌陷较为少见。本次以邳州某缓倾斜石膏矿发生的抽冒式塌陷为例，采用MatDEM方法，开展数值模拟和机理分析研究。结果表明：石膏矿抽冒式塌陷引起地下水涌入矿坑导致石膏强度变弱，诱发顶板二次冒顶后堵塞通道塌陷最终停止，充水后采空区整体稳定性变差，容易诱发二次塌陷，针对现状，提出了搬迁避让、监测预警和工程治理的手段进行防治。

关键词：石膏矿；抽冒；地面塌陷；防治

Collapse mechanism of a gently inclined gypsum mine in Jiangsu

JING Jiajun

（No.5 Geological Team， Jiangsu Geology and Mineral Exploration Bureau， Xuzhou 221004， Jiangsu， China）

Abstract： Gypsum mines are generally exploited using room and column mining methods. Gypsum tends to become soft when encountering water， which often causes multiple geological disasters of ground subsidence. In Pizhou， Jiangsu Province， as of April 2023， a total of 35 ground collapses in 28 locations occurred， most of which were point shaped collapses with a diameter of less than 50m， and pumping type collapses are relatively rare. Taking the gently inclined gypsum mine in Pizhou as an example， the MatDEM method was introduced to conduct numerical simulation and mechanism analysis research. The results show that the pumping collapse of the gypsum mine caused groundwater to enter the mine pit， weakening the strength of the gypsum， causing secondary roof fall， blocking and ultimately stopping the channel collapse. After water filling， the overall stability of the goaf became worse， which is prone to induce secondary collapse. In response to the current situation， relocation and avoidance measures are proposed as well as monitoring， early warning， and engineering governance measures for prevention and control.

Keywords： gypsum ore; aspiration; ground collapse; prevention and cure

礦山开采发生地面塌陷是一种常见的地质灾害（范立民等，2017；潘天录等，2020；蔡泳等，2022；史忠鑫等，2022），我国石膏矿多采用房柱式开采，设计不允许发生塌陷，但由于众多因素影响，先后在多地发生多起地面塌陷（谭伟等，2022；王树立等，2021；朱文彩等，2021；汤志刚等，2020；周丹等，2018；刘爱斌等，2017）。石膏矿塌陷不同于煤矿塌陷，一般具有瞬发式特点，在极短的时间内塌陷完毕，形成塌陷坑或者塌陷盆地，而后塌陷终止，地质环境条件相对稳定。而抽冒式塌陷原多见于煤矿急倾斜煤层开采，前期仅为较小塌陷坑，塌陷发生后沿塌陷坑壁导致大量泥沙混合物进入采空区，造成较严重生产事故（李笔文，2021），而石膏矿发生抽冒式塌陷并不常见，但因石膏具有遇水后强度急剧降低的特点，石膏矿发生抽冒式塌陷造成的危害远大于煤矿。本次通过分析石膏矿1984—2022年矿山开采监测资料与地质环境条件，采用MatDEM方法，开展数值模拟和塌陷机理研究，分析了矿山充水后对地质环境的影响，研究成果可为后期石膏矿防治提供理论依据。

1  地质条件分析

1.1  区域地质及构造

塌陷矿区位于江苏省邳州市北部，区域大地构造上处于华北地台鲁西南断隆带的南缘，北侧为峄城断裂，倾向南，倾角70°左右，南侧为韩庄断裂，倾向北，倾角亦为70°左右，总体构成四户断陷盆地（图1）。

矿区位于四户盆地中部，矿区内发育2条近平行断层，均为采矿期间揭露，倾向东南，倾角70°，断距25～30 m，井下开采期间无渗水现象，且周边矿区开采揭露断层亦不导水。

矿区及周边地层属华北地层区，地表无基岩出露，被厚约45 m的第四系沉积物覆盖，区内地层由老至新为震旦—白垩系、新生界古近系及第四系。矿层赋存于古近系中，顶底板以粉细砂岩和泥岩为主。

1.2  矿层概况

矿山设计开采矿体为III-2膏层。塌陷处矿井开采矿层埋藏深度50～100 m，北部开采井矿层150～200 m，矿层厚度12～23 m，矿层总体倾角8～11°，倾向北北西。开采方式为地下开采，采矿方法为留连续矿柱的房柱采矿法。设计开采高度6～10 m，宽度6～8 m，护顶层厚度大于4 m，护底层厚度大于2.5 m，矿房平均回采率25%。

1.3  水文地质条件

矿区及周边地下水主要为松散岩类孔隙水，赋存于更新统砂层和砾石层中，矿层及顶板泥岩不富水，开采过程中所遇断层仅局部靠近第四系露头附近少量渗水，为区域良好隔水层。含水层分布在第四系砂层中，总厚度小于10 m，单井涌水量300 m3·d-1，渗透系数小于4 m·d-1。

1.4  工程地质条件

矿区顶底板砂岩、泥岩抗压强度3.2～13 MPa，抗拉强度0.3～0.87 MPa，石膏矿层（干燥强度）抗压强度20～37 MPa，抗拉强度0.44～1.76 MPa。常造成顶板冒落、矿柱片帮和底鼓等现象。

第四系黏性土岩性主要为黏土、粉质黏土，含钙、铁、锰质结核，可塑—硬塑。

砂层岩性主要以细砂和中砂为主，密实，饱水，透富水性好。

区内土层固结成岩程度很差，抗拉强度极低，是土洞得以形成和发展的物质基础。土层中的砂层夹层因其饱含承压水，当下伏岩、土裂隙或洞体沟通承压水后，水头压力将加快土洞的发展速度，增大土洞的形成规模，加剧地面塌陷的危害程度。

2  塌陷点基本特征

2.1  地表特征

2012年9月18日富达1号副井东大巷上方发生地面塌陷，地面塌陷坑形态椭圆形，初始直径小于10 m，深度直达矿房（矿房顶板埋深约80 m），采空区矿房顶板塌落响声似闷雷，地面有明显震感，浅部水、土塌落混合物直泄矿房，并持续塌陷。该塌陷持续塌陷时间约2个月，最终形成地面塌陷坑长轴190 m，短轴约160 m，面积24 430 m2，塌落稳定后经水下测量，本次塌陷塌落至采空区的岩土体约60万m3，根据矿区地层渗透系数和塌陷总时间，计算约50万m3地下水涌入矿坑，塌陷时坑底深约70 m，坑壁近直立（图2）。2014年10月7日塌陷坑东南侧出现点状塌陷坑，与主塌陷坑连通。经过多年淤积，目前坑底最大深度34 m，坑壁坡度约80°，水深32 m，处于暂时稳定状态。

2.2  地下特征

塌陷点及周边区域下方为采空区，根据矿山监测资料统计，采空区体积约197万m3，且北部与相邻矿区有巷道导通，后经调查，临矿区因处于塌陷矿区下山方向，采空区内大量充水，至2012年12月初核查，已不具备井下勘察条件。塌陷点附近采空区顶板埋深约70 m，顶板岩层主要为新近系软质泥岩及砂岩，厚度约30 m（图3、图4）。矿房内护顶膏层X节理发育，间距小于1 m，节理闭合或被纤膏充填，完整性差。矿房顶板潮湿，局部有渗水现象。矿柱表层呈碎块状或薄片状剥落，风化强烈。

塌陷点附近石膏矿层厚度约12 m，发生塌陷的矿房实际采宽10 m，为设计采宽6 m的1.7倍；实际采高8 m，为设计采高7 m的1.1倍；顶板留设1.5 m石膏护顶，为设计厚度的0.4倍；底板留设1.5 m厚石膏护底，为设计厚度的0.6倍，顶板完整性差、局部渗水，围岩风化强烈，矿房超宽开采导致空区顶板暴露面积过大。2012年4月矿山监理过程中，监理工作人员发现该矿山东1—东7采区存在大面积顶板超挖后形成穹顶现象（图2-d），多次提醒矿方需加强支护，因矿山4月15日全部政策性关停，未采取加强顶板支护或其他防治措施。

3  地面塌陷机理分析

3.1  地面塌陷数值模拟

本次塌陷发生时，地表仅为小于10 m的塌陷坑，资料表明，地下采空区存在穹顶的表现形式，塌陷发生初期，顶板仅局部少量发生了塌陷，塌落物未能完全填充采空區，塌落角度远小于休止角，上覆土层仍不停汇入采空区，当塌落高度至地下水含水层时，塌落物仍不能满足最终休止角，则塌陷仍继续发生，下泄的水体同时带走塌落过程的第四系泥沙混合物，因下山方向不受阻隔，则塌陷不断加剧，地下水扩大了塌陷影响范围并加剧了塌陷发展；该塌陷过程中若无外力改变条件，则塌陷过程不会停止，直至塌落的泥沙注满整个采空区。综合认为本次塌陷是抽冒式塌陷。

为了模拟本次塌陷过程，采用矩阵离散元MatDEM方法进行数值模拟。

根据已有矿区开采资料，矿房宽度约8 m，矿房长度20～50 m，矿房高4.5～12 m，矿柱宽6～10 m，石膏护顶层厚度约为2 m。根据钻孔资料，建立几何模型。自上而下地层主要有：耕植土（厚2 m），中砂（厚4.5 m），黏土1（厚5.5m），中砂（厚2 m），黏土2（厚16 m），中砂（厚3 m），黏土3（厚10 m），膏质泥岩（厚7 m），膏岩（厚度大于10 m）。矿房尺寸分别为8 m × 8 m、10 m × 10 m和12 m × 12 m，护顶层厚度为1 m和3 m的单矿房离散元几何模型。考虑到数值模拟可能存在的边界效应问题，在竖直方向模型的尺寸为矿房底板到地表岩土体的厚度，在水平方向模型尺寸既要考虑到应大于塌陷的扰动区范围，同时又要考虑模型的计算效率和计算精度。经过反复试算，选取模型宽度为100 m，颗粒平均半径为0.2 m。

因矿山开采过程中沿走向开采，倾向方向为纵向开拓巷道，连通性较差，本次模拟过程中为一个断面的模拟，若建立倾向方向模拟，则需对整个矿区进行建模，数值偏差过大。本次模拟采空区高度分别为8 m、10 m和12 m，沿矿房走向模拟塌陷后的位移情况如图5，图中不同颜色显示颗粒移动距离。

3.2  地面塌陷机理

石膏矿塌陷是多因素控制的一种地质现象，主要因素为不规范开采形成的采空区（超高超宽开采），次要因素为采空区顶板护顶层厚度、顶板基岩厚度、第四系岩土体特征和地下水等自然因素。

护顶石膏层冒落后，上覆泥岩因失去支撑而在其底部产生拉应力作用，且拉应力强度大于其自身抵抗强度，于是产生裂缝。裂缝持续发展、扩大，相互贯通，使岩层破裂成块，在重力作用下发生冒落，形成塌落洞，但由于上覆岩层为泥岩，具有崩解性，形成塌落—成拱—塌落循环，除非遇到其他因素改变循环进程，否则塌落将一直向上发展。

改变循环进程的因素主要有上覆岩层强度变化及塌落空间充填程度2个方面。上覆岩层强度增强至可形成稳定拱顶结构时，循环打破，塌落过程终止；塌落空间在塌落物碎脹作用下自行填满时，塌落物对顶拱形成顶托作用，塌落过程终止。否则塌落进程将继续向上覆土层中发展。

土层中的塌落情况与岩层中相似，亦为塌落—成拱—塌落的循环进程，但受地下水渗流作用明显。当塌落点上方土层为单一黏性土层或含水层弱发育时，塌落洞无地下水渗流作用或渗流作用微弱，在洞体发育到地表之前，若碎胀的土层能够将洞体自行充填，塌陷将在土层中终止发育，否则将一直发育到地表，在地面形成塌陷坑，一般情况下这类塌陷坑规模较小。

抽冒式采空地面塌陷一般多发于煤矿开采过程中，在急倾斜煤层开采时，当作业迎头与老采空区贯通导致塌陷，塌陷规模一般大于陷落型。前期研究认为，石膏矿采空区塌陷综合分为陷落型冒落和拱冒型冒落2种方式（图6），但不管哪种塌陷，一般只能解释小型塌陷坑或者大面积波状塌陷变形，与抽冒式塌陷存在较大差异。

3.3  地面塌陷稳定性分析

随着矿房高度增大，采空区内的塌落体体积会迅速增大，说明超采超挖引起的地面塌陷危害性非常大。塌陷体的形状和地表塌陷坑的范围与横截面模型相近。最大塌陷深度位于垮落顶板的正上方，随着矿房高度的增大，地面塌陷深度迅速增大，但塌陷范围变化较小，当矿房高度为12 m时，塌陷坑壁呈陡立状。从采空区内塌落体的位移量可以看出，塌落体近似呈层状逐步堆积，塌落体的坡角取决于颗粒的休止角。当塌落体堆积到顶板的垮落区时，堵塞了颗粒的流动通道，上部覆岩的塌落会逐步减缓而趋于稳定。

经估算下泄土体约60万m3，地下水约50万m3，与矿山监测过程中计算的采空区体积约197万m3不符。认为受以下因素影响：一是在陷落水土体汇入采空区时，导致塌陷点周边矿柱及顶板强度急剧降低，而在顶板及矿柱失稳后发生二次塌陷，导致第四系与采空区通道被堵塞，塌陷最终停止；二是在塌陷持续进行的2个月中，地下水优先充满了采空区，陷落物顺着下山方向运动受阻，塌陷逐渐停止。

4  塌陷对地质环境的影响及防治对策

4.1  塌陷对地质环境的影响

本次塌陷是邳州石膏矿开采以来发生的规模最大、影响最严重的一次地面塌陷，塌陷导致下泄地下水经巷道导通直接充满北部矿区，使其失去开采价值；同时地下水的侵蚀作用使石膏矿护顶、护底层及保护矿柱强度急剧降低，增加了矿柱的崩解性，使原本安全的采空区因地下水影响稳定性变差，增加了地面塌陷发生的概率。2014年9月，在原塌陷点南侧发生塌陷，塌陷直径46 m，周边无伴生地裂缝；2022年1月15日，在北侧矿井处发生塌陷，直径22 m，周边无地裂缝伴生，均为典型陷落型塌陷。

北侧矿井自建矿以来均有完整的监测资料，整体开采规范程度高，基本不存在超高超宽开采，本次塌陷诱发因素为地下水导致石膏强度降低所致。因北部矿区已基本充满地下水，预计后期仍存在塌陷可能；南部塌陷矿区因抽冒式塌陷后导致周边采空区充水，且顶板稳定性差，后期发生整体冒顶塌陷的可能性大。

4.2  防治对策

鉴于矿区地面塌陷稳定性差、危险性大，提出以下防治对策（景佳俊等，2019；管祯等，2022）。

1）搬迁避让，封闭管理。本区地面塌陷危险性大、影响面积广、不确定性因素较多，以石膏矿采空区及其影响范围划定防治区，在该区域内房屋进行异地搬迁，农田采用土地流转的形式，将耕地转换成林地，进行封闭管理，禁止人员进入。

2）监测预警。监测预警一般采用人工巡查和自动化监测预警相结合，鉴于石膏矿区的危险性，人工巡查宜采用无人机定期巡查。目前采空区监测的方法较多，可采用InSAR变形监测、地下水位监测和微震监测等多种方法，监测结果形成数据库，由专业人员进行分析整理。

3）工程综合治理。对新形成的地面塌陷点，在专业监测的基础上，确定无危险时段宜开展塌陷坑回填、废弃井筒回填封堵，回填材质宜采用素填土多次回填。

5  结论

1）石膏矿抽冒式塌陷主要因顶板塌落物在地下水作用下沿下山方向不断移走，上部岩层不能形成有效支撑，塌陷持续扩大，地面塌陷坑范围远大于地下采空区投影范围，直至顶板塌落物与顶板形成有效支撑后，塌陷方可停止。

2）塌陷发生后，地下采空区大面积充水，巷道顶、底板及矿柱长期遭受水浸侵蚀，将不断剥落、片帮、崩解，石膏强度持续降低，这是塌陷发生的外因；矿山不规范开采，留设矿柱宽度、护顶层厚度偏小是发生塌陷的内因；在内外因素共同作用下，后期发生地面塌陷的可能性增大。

3）石膏矿矿床开采的不连续性决定了塌陷的不确定性，且该类塌陷不同于煤矿塌陷，不存在稳沉期，故该类地面塌陷防治方法主要为搬迁避让、封闭管理、监测预警和工程治理。

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收稿日期：2023-04-15；修回日期：2023-05-31

基金项目：江苏省地质矿产勘查局科技创新项目“邳北石膏矿示范区采空地面塌陷远程监测预警项目（2019KY06）”；江苏省自然资源厅“邳州市地质灾害风险普查”（苏财资环〔2021〕40号）项目联合资助

作者简介：景佳俊（1983- ），男，学士，高级工程师，主要从事水文地质、地质灾害研究工作。E-mail：393599289@qq.com

引用格式：景佳俊，2024.江蘇某缓倾斜石膏矿抽冒式塌陷机理分析［J］.城市地质，19（1）：29-35