娄底市双峰县杏子铺镇虎塘村“7.25”特大型地面塌陷成因分析

彭洪峰 肖敏

摘要：双峰县杏子铺镇虎塘村突发特大型矿山采空区地面塌陷，受灾人口达250余户700余人，造成经济损失约4000万元。本文分析认为，条形保安矿柱尺寸严重偏小、矿房跨度过大、上下采场矿柱重叠率低是引发大面积采空区地面塌陷的根本原因。

关键词：梓门桥组；石膏矿；采空区；地面塌陷

双峰县杏子铺镇虎塘村“7.25”地面塌陷是一场特大型矿山地质灾害，影响区面积约0.55km2，采空区岩移盆地最大下沉值为2.5m，最大水平位移1.5m。塌陷区最长裂缝达300m，最宽处达4.8m；伴生塌陷坑（洞）46个，洞口直径最大达15m，最大洞深达12m，并造成地下水位异常下降，井泉干涸。

1塌陷区环境概况

虎塘村及周围为低丘宽谷地貌。区内山丘海拔最高160.4m——位于庵堂冲西南300m处，最低点是北面虎塘。最大高差77m，地面斜坡坡度一般为12°～20°，局部较陡，约25°～30°。区内无大的地表水体。当地为亚热带季风型湿润气候，年平均气温16.8℃，极端最高气温40.3℃(1971.7.26)，极端最低气温-6℃(1977.1.30)。年蒸发量1036.9～1598.6mm，平均1298.68mm，年降雨量1009.3～2035.8mm，平均1376mm，月最大降雨量587.6mm(1954.7)。

塌陷区及附近基岩地层总体上为单斜构造，岩层倾向南西，倾角25°～30°。区内断裂构造弱发育，但无大的断层分布。

2石膏矿开采方式等情况

双峰县石膏矿采用斜井开拓，主、副斜井均布置在底板中，采用房柱法开采，前进式采矿，留设条形保安矿柱。该矿开采梓门桥组Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ膏层，共分二个水平（-150m和-248m）、8个区段开采，每个区段垂高为32～34m，斜长74m左右。

矿山自建成投产至今近二十年，历经国有、私营两个时期，设计开采参数进行了多次调整。“7.25”之前，双峰县石膏矿各水平采空区均存在不同程度的顶板垮冒现象。

3“7.25”地面塌陷成因机理力学分析

以矿柱支撑顶板为核心的房柱法开采，其采空区顶板稳定性主要由顶板和矿柱两个基本要素决定。

3.1 采场顶板稳定性分析

本文采用三带理论、Barton“当量尺寸”极限跨度分析法等方法从顶板安全厚度、允许跨度等方面分析采空区顶板稳定性。

3.1.1 顶板安全厚度分析

（1）三带理论分析。石膏矿层采出后，石膏矿采空区周围岩体将发极为复杂的移动和变形，变形移动稳定后可分为三个不同破坏程度的开采影响带：冒落带、裂隙带和弯曲带。

①冒落带高度的预计与计算

在矿体倾角小于55°，顶板为坚硬覆岩时，计算公式为：

式中：M——开采法线厚度（m）；

②裂隙带高度的预计与计算

采用煤矿充分采动时的经验公式：

③计算结果与分析

双峰石膏矿采场高度与矿层厚度基本一致，为4～5m，按充分采动情况分析顶板岩层冒落带高度为21.36m，裂隙带高度为71.4m。冒落带高度远小于采空区深度，不会导致地面发生整体塌陷（变形）；裂隙带高小于隔水层厚度，没有明显破坏顶板隔水层，不会导致地下水位超常下降而引发地面塌陷。

3.1.2 采场顶板允许跨度分析

在顶板厚度满足稳定性要求的条件下，根据岩体工程地质调查及岩体质量评价，采用Q分类结果计算顶板在各条件下的允许暴露跨度。

（1）分析原理。开挖体的最大无支护跨度SPAN与Q值和开挖体支护比（ESR）的关系如下式：SPAN＝2Q0.66＝2×（ESR）×Q0.4

（2）计算分析

根据以上公式，当ESR值为1.6时（双峰石膏矿采空区Q＝23.225817），其最大无支护跨度为11.26m，即当采场宽度为11.26m，其顶板整体稳定性较好。据调查，双峰石膏矿矿房（采场）宽大部分为13～16m，所以采空区顶板稳定性差，不能满足安全要求，是引发本次采空区冒顶的重要因素。

3.1.3 重叠开采采场稳定性分析

房柱式开采是以留设矿柱的方式支撑采空区上覆岩层，在多层复合采动的情况下，上层开采后矿柱所承受的荷载必将传递到下层矿柱柱上。因此，只有当上下两层矿柱完全对齐，才能使上覆岩层的重量有效通过矿柱顺利地传递到底板岩层，保证采场的稳定性。

矿柱重叠率是评估分层开采时，隔离层顶板稳定性的重要指标。在重叠开采时，如果上下分层矿柱留设不当，将造成上下叠加二个或多个采空区上下连通活化，从而导致大规模的采空区上覆岩层垮塌。

令e代表上下层矿柱重叠的百分率，其表达式为：

式中：WP上下——上下矿柱重叠部分的宽度，m；

WP下——下层矿柱宽度，m。

根据弹性薄板理论推导出重叠开采条件，上下矿柱对齐所要求的临界重叠率ecri须同时以下二个关系式：

式中：——上下矿柱完全不对齐情况下，下分层顶柱岩体所要承受的上覆岩层的垂直荷载，MPa；

——上下矿柱完全对齐情况下，下分层顶柱岩体所承受的均布荷载，MPa； ——顶柱岩（矿）体单轴抗拉强度，MPa；——顶柱岩（矿）体的抗剪强度，MPa；

A、B——由岩（矿）柱的长、宽和岩体泊松比确定的系数。

计算结果为：只有当-150m水平Ⅱ膏层与-183m水平Ⅲ膏层矿柱重叠率大于71.1%、-216m水平Ⅱ膏层与-248m水平Ⅲ膏层矿柱重叠率大于77%时，隔离层顶板才不会发生拉伸破坏，但根据调查，双峰县石膏矿采空区矿柱重叠率远未达到上述要求，因此隔离层顶板稳定性很差，也是导致“7.25”采空区冒顶事故的主要因素之一。

3.2 矿柱稳定性分析

矿柱不仅用于维护矿房稳定，也用于隔离大面积空场和保护井巷、地表及建筑物的安全，因此，矿柱间距应小于极限跨度，且矿柱本身横断面尺寸应满足强度要求。否则，矿柱一旦被压垮，势必造成采场实际跨度过大而导致冒顶，同时，上覆岩石压力会转移到其它相邻矿柱上，可能引起矿柱破坏而发生连锁反应。

矿柱是否稳定，取决于矿柱平均应力（σP）和矿柱强度（Sp）二个因素共同决定。计算式如下：

式中：σP——矿柱平均应力；

γ——岩石容重；Z——矿柱埋藏深度；Wo、Wp——分别为矿房和矿柱的宽度

式中：α——常数，本矿山取1.0；Wp /h——矿柱宽高比；SL——矿柱的抗压强度，MPa。

取硬石膏抗压强度值为43MPa，计算-150m至-280m水平硬石膏采场各参数条件下矿柱安全系数如表2。

根据矿柱稳定性安全系数计算结果评价：

①按03年11月以前的设计参数开采，-150～-248m水平硬石膏矿柱为安全系数1.61～2.25，满足安全要求。

②按03年11月至09年2月的设计开采参数开采，-150～-248m水平硬石膏矿柱安全系数为1.14～1.59，-183m及以下水平矿柱安全系数不满足安全要求。

以上是对硬石膏矿柱的安全系数计算。而普通石膏（Ⅱ膏层）的强度不到硬石膏的1/2，按相同参数开采，普通石膏矿柱安全系数将远低于硬石膏矿柱。另一方面，实际开采过程中对设计参数的执行很不到位，条形矿柱(墙)穿孔现象较普遍。

所以，矿柱太小，矿柱安全系数低是双峰县石膏矿长期存在的严重安全隐患，也是引发“7.25”地面塌陷的最主要原因。

综上所述，矿柱严重偏小，采场跨度过大，矿柱重叠率低是引发双峰石膏矿采空区大面积冒顶的根本原因。