烟台市牟平区某金矿地面塌陷特征及防治对策研究

孟盼盼，王 经，吕宝平，赵 菲

（1.山东省烟台市地质环境监测站，山东 烟台264000；2.山东省地质环境监测总站，山东 济南250014）

1 引言

金矿开采是一项重要经济活动，其开采过程中引发了一系列的地质环境问题，如引起地表变形和岩层移动，引发采空塌陷、地裂缝、崩塌、滑坡和泥石流等地质灾害。文献［1］对复杂地质条件下矿山地下开采地表变形规律进行了研究，指出地表变形与岩层移动受矿山地层岩性、地质构造、地应力场、矿体赋存条件、采矿方法等多种因素影响，在不同情况下各因素的影响程度不同。文献［2］对地下采矿引起的地表下沉类型及其机制进行了比较系统地研究。文献［3～5］对构造应力型矿山地下开采引起的地表移动问题进行了有益探讨，文献［6］研究了厚覆盖岩层条件下地下矿体开采地表和围岩的变形移动规律。本文以烟台市某金矿开采为例，分析了由矿山开采引发的地面塌陷的基本特征，预测了其发展趋势，并提出了相应的防治对策，以期为保障人民群众的生命财产安全和保护当地经济持续发展提供指导。

2 地面塌陷的基本特征

矿区为地下开采，采用浅孔留矿法和削壁充填法，具备产生采空塌陷及伴生地裂缝的条件。该矿区存在民采现象，所以采空塌陷时有发生。目前矿区地表有2处塌陷未完全填实，一处沿矿脉分布，另一处在区内老民采井周围。

沿矿脉分布的塌陷成长条形，呈南北延伸，坑长30m，塌落后坑深3m，塌陷区面积为150m2。此处塌陷几年之前进行过充填，但由于降雨等外界因素影响，充填物继续塌落，使得塌陷区呈现出未充填完整状态。

矿区老民采井周围的塌陷区是以老民采井为中心，25m长度为直径的圆形区域。井口长2m，宽2m，残余井深15m，周围塌陷坑深10m，塌陷区面积为490.6m2。

3 塌陷区地质环境条件

3.1 地形地貌

矿区属低缓丘陵区，为剥蚀丘陵地貌。地势总体北高南低，最高海拔150.0m，相对高差72.0m。坡度较小，一般在5°～15°，沟谷多呈深而窄的“U”字型，谷底纵坡比降一般在30‰以内。

3.2 地层岩性及地质构造

矿区所在区域地层主要为新生代第四系，残坡积、冲洪积物沿山间沟谷分布。岩性主要由砾石、含砾中细砂、粘质砂土等组成，厚度1.00～4.00m。

矿区内断裂构造较发育，表现为北北东向断裂和近东西向断裂两组。北北东向断裂最发育，规模较大，总体走向5°～10°，倾向南东，倾角70°～85°，局部直立或反倾，压扭性断裂，为本区控矿构造。

3.3 岩浆岩

区内岩浆岩发育，主要为新元古代玲珑超单元郭家店单元中粗粒二长花岗岩，其次为中生代煌斑岩、闪长玢岩岩脉及石英脉。与矿化有关的围岩蚀变有：硅化、绢云母化、钾化、碳酸盐岩化，以石英脉为中心向两侧表现出分带现象。

3.4 水文地质条件

矿区内含水层主要有第四系松散岩类孔隙含水层、基岩裂隙含水层和构造裂隙含水层。松散岩类孔隙含水层为坡洪积、冲洪积孔隙潜水含水层，分布范围小，单井涌水量一般小于100m3/d，渗透性较弱，富水性弱；基岩风化裂隙含水层岩性主要为二长花岗岩，风化深度一般10～25m，水位埋深1.00～21.06m，渗透性较弱，富水性弱；构造裂隙含水层，沿断裂带岩石破碎，透水性较强，地下水水位埋深为3.20～13.40m，单井涌水量大于100m3/d。矿床充水的主要因素为风化裂隙水和构造裂隙水。水化学类型为SO2－4Ca2＋水，矿化度1.954g/L，pH值7.62。矿区水文地质条件复杂程度为中等。

3.5 工程地质条件

矿区竖井及运输巷道位于二长花岗岩岩体中，岩体为块状结构，岩性单一，极限抗压强度为97.6～152.5 MPa，抗剪强度指标为C＝2.5MPa、φ＝58.5°，工程地质条件简单，探矿施工过程中不稳定因素少。矿区采矿巷道大部分位于碎裂岩中，岩体为碎块状结构，岩性单一，极限抗压强度为9.3～29.5MPa，抗剪强度指标为C＝0.78MPa、φ＝37.6°，工程地质条件简单。

4 地面塌陷的控制因素及地表稳定性分析

矿区开采引起地表变形和岩层移动，进而引发地面塌陷。地表变形和岩层移动有其特殊的工程地质、水文地质背景，地下采矿是矿区岩体破坏的直接诱因，地下水产生的静水压力和动水压力强化了岩体的变形与破坏。矿区岩体中存在的断层、节理等特殊地质结构是岩体破坏的基础。

4.1 控制因素分析

矿区地下开采过程中，采空区顶板岩石原始平衡状态被破坏，在震动、降雨等作用下易产生变形，在重力作用下顶板发生弯曲、离层以至冒落形成塌陷。按岩石的破坏程度，自采空区到地表可划分为三个不同的变形影响带，即冒落带、裂隙扩展带和弯曲变形带。冒落带与裂隙扩展带影响高度是矿层开采厚度的十倍甚至数十倍，当采空区冒落带影响至地表时，地表出现塌陷坑；若裂隙带只发育到地表，则地表以地裂缝为主；当三带均发育时，弯曲变形带上方地表往往形成塌陷盆地。大规模塌陷形成以后水平构造应力的释放，再加上围岩中的节理把围岩剖分成柱状结构块体以及断层等特殊地质构造的存在，从而使上下盘围岩向塌坑方向拱涨，并产生倾倒破坏，地表塌陷范围开始快速向外扩展。此外降雨、震动及加荷情况下对采空塌陷影响尤为显著。

4.2 地表稳定性分析

矿区采用浅孔留矿法和削壁充填法，地下采空区不能被完全充填，沿矿体将出现地表移动变形带，变形带南北向展布，长约1100m，宽约180m，面积为0.20km2。随时间发展，在采空区顶板自重、降水入渗、震动等因素综合作用下，下部和上部新老采空区将逐渐连接为一体，并向地表发展，引发采空塌陷及伴生地裂缝。

5 地面塌陷治理措施

采空区塌陷对周围环境已带来较大影响，结合矿区采空塌陷特点，提出如下治理对策。

（1）对地表现存的两处塌陷坑，应立即有效回填，尤其应对矿区内的老采空区进行详细勘察。

（2）矿山闭坑后，对井下硐室、运输巷等空区一次性充填。

（3）对受塌陷影响的公路、输电线路、供水管路等采取“采后恢复”措施，及时维修养护。

（4）改革平面布置方案，将矿井工业场地、居住区、运输道路专用线等布置在井田范围以外，尽量不压矿或少压矿，以避免开采影响。

（5）推行土地复垦技术，及时充填塌坑，平整土地，结合当地发展规划，进行土地复垦，恢复为农林业用地。

（6）对因开采引起井泉泄漏而影响村民饮水时，矿方可同有关部门新建水源，以从根本上解决村民的饮水问题。

（7）建立快速的灾害反应网络，做到一有事故，迅速反应，将灾害程度减少到最低。

［1］黄平路，陈从新.复杂地质条件下矿山地下开采地表变形规律的研究［J］.岩土力学，2009，30（10）：3020～3024.

［2］BRADY B H G，BROWN E T.Rock Mechanics for underground mining［M］.London：George Allen Unwin，1985.

［3］贺跃光，颜荣贵，曾卓乔.构造应力作用下的地表移动规律研究［J］.矿冶工程，2000，20（3）：12～14.

［4］曹 阳，颜荣贵，贺跃光，等.构造应力型矿山地表移动宏观破坏特征与对策［J］.矿冶工程，2002，22（2）：31～33.

［5］方建勤，彭振斌，颜荣贵.构造应力型开采地表沉陷规律及其工程处理方法［J］.中南大学学报：自然科学版，2004，35（3）：506～510.

［6］任伟中，白世伟，孙桂凤，等.厚覆盖岩层条件下地下采矿的地表变形及围岩变形特征模型试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2000，24（21）：3935～3941.