采空区上方斜坡地形塌陷灾害研究——以申家山采空塌陷为例

罗 川，陈剑文，官在平

(1.中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074;2.湖北兴发化工集团股份有限公司，湖北宜昌 443711)

在人类活动强烈的采矿地区，由于人类的采矿活动破坏了矿区地质环境的原始平衡状态，引起各种地质环境问题，形成各类地质灾害，对人们的生产生活造成极大的危害。

采空塌陷是采矿地区常见的一种地质灾害。本文以湖北省兴山县树空坪磷矿区梁家山坡(申家山)矿段为例，根据现场调查与相关资料，对该区域的地质灾害进行分析，证实为地下采空区所引起的地面塌陷，并对其成因机理进行了研究，最后针对该区域的具体情况提出了相应的治理措施。

1 矿区概况及地质背景

树空坪磷矿区位于湖北省宜昌市的兴山县，东与夷陵区接壤，是宜昌开发较早的磷矿之一。该矿区属亚热带大陆性季风气候区，雨量充沛，四季分明。其开采始于20世纪80年代初，在2003年以前，先后有13家矿山企业(其中县办企业1家、集体企业8家、私人企业4家)在此区域内进行磷矿开采，属于鄂西磷矿带较早开发的区域之一。

矿区位于宜昌市兴山县水月寺镇树崆坪村二组，开采标高为1210～1267m。采用地下井巷开采方式。Ph21和Ph13矿层设计可利用资源储量174.7×104t，可采储量82.24 ×104t，年产10 ×104t，矿山服务总年限8.5 a。

申家山区(图1)地貌类型属构造剥蚀中低山区，矿区总体地势呈北高南低。区内山高坡陡，沟谷深切，最高海拔为1499.6 m，最低海拔为1175 m(树空坪河河床)，最大相对高差约324.6 m。地形自然坡度一般为25°～40°，局部形成70°～90°的陡壁或悬崖。塌陷区为切割高山沟谷区斜坡，坡体前缘直抵树空坪河，线长160 m，高程1175～1178 m;后缘线长160 m，高程为1460 m，前后缘最大高差285 m，后缘整体呈圈椅状，陡壁明显。斜坡倾向为170°左右，地形呈后陡前缓形态，前缘坡度约20°，后缘坡度约40°，平均坡度约36°，坡度变化大。斜坡体后缘拉裂立面80°～90°，基本直立，坎高2.5～6.7 m。

图1 梁家坡(申家山)地貌Fig．1 The landform of the LiangjiaHillside(Shenjia Mountain)

树空坪磷矿区内主要出露的地层为前震旦系崆岭群(Anz)，分布于矿区的西南部;震旦系上统陡山沱组(Z2d)，分布于矿区的中东部，为矿区的主要含磷岩系;第四系残坡积(Qel-dl)及人工堆积物(Qml)位于矿区的树空坪河两岸，主要为农田及矿渣堆。梁家坡(申家山)位于树空坪磷矿申家山区火石岭梁家坡附近，为申家山原矿洞区山体，坡体下方存在大面积的采空区(图2)，其岩体主要由震旦系碳酸盐岩组成。

图2 采空区平面分布图Fig．2 The distribution of mined-out area

申家山区地处黄陵背斜的北翼西端，为一平缓的单斜构造，倾向NW。NE—NEE向断层较发育，多为正断层。受区域构造及断裂的影响，区内岩石节理裂隙较发育。申家山岩体中原生结构面发育，在浅部经风化形成软弱结构面及软弱夹层和构造结构面较发育、风化较剧烈的地段，岩石呈碎片状，岩层中微形态岩溶较发育，由于溶蚀作用及风化的影响，岩石力学强度降低。

2 梁家坡塌陷灾害宏观分析

梁家山坡(申家山)下伏基岩主要由浅灰白、灰黄色中厚-厚层状粉晶-细晶质白云岩及夹少量中晶(团粒)白云岩组成的逆向坡，剖面地形见图3(剖面位置见图2)。其坡脚岩层产状近似水平，1470 m高程处存在宽50～60 m，长约180 m的平台，怪石林立。平台后壁近似直立，高约50 m，岩层产状近似水平，而坡体中部岩层产状内倾，倾角约5°～32°。在坡的后缘可观察到明显的裂缝，裂缝多呈弧形状，延伸走向为90°～100°，与坡体倾向呈约80°角，裂隙延伸长度约为1.5～5 m，裂隙宽度约0.5～2 cm，深度一般为0.5～15 cm，最大下错高度可达2～10 cm。

通常由于受坡面临空面的控制，斜坡地区容易发生岩土体向临空面方向运动的崩塌、滑坡等地质灾害。而地下采空区的存在，使得梁家山坡(申家山)岩土体的运动受坡面和地下采空区周边临空面控制，其可能发生的破坏型式将更加多样与复杂。

图3 梁家坡(申家山)坡体剖面示意图Fig．3 The sketch section of the LiangjiaHillside(Shenjia Mountain)

一般崩塌或滑坡发生后，崩滑体会沿运动方向在低处的堆积区堆积，从梁家山坡(申家山)现在的地形来看，倘若发生崩滑灾害，则崩滑体最有可能堆积于谷底的树空坪河一带。根据其现地形，仅坡体后缘缺失量便高达50×104m3，而在坡体前缘树空坪河一带及其周边区域并未发现相应规模与成分的堆积体。且坡脚河床宽度仅5～10 m，如此规模的堆积体势必会阻塞树空坪河，但是经走访附近居民，该河流从未发生阻塞，种种迹象表明此处不是由崩滑破坏而引起。鉴于梁家山坡(申家山)下方存在大面积的采空区(图2)，可初步判定梁家山坡(申家山)为老采空区引起的坡体向下塌陷。

3 梁家坡塌陷成因分析

造成梁家山坡(申家山)地面塌陷的原因归结起来主要是地质因素和采矿因素两方面。其成因与盐池河山崩相比有较大不同。

3.1 地质因素

申家山所处地层岩性为Z2dn1地层，其新鲜岩石强度较高，但由于该处岩体风化较强烈，其风化深度较大，风化程度不均，风化裂隙极发育，从现在表面可见有大量的黏土成分，致使岩体的强度局部很低，且结构性极差。

梁家山坡岩体主要发育有两组裂隙，虽然其密度不大，但其延展性较好，略具张性，山体受其切割，完整性较差，且这两组裂隙均近垂直发育，造成坡体容易向下部采空区陷落。主控裂隙的产状及其切割山体的赤平投影分别见表1和图4。

表1 主控裂隙产状Table 1 The occurrences of the main fractures

图4 主控裂隙赤平投影Fig．4 The stereographic projection of the main fractures

较为破碎的岩土体及陡倾裂隙的发育为塌陷的发生提供了有利条件。

3.2 采矿因素

梁家坡(申家山)坡体后缘的下方存在大面积的采空区。采空区的存在导致坡体之下出现临空面，使得坡体有向地下临空面发生变形破坏的趋势。

梁家坡(申家山)所处地带磷矿层厚度较大，由于早期无设计乱采和过量开采，造成矿坑高度过大，而预留矿柱小且少。过小的矿柱难以承受上覆岩体的压力，在上覆岩体巨大压力的长期作用下，矿柱逐渐变形以致破坏，上方的坡体亦随之下沉。同时，预留矿柱太少造成矿柱之间的顶板岩体跨度过大，地下磷矿采出后，顶板岩层在自身重力的长期作用下逐渐发生变形、破裂和垮落，并逐渐向地表发展。

上覆岩层的破坏程度自采空区向地表逐渐减小，因此可从顶板张裂影响带高度的角度定量分析梁家山坡是否受地下采空的影响。

“三下采煤”规程和《矿区水文地质工程地质勘探规范》中均提供了地下采矿导水裂隙带高度的计算公式［1～2］。由于裂隙带的影响高度受多种因素的影响，不同矿区的地质条件和采矿条件通常有所差别，因此规范中提供的计算公式的适用程度对不同矿区亦会有所差别。近年来，对鄂西山区一些矿产开发区的调查结果显示，坑道顶板以上开裂变形带高度(H)一般都在160～290 m之间，并以200 m左右为多见，均较以往一些有关规范和教科书中提出的经验公式计算结果要大得多。宜昌地质勘探大队的林肖荣等于1994年提出了适用于宜昌地区的地下采矿引起的地表开裂变形带高度的计算公式［3］，此后该式在宜昌各磷矿区的矿山地质环境与地质灾害预测评估中广泛运用。李小勇等于2012年引入岩石强度脆性系数和抗拉强度参数对林肖荣等提出的计算式进行改进［3］。梁家坡的磷矿开采标高为1210～1267 m，根据梁家坡的情况，分别采用不同公式的计算结果如表2所示。

表2 裂隙带高度计算结果Table 2 The calculation results of the fracture zone height

综合以上计算结果，梁家坡的采空区影响带高程为1260～1450 m之间，而从该矿区地形来看，梁家坡的高程范围在1175～1499.6 m之间，其地表变形范围多在高程1450 m以下，为采空区影响带高程范围内，由此可见，地下采矿是引起梁家坡塌陷的重要因素。

3.3 与盐池河岩崩成因对比

梁家山坡(申家山)与湖北远安盐池河的情况颇为相似，二者同为采空区上方的斜坡，均为深切高山沟谷地形，且都是采磷矿山，灾害发生后，坡体后缘都出现陡壁。但是所发生的灾害类型有所不同，在外在的宏观表现上有较大区别。1980年6月3日，湖北省远安县盐池河磷矿突然发生了一场巨大的岩石崩塌(图5)。根据相关资料显示，山崩时，标高830 m的鹰嘴崖部分山体从700 m标高处俯冲到500 m标高的谷地，在山谷中形成南北长560 m、东西宽400 m、石块加泥土厚20 m的堆积体，崩塌堆积的体积共100×104m3。最大的岩块有2700 t重。顷刻之间盐池河上筑起一座高达38 m的堤坝，形成堰塞湖［4］。而梁家山坡(申家山)谷底并无大量从上部落下的堆积体，谷底的树空坪河亦未发生堵塞，而只是出现山体沉陷。

盐池河磷矿与申家山磷矿同为斜坡地形下方的磷矿开采，所发生的灾害形式却不同，是因为二者在形成原因上有所不同。盐池河磷矿岸坡山体除采场底部为粉砂质页岩及崩塌山体底部为泥质白云岩与砂页岩互层，其余主要岩性为白云岩，而申家山磷矿岸坡山体的主要岩性为白云岩，二者均存在采场上覆山体整体性下沉，且均发育有两组近垂直的节理，垂直节理的存在为山体发生破坏提供了有利条件。盐池河磷矿地表裂缝正是沿垂直节理向深部追踪发展，由于岩层倾向坡外且崩塌山体底部岩层摩擦强度低，在Ⅰ号裂缝扩展到崩塌山体底部时，大致沿岩层层面倾向方向形成追踪滑动面，完成对崩塌山体的侧向切割，而Ⅳ号裂缝则将崩塌山体切割为两部分(图5)，崩塌山体先是沿追踪滑动面侧向滑移，而后再沿岸坡方向倾倒崩塌［5～7］。但是梁家山坡的岩层内倾，为逆向坡，虽然也产生了地表裂缝，但是并没有产生类似的追踪滑动面，因此不容易造成部分山体脱离母岩而形成崩滑破坏，而是形成采空区上方的山体整体性下沉的塌陷。

图5 盐池河磷矿山崩示意图［5～7］Fig．5 Sketch map of Yanchihe landslide

4 结论

(1)梁家山坡(申家山)受采空区的影响，产生地面塌陷。梁家山坡(申家山)谷底并无大量从上部落下的堆积体，谷底的树空坪河亦未发生堵塞，而只是出现山体沉陷。

(2)梁家山坡(申家山)采空塌陷是由采空区上覆岩体在重力作用下向坡体下方临空面发生变形、破裂和移动引起，其发育受地质因素与采矿因素共同作用的影响。

(3)梁家山坡与盐池河岸坡山体的地质条件不同，因此同样受地下采空区的影响，却导致最终的破坏型式不同。盐池河岸坡山体侧倾向坡外，且倾角远小于坡角，崩塌山体下方的泥质白云岩与砂页岩互层摩擦强度低，追踪滑动面就是在该岩层大致沿岩层层面形成。相比之下，梁家山坡(申家山)的岩层内倾，为逆向坡，这样的坡面与结构面组合比盐池河岸坡山体的稳定性要好，不易发生侧向破坏，因此梁家山坡中并未形成追踪滑动面以致部分山体分离。

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