樟村坪国家矿山公园采空区稳定性研究

郭 峰, 王水华, 蒋新洪, 渠 婧

(1.湖北省地质局 水文地质工程地质大队,湖北 宜昌 443000; 2.湖北省地质局 第八地质大队,湖北 襄阳 441002)

樟村坪国家矿山公园采空区稳定性研究

郭 峰1, 王水华1, 蒋新洪2, 渠 婧2

(1.湖北省地质局 水文地质工程地质大队,湖北 宜昌 443000; 2.湖北省地质局 第八地质大队,湖北 襄阳 441002)

樟村坪国家矿山公园为全国首家磷矿国家矿山公园,园区已形成大面积采空区,采空区冒落形成多处地质灾害。通过研究分析区内采空区及地质灾害发育分布特征与形成条件,运用FLAC/FLAC3D数值模拟方法对采空区稳定性进行研究,并有针对性地提出防治措施建议,对樟村坪国家矿山公园建设及类似矿山防灾减灾具有现实意义。

采空区;稳定性;矿山公园

樟村坪国家矿山公园所在的湖北昌达化工有限责任公司樟村坪磷矿位于樟村坪矿区Ⅲ矿段,毗邻樟村坪集镇,矿区面积2.107 9 km2,是宜昌磷矿开发最早的矿区之一。2005年以来,因面临资源枯竭,主要以回采为主,同时对原采空区进行部分矿柱置换,截至2011年12月底,累计出矿5 869.6 kt。2013年,湖北昌达化工有限责任公司宜昌樟村坪磷矿获批国家矿山公园。

湖北昌达化工有限责任公司宜昌樟村坪磷矿区已形成大面积采空区,面积约129.7×104m2[1],占矿山总面积62%。采空区冒落导致矿区内地质灾害活动日渐频繁,因该矿山毗邻樟村坪集镇,采空冒落型地质灾害不仅危及矿山安全生产,还影响国家矿山公园旅游产业规模的提升,对樟村坪集镇的生态、环境退化也有加剧趋势,危害性与潜在威胁巨大。因此,通过研究分析区内采空区及地质灾害发育分布特征与形成条件,提出有针对性的防治措施建议,对国家矿山公园开发利用及同类矿山防灾减灾具有现实意义。

1 区域地质背景及开采历史

1.1 地形地貌

区内地貌类型属黄陵背斜东翼单斜构造侵蚀溶蚀中低山区。区内地势北西向南东逐步降低,制高点老君坐高程1 252 m,最低点樟村坪集镇高程894 m,最大高差258 m。本区为黄柏河东支的源头——黄马河发源地之一。西侧坡陡东侧斜坡稍缓,坡体中、上部震旦系上统灯影组白云岩出露区多为高陡绝壁、奇峰林立,坡体中下部陡山沱组炭质微晶白云岩、炭质页岩出露区多构成缓坡。具体地形参见图1。

图1 樟村坪矿段地形立体图Fig.1 Topographic stereogram of Zhangcunping ore section

1.2 地层岩性

矿区出露地层由老至新为:震旦系陡山沱组(Z1d)岩性为微晶白云岩、含碳质微晶白云岩,夹薄层泥质白云岩、含磷矿层,矿体厚度平均3～4 m。震旦系灯影组(Z2dn)岩性为白云岩、硅质白云岩、白云质磷块岩、泥质白云岩及角砾状白云岩组成。

图2 樟村坪矿山公园采空区及地质灾害分布图Fig.2 Distribution map of goafs and geological disasters in Zhangcunping mine park1.矿山公园范围;2.矿柱;3.矿层露头线;4.地下井巷及编号;5.采空区矿柱、顶板、底鼓集中区;6.采空区界线;7.地面塌陷及编号;8.危岩及编号;9.地裂缝及编号。

1.3 地质构造

矿区为一平缓的单斜构造,走向近南北,倾向东,倾角5°～15°,平均8°,褶皱不发育。本区段主要断层有8条,其中落差>20 m的有2条,按走向大体可分为北西向及北东向两组,以北西向断层为主。对矿区有影响的主要为樟村坪断裂(F1),为正断层,通过矿区南部边缘,构成矿段南界。断层走向110°～290°,延伸1 000 m,倾向20°,倾角52°～62°;断层下盘为崆岭群变质岩,上盘为陡山沱组;该断层破碎带一般为8～32 m,向深部变宽,断裂带发育碎裂岩、破碎岩块,并见混合花岗岩的角砾等。

1.4 矿床地质特征

1.5 水文地质条件

区内地下水类型主要为碳酸盐岩裂隙溶隙水。磷矿层赋存于当地侵蚀基准面以上,由于矿段四周被沟溪切割较深,地表水和矿段地下水无水力联系。地下水主要接受大气降水补给,丁家河为区内主要供水水源地。

1.6 矿山开采历史及现状

1966—1968年原湖北省地质局第九地质大队即对樟村坪矿区进行了普查和勘探,上世纪70年代有多家乡镇矿山开采;在80年代,由原化工部与湖北省政府共同投资6 648万元兴建湖北省宜昌樟村坪磷矿,2003年企业改制转为民营,更名为湖北昌达化工有限责任公司樟村坪磷矿。

樟村坪磷矿采用地下开采方式,为房柱法和全面法回采,整个矿段布设有1 028、1 010、 987和904四个中段及1 050副中段。该矿山已形成大面积采空区,总面积约129.7×104m2,此外邻近磷矿企业在矿体北侧和东侧附近也形成约50×104m2的采空区面积。这些采空区基本都未加处理,依赖预留的矿柱来维持采空区的稳定,但采空区内预留的保安矿柱、点柱和条形矿柱曾遭受严重的盗采,使采空区矿柱系统的支撑能力削弱。大面积采空区分布对井下工作人员、设备和规划中的国家矿山公园安全构成了严重威胁。

2 采空区及地质灾害分布

2.1 采空区分布及变形特征

湖北昌达化工有限责任公司樟村坪磷矿已分别对1 028 m、1 010 m、987 m、984 m、982 m、981 m、980 m等标高中段进行开采,其中1 028中段、1 010中段、987中段已经闭坑,已在矿山西部形成一个约71×104m2的采空区,部分已塌陷;东部及东南部形成一个长条状约41.3×104m2的采空区,地表已开裂,局部已塌陷。全矿主巷道已深达1 600 m,采空区总面积达112.3×104m2。2008年以后,矿山生产以规模回采为主,同时对原采空区进行部分矿柱置换,生产中段主要为984中段、983中段、982中段、981中段、980中段。西南角原设计预留的陡岩山坡及民房保安矿柱亦已部分开采。截至2011年12月底,矿山已形成总面积约129.7×104m2采空区(图2),全矿备采矿量已形成,已至生产尾期。

井下采空区调查显示,井下的顶板稳定状况、矿柱完整情况整体上呈现出从北到南趋好的现象。在1 028中段280～284、1 010中段100～105、1 010中段106～109与987中段875～877之间的双包至T3#古裂缝区域顶板局部已冒落,冒落区边缘部分尚未接顶,冒落体块度大小不一,冒落区附近矿柱片落严重,如照片1所示。109、877以北(双包一带)及南侧984采场1#、2#溜井附近分别出现矿柱压裂、顶板显著下沉,底鼓现象,矿柱受力变形破坏以受压劈裂方式为主(照片2),破坏矿柱表层出现纵向裂缝并侧鼓、剥离,此外部分矿柱变形破坏呈剪切方式(照片3),绝大多数破坏的矿柱并未完全压溃或剪断,仍有部分支撑能力,少量破坏矿柱由于留设尺寸偏小,在重力作用下已完全失去承载能力;空区内出现底鼓的地点较少,底鼓开裂延伸长度也仅为2 m左右(照片4);顶板下沉现象较普遍,空区内很多信号柱被压弯、折断,所设置的木滑尺也纪录了一定的变形量(照片5),表明顶板围岩由于采场开挖的卸荷回弹或受力产生了弯曲变形。

照片2 矿柱受压劈裂破坏Photo 2 Splitting failure of pillar under compression

以上变形现象表明该区域采空区有显著的地压活动。从282中部、104、874～870往南胡家屋场一带,采空区的整体稳定性较好,空区内矿柱分布不均匀,局部最大跨度达80～100 m,矿柱尺寸普遍为3 m×3.5 m、4 m×4 m、4 m×5 m点柱,连续矿壁很少,也有1～2 m宽的小矿柱,矿柱间最大间距一般为11～14.5 m,虽有个别矿柱破坏现象,但所占比例较小。在1 028中段预留的保安矿柱目前已被部分回采,边缘的连续矿柱厚度显著减小,回采区段多为点柱,但稳定性较好,矿柱完好。

照片3 矿柱受压剪切破坏Photo 3 Shear failure of pillar under compression

照片4 采场底板底鼓现象Photo 4 Floor heave of stope floor

照片5 采空区顶板下沉Photo 5 Roof subsidence in goafs

2.2 地质灾害分布特征

长期采矿使樟村坪国家矿山公园区内形成129.7×104m2的采空区,引起地表山体变形开裂,形成地面塌陷及崩塌(危岩、滚石),破坏森林植被和耕地,严重威胁采空区地表及樟村坪集镇人民生命财产安全。区内共分布各类地质灾害7处[2],其中地面塌陷(地裂缝)5处、危岩2处(表1)。

区内地质灾害形成的直接原因为采矿形成大面积的采空区,主要动力来源于矿层顶板重力及雨水入渗。受毗邻樟村坪断裂影响,矿区岩层中高角度构造裂隙发育,矿层顶板较薄,顶板由薄层状的脆性岩体构成,顶板的岩层被切割呈块状,完整性较差。采矿后采空区上部山体应力重新调整及雨水的入渗加载,使顶板逐渐破坏从而产生塌落,因顶板薄而在地表形成地裂缝、塌陷坑及危岩体,地表变形区大致沿着浅层采空区或浅层井巷发育。如双包地裂缝(危岩)、T3#古裂缝及罗家屋场危岩即位于1 010中段106～109与987中段875～877之间的早期采空区上部山体,据井下采空区调查资料,该区段采空区普遍存在矿柱压裂、顶板显著下沉、底鼓现象,该段地表罗家屋场、边家屋场一带也产生了地面塌陷(照片6、照片7)。

表1 樟村坪国家矿山公园地质灾害基本特征一览表Table 1 List of characteristics of geological disasters in Zhangcunping national mine park

照片6 罗家屋场地面塌陷导致房屋倒塌Photo 6 Building collapses caused by ground collapse in Luojiawuchang

照片7 边家屋场地面塌陷导致地坪开裂Photo 7 Floor cracks caused by ground collapse in Bianjiawuchang

3 采空区稳定性数值模拟分析

3.1 分析方法

本次运用数值模拟的方法对昌达樟村坪磷矿采空区进行研究。FLAC/FLAC3D分析软件适合于连续岩土介质和岩土结构工程问题的求解。该程序建立在拉格朗日算法基础上,适合模拟大变形和扭曲。FLAC/FLAC3D采用显式算法来获得模型全部运动方程(包括内变量)的时间步长解,从而可以追踪材料的渐进破坏和垮落。

3.2 计算几何模型及边界条件

计算模型[3]选取垂直于走向的一段山体进行三维模拟计算,计算软件采用FLAC3D。三维计算模型在水平方向的长×宽尺寸为:408 m×152 m。模型的宽度方向为矿体的走向方向,长度方向为矿体倾向方向,模型高度范围为标高900 m至地表。

计算模型共划分为92 550个六面体单元,98 952个节点。计算模型的几何形态及单元划分如图3所示。计算模型中的矿柱及间距,有实测数据的按实际尺寸处理,对于没有实测数据的则按矿山标准采矿方法设计参数确定。

计算模型中,上部边界自由;左、右边界的水平位移固定约束,垂直位移不约束;底部边界的垂直位移固定约束。本构模型采用Mohr-Columb弹塑性模型。

图3 三维数值模型Fig.3 Three-dimensional numerical model

3.3 岩体力学参数与初始应力场

力学参数依据长沙矿冶研究院提供的湖北宜昌磷矿岩石力学参数测定报告,并采用工程地质类比法,借鉴类似矿区所得到的岩石力学参数来获得,初始应力场按自重应力场计算。具体计算参数参见表2,表中的体积模量和剪切模型按照下式得出:

K= (1)

数值模拟计算中,以压应力为负,拉应力为正。

3.4 计算结果

数值模拟计算根据采空区条件,分别设定多种工况计算,现分述如下:

3.4.1 当前工况

在当前开挖情况下,岩体最大变形区位于采空区顶面,随高度增加位移减小,山体西侧位移量大于东侧,在西侧坡面下部位移较大。应力变化分布较均匀,在最大压应力出现在不规则矿柱分布的采空区区域,最大拉应力基本上沿着开挖层的底板分布(图4)。底板和部分矿柱产生受拉和剪切屈服,屈服矿柱占总矿柱的10%左右,主要集中在山峰的下方,与该位置承受的岩体自重压力较大有关,顶板也出现有零星的剪切屈服区,但分布较分散。地表水平最大位移出现在山峰处,地表水平位移规律基本上是山峰左侧往左位移,山峰右侧往右位移。

图4 当前工况下山体位移等值线图Fig.4 Contour map of the mountain displacement at the present condition

由上可见,在当前工况下,采空区及山体整体是稳定的,但顶板、矿柱和底板均出现屈服破坏区,表明其稳定状态正逐步向临界状态转化。

3.4.2 矿柱破坏工况

为了预测随着采空区矿柱的破坏,采空区围岩力学状态状况和变化趋势,分别计算了在矿柱有10%、30%破坏和局部矿柱全部垮塌等情况下的变化。

随着矿柱的减少,山体整体位移值呈增加趋势,开采空间的屈服面积在逐渐增大,具体表现为矿柱部分主要是剪切破坏,底板和顶板表现为张拉破坏。当目前矿柱破坏的数量达到30%后,顶板的张拉屈服区显著增加(图5),同时底板和矿柱会出现连片的大面积屈服破坏,因此当矿柱破坏数量超过20%后采空区稳定性状态将可能严重恶化。在现有条件下,若采空区出现局部一定范围内矿柱全部破坏失效的情况,该区域的顶、底板位移量呈扇形分布形式增加,显著增加的范围集中在附近有限的区域内,顶板产生应力集中。四周的矿柱和底板出现屈服。

图5 矿柱破坏30%时整体位移分布图Fig.5 Overall displacement distribution map when the pillar is destroyed by 30%

3.4.3 矿柱力学性能削弱工况

为了研究矿柱经过长期的风化、蠕变、爆破震动、人为破坏等自然和人为因素的作用,力学特性弱化引起的采空区稳定性状态的变化,计算了该工况下,采空区围岩位移、应力变化特征。计算结果显示,在矿柱的力学性能逐渐削弱下降过程中,如采空区围岩屈服破坏区域显著增加(图6),矿柱几乎完全屈服,位移量显著增加,可能导致顶板的冒顶、垮落。说明大规模采空区经过长期的弱化,必然导致破坏,所以在采空区治理中,采用加固支撑方法长久维护空区稳定是不可取的。

图6 矿柱力学性能降低后整体位移图Fig.6 Overall displacement map after the reduction of mechanical properties of the pillar

4 采空区治理方法建议

采空区处理通常采用封闭、崩落、加固和充填四种方法,有时也联合使用这几种方法。

樟村坪磷矿现有空区体积约260×104m3,采用充填治理经济性差、组织实施复杂、周期长,在现有条件下,实施难度较大。采用加固支撑措施,工程量较大,只能起到减缓推迟顶板冒落时间的作用,安全性较差。

采用强制崩落法处理采空区,其结果对矿山公园而言具有不可控性。故均在樟村坪矿不适用。

樟村坪磷矿已批准建设成为矿山公园,在保证采空区不影响到旅游和周边环境安全的前提下,采用自然崩落法与封堵相结合的方法比较符合矿山当前的实际情况。

5 结语

(1) 区内地质灾害发育、分布受井下采空区顶板稳定状况、矿柱完整情况影响明显。地面塌陷区大致沿着浅层采空区或浅层井巷发育,变形区段采空区普遍存在矿柱压裂、顶板显著下沉、底鼓现象,其地表山体形成多处开裂、危岩。

(2) 利用地形图、采空区及地质灾害的分布资料,结合FLAC3D分析技术,建立了三维数值模型。通过模拟显示,在当前工况下,采空区及山体整体是稳定的;若采空区矿柱破坏加剧及矿柱力学性能削弱,采空区稳定性状态将可能恶化。

(3) 樟村坪国家矿山公园目前已启动实施一期建设——矿山地质环境治理。采空区稳定性研究为下一步划分治理区域,结合矿山公园规划因区施策具有指导意义。

[1] 吕小虎.湖北省宜昌磷矿樟村坪矿区Ⅲ矿段2011年度资源储量报告[R].宜昌:湖北昌达化工有限责任公司,2012.

[2] 郭峰,马振,阎巍.宜昌市夷陵区地质灾害详细调查报告[R].武汉:湖北省水文地质工程地质勘察院,2016.

[3] 汪晓霖.湖北昌达化工有限责任公司宜昌樟村坪磷矿井下采空区治理方案[R].武汉:中钢集团武汉安全环保研究院,2006.

Study on the Stability of Goaf in Zhangcunping National Mine Park

GUO Feng1, WANG Shuihua1, JIANG Xinhong2, QU Jing2

(1.HubeiInstituteofHydrogeologyandEngineeringGeology,Yichang,Hubei443000; 2.EighthGeologicalBrigadeofHubeiGeologicalBureau,Xiangyang,Hubei441002)

Zhangcunping national mine park is the first phosphate park in China with widespread goafs.There are many geological disasters formed in collapsed goafs.In the study of goafs,through research on development and distribution characteristics and formation conditions of goafs and geological disasters in the study area,some targeted prevention measures are put forward using numerical simulation,which have important practical significance to development and utilization of national mine parks and disaster prevention and reduction in related mine.

mine park; goaf; stability

TD853.391+.2

A

1671-1211(2017)06-0746-06

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.06.015

2017-08-21;改回日期2017-09-25

郭峰(1971-),男,高级工程师,水文地质与工程地质专业,从事水文地质、工程地质、环境地质勘查、调查、设计工作。E-mail:582404490@qq.com

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.P.20171027.0937.004.html数字出版日期2017-10-27 09:37

李雯)