许昌铁矿矿区地面塌陷成因分析

王军强,胡继华,王灵敏

(河南省地质矿产勘查开发局第二地质勘查院，郑州 450002)

矿山地面塌陷是矿山在开采过程中产生的最主要的矿山地质灾害之一 , 由于岩体物理力学性质、地层结构、矿体形态、赋存条件以及采矿方法等地面塌陷影响因素复杂多变，特别是对于具有断裂构造、地层与矿体产状复杂变化的金属矿床,其发生、发展过程具有隐蔽性和突发性等特点 ,不但能造成矿区地面塌陷 ,同时给矿山的建设和安全运营带来严重影响。大批学者采用了各种方法对地下采空引发地面塌陷的成因机理、影响因素及防治对策进行了大量研究[1-6]。其中林丹以浙江省某岩溶矿区地面塌陷为例，研究其与矿坑排水的关系，研究表明，当矿区排水量急剧增大时，岩溶水位大幅度下降，使得土洞中出现负压、上覆土层所受浮托力降低、孔隙水与岩溶水补排关系改变，在多种效应共同作用下，土洞最终形成地面塌陷[7]。黄健民等对广州金沙洲岩溶地面塌陷进行了研究得出，断裂构造发育是金沙洲岩溶地面塌陷的内在因素，高铁隧道施工抽排地下水则是岩溶地面塌陷的直接诱发因素[8]。徐继山等采用了多种勘探方法对邢台市隆尧地裂缝发育特征及成因分析，研究表明断裂活动是开裂的动力基础， 地下水抽采、地表水入渗是开裂的重要因素[9]。彭捷研究了大砭窑煤矿在不同开采方式条件引发地面塌陷和地裂缝的展布规律，并对矿区进行了易发分区和危险性分区[10]。周春梅以大冶铁矿东露天采场地面塌陷为例, 从采场地质环境、矿体特征 、采矿方法、崩落角、地面塌陷形式等方面, 分析了地面塌陷的特征, 并探讨了地面塌陷的形成规律[11]。

本文以许昌铁矿矿山为例分析其地面塌陷成因。许昌铁矿矿山建设期间矿区内武庄村2013年曾发生过一起地面塌陷，并造成1人死亡的严重后果；2015年矿区内又发生水泥道路突然发生崩裂错断，9处陷洞，部分房屋墙体产生裂缝[12]。本文通过对金属矿山地面塌陷机理、塌陷区内地层、矿床顶板及围岩、水文地质条件综合进行分析 ,揭示了许昌铁矿矿山地面塌陷的成因 ,为及时处理该矿山地面塌陷提供了技术支持。

1 矿区自然条件及地质背景

许昌铁矿位于许昌市建安区、长葛市、禹州市交界部位，为一大型铁矿矿山，矿区气候属北温带季风气候区，年降水量在671.1～736.0 mm，属淮河流域，地表水系不发育，清潩河支流石梁河在矿区塌陷区武庄村南流过，是许昌铁矿矿山排水的主要通道。塌陷区位于淮河冲积平原区，地形平坦、开阔，地面标高为90.1～91.9 m，总体地势为西北高东南低。

矿区位于华北地台二级构造单元豫西断块与华北拗陷的邻接部位，三级构造单元的嵩箕台隆东部倾伏端。地层岩性主要有太古宇登封群变粒岩、斜长角闪岩、斜长角闪片岩，新生界新近系砂岩、黏土岩，第四系中粗砂、细砂、粉细砂、粉砂、粉质砂土、粉质黏土及黏土。草庙张背斜是矿区内的主导构造，区内断裂以燕山期断裂为主，主要断裂有北东向和近南北向两组。塌陷区及附近分布有9条断层，其中F3、F4、F6、F7为正断层，多呈东北-西南向分布，呈弱富水性状态。F8、F9、F10、F11为逆断层，呈南北向分布，均为压扭性断裂，裂隙面呈紧闭状。构造角砾已胶结成岩，富水性和透水性差，在-200 m以下揭露到的断层带基本干涸，可视为相对隔水断层。

矿区内地下水主要补给方式为大气降雨，其次是季节性河流的入渗补给和泉水补给，地下水流向基本与地形一致，自西北流向东南，区内地下水以巨厚松散孔隙潜水为主，水量较大，其次为寒武系岩溶裂隙水和变质岩系的裂隙水，水量相对较小。

2 矿山开采基本特征

许昌铁矿开采方式为地下开采、竖井开拓，设计采用分段空场事后充填采矿方法和房柱空场事后充填采矿法。开采规模为200×104t/a。矿山基本建设已完成，尚未进行正式生产，2014年9月至今矿山处于停滞状态。

一期工程主工业广场已建有主井、副井、北进风井、北回风井以及-200 m、-250 m水平巷道。主井井筒直径 4.5 m，一期井深 492.5 m。副井井筒净直径6.5 m，井深532.5 m，为矿山主要进风井，分别与-200 m、-250 m、-300 m 中段水平及-327 m破碎硐室、 -350 m装矿水平连通，形成完整的提升、运输和通风系统。巷道工程现已施工有-200 m、-250 m水平巷道。

前期矿山由副井和北进风井两处排水，每天抽水4次，总抽水时间16 h，两处的平均排水量分别为30 m3/h，每天总排水量约1 440 m3/h；后期由于矿山停滞状态，-200 m中段水平巷道的水集中于-250 m水平至-400 m集水仓，从副井排出，每天抽水2次，抽水总时间为12～16 h，平均排水量300 m3/h左右，每天排水量4 278 m3/d。

3 地面塌陷特征

矿区内武庄村发生地面塌陷点11处(表1)，其中2013年3月发生1处，2015年7～8月间发生10处(含道路崩裂1处)，塌陷点及塌陷区分布情况见图1。地面塌陷平面形态呈椭圆形、近圆形、串珠形、环状线形，剖面形态呈圆柱形、圆锥形，形态特征表现为单一性和重复性。

表1 矿区地面塌陷特征一览表

图1 矿区塌陷区及矿井巷道分布图

4 地面塌陷机理及成因分析

4.1 地面塌陷机理分析

许昌铁矿地下开采引发的各种地面塌陷现象，是由于矿山地下开采形成采空区，采空区上覆岩体在自重和上覆岩土体的压力作用下，产生向下的弯曲与移动，当顶板岩层内部形成的拉应力超过岩层的抗拉强度极限时，直接顶板发生断裂、跨塌、冒落，随后上覆岩层相继向下弯曲、移动，随着采空范围的扩大，受扰动发生弯曲、移动的岩层也不断扩大，从而在地表形成塌陷。在缓倾条件下的上覆岩土体大致可形成3个带，即冒落带、裂隙带和弯曲变形带[13]。

表2 地面塌陷与矿体关系

许昌铁矿地下开采必然引起其顶板或围岩岩层变形与移动，顶板或围岩变形速度、影响范围、发生与发展时间受众多因素的影响，如采矿方法、矿体赋存条件(地质条件、岩土物理力学性质、矿层倾角)、开采的深度、厚度、宽度、采场结构尺寸、开采速度和顺序，以及开采的时空关系等[11]，本文地面塌陷的形式与矿体距地表的埋深及矿体的厚度的关系如表2。

4.2 地面塌陷成因分析

4.2.1 新生界盖层

矿区新生界包括第四系、新近系，总厚190～280 m，与下伏太古界地层不整合接触。地层岩性主要为：第四系松散沉积粉土、粉质黏土、钙质结核层、砂层，厚度62～85 m；新近系微-弱胶结粉细砂岩、中粗砂岩、黏土岩等，砂岩呈微-弱胶结状态，厚度120～210 m。

根据有关研究资料 ,均一的黏土抗塌性能相对较好 ,而二层或多层结构最易产生塌陷。 而矿区新生界盖层土体结构为多层结构，从盖层土体的结构分析，矿区范围内易产生地表塌陷。物探成果表明，在地表塌陷下方，-40 m、-80 m两个深度出现了明显的视电阻率低阻异常，印证了中下部塌陷的存在。

松散的第四系地层与微-弱胶结新近系地层多层结构有利于地面塌陷的形成。

4.2.2 矿床顶板及围岩

许昌铁矿产于太古界登封群变质岩中 , 矿体与围岩岩性过渡渐变关系，经历了多期地质运动，对矿区地层的影响以燕山期地质运动最为显著，使得矿体顶板、围岩节理裂隙发育较强，导致其抗压、抗拉强度降低，表现为顶板及围岩斜长角闪岩、变粒岩变异性很大，部分岩石抗压强度远低于正常岩石(见表3)。

表3 矿床顶板及围岩岩石力学强度表

4.2.3 冒落带、导水裂隙带

依据《矿区水文地质工程地质勘探规范》(GB12719-91)附录冒落带、导水裂隙带最大高度经验公式表，利用许昌铁矿塌陷区附近ZK310、ZK312′、ZK313′钻孔矿层厚度估算的冒落带、导水裂隙带的最大高度(岩石饱和单轴极限抗压强度取30 MPa)。

冒落带最大高度计算公式：

Hc=(3～4)M

导水裂隙带最大高度计算公式：

Hf=(100M/3.3n+3.8)+5.1

估算结果见表表4。由表可知许昌铁矿利用3个钻孔估算的冒落带最大高度分别为30.8 m、55.3 m、70.4 m;导水裂隙带最大高度分别为124.8 m 、82.6 m 、75.8 m。矿床部分地段冒落带估算的最大高度会超出矿层顶板基岩的厚度，从而影响到新生界地层；而导水裂隙带估算的最大高度也同样影响到新生界地层中。调查发现巷(坑)道岩石节理裂隙密集发育，易软化，且巷(坑)道内已发生岩石冒落、片帮现象多处[12](图2)。

表4 冒落带及导水裂隙带最大高度估算表

图2 塌陷区A-A′剖面图

4.2.4 矿坑排水

许昌铁矿矿山排水量由2013年的排水量1 440 m3/d递增到4 278 m3/d，增加了近3倍。地下巷道水温测量和水质检测表明，巷道坍塌处水温降低，基岩地层中地下水与新生界盖层地下水发生混合，巷道坍塌处的水与上部水系出现连通。

矿坑排水过程中，由于巷道顶板岩石变质程度高，岩体破碎，加之距离松散层孔隙含水层很近，渗透水压力大，造成巷道多次坍塌冒顶，矿山坑道坍塌形成冒落带，导水裂隙带沟通上覆新生界含水地层构成弯曲带，土体发生变形或错断或通过隔水层“天窗”，新生界含水层的孔隙水沿错断部位或通过隔水层“天窗”向导水裂隙带运移，造成坑道冒落带出水事故。地下水在运动过程中，将含水层中的一部分细粒物质带走，使土体内部逐渐形成空洞，并向上部呈串珠状发展，遇放炮震动，土体产生液化，这种空洞会进一步扩大。当空洞达到一定规模时，传导至地表形成开采塌陷或陷洞。

矿坑排水量的增加是矿区地面塌陷或陷洞形成的主导因素。

5 地面塌陷防治对策

在地面塌陷成因机理及其影响因素综合分析的基础上，针对本矿山地面塌陷提出如下防治对策：

(1) 塌陷区居民搬迁避让

塌陷区居民处于地质灾害危险性较大区域，在矿山开采的前提下，搬迁避让是减轻地面塌陷灾害的最佳选择。

(2) 加强矿山安全管理

当地政府和相关主管部门应按国家和省有关规定加强对矿山企业的生产安全检查、督查管理，了解矿山安全生产动态，对出现矿山开采突发的安全事件及时处理、查明原因、跟踪督办。

(3) 严格矿山设计施工

武庄矿床矿山建设实践表明，矿床地质结构复杂，围岩岩石破碎，顶板冒落现象时有发生，与上部含水层沟通，已造成地面变形及地面塌陷，威胁地面村庄、道路和农田。矿山企业应加强矿床围岩的管理，针对矿山基本建设期间和采矿过程中暴露的地质环境问题，采取相应的措施，做到安全生产，防止类似事件发生。与国内知名的矿山研究机构建立咨询平台，吸收国内外类似矿山的施工管理经验，注重地表塌陷致灾机理及地压灾害影响性综合分析及矿山回采顺序优化及采矿方法的研究，进一步完善矿山采空区充填技术施工方案。

(4) 做好矿山监测工作

矿山企业按矿山地质环境保护与恢复治理方案、土地复垦方案尽快地实施监测工作，对地面塌陷、地面变形、地裂缝、地下水位、矿山排水、井下巷(坑)道坍塌、突水、水质、水温、水土污染、土地压占破坏等进行监测，及时掌握矿山开采时序与地质环境变化关系，指导矿山科学管理与决策。

(5) 建立预警机制

在当地政府和主管部门的领导下，配合矿山建立矿山预警机制，编制矿山地质环境突发事件应急方案，专人负责，责任到人，建立以村级为主体的地面塌陷监测小组，对出现的突发地质环境问题及时逐级上报[12]。

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