苏北某磷矿矿区采空地面塌陷成因机理研究

王玉喜　胡克荣　任金来

摘 要：地下磷矿资源的开采的形成了大面积的采空区，引发了采空地面塌陷地质灾害。本文以苏北某磷矿为研究对象，论述了研究区矿产地质条件及采矿方法，查明了矿区采空地面塌陷地质灾害情况，分析了影响因素，在此基础上阐明了采空地面塌陷的成因机理，为矿区安全生产和地质灾害防治提供依据。

关键词：磷矿；地质灾害；采空地面塌陷

随着社会经济的不断发展，农业及工业发展迅速，磷矿作为生产各种磷肥的主要原料，也是化工、轻工、国防等工业的重要矿物原料，磷的开采量日益增大。地下磷矿资源的开采的形成了大面积的采空区，引发了突出的地质环境问题，以采空地面塌陷为主，不仅占用、毁坏了大量的土地资源，而且破坏了矿区生态景观，污染了矿区生态环境，严重影响了矿区的经济发展以及人们的正常生产、生活，也成为了制约企业安全生产的一大难题[1]。

本文以苏北某磷矿矿区为研究对象，调查区内采空地面塌陷地质灾害发育情况，研究其影响因素及成因机理，为地质灾害防治提供依据。

1 研究区概况

该磷矿系前震旦纪沉积变质磷灰岩矿床，矿体赋存于锦屏组第一段含磷大理岩，白云二长片麻岩，云母片岩中。矿体呈似层状，夹层一般1-2层，岩性以含磷大理岩为主，片麻岩夹层较少。矿体向北东侧伏，侧伏角28°，岩层走向3°～19°，倾向93°～109°，倾角南小北大32°～51°。整个矿区地表都有第四系分布，主要为陆海相砂、粘土淤泥等松散碎屑沉积物，厚度18.11～26.67m。

矿体围岩：矿体顶板为白云质大理岩，云母大理巖，白云二长片麻岩；矿体底板全为白云质大理岩。区域顶板岩石质量属于劣的-中等，局部岩性较松散，含软弱夹层，岩体完整性差，稳固性较差。

矿区构造：矿区位于锦屏倒转背斜东南正常翼的中段，为一单斜构造。根据资料显示，矿区内未发现破坏矿体和影响开采的断裂构造。在含磷地层中，有局部的小错动和岩石破碎现象。

水文地质：研究区矿产赋存于海州群锦屏组变质岩中，岩性变化中等，主要涌水量为锦屏组第一段上部的岩溶裂隙水。砂层孔隙承压含水层与基岩裂隙承压含水层具有一定的水力联系，大气降水通过砂层间接补给基岩裂隙岩溶含水层。地下水的排泄主要依靠生产巷道的疏干排水，矿山在生产过程中，地下水已疏干到-400m标高，由于长期抽取地下水，已形成很大的降落漏斗。

矿床采矿方式：矿区为地下开采，采用竖井、盲竖井开拓。按照矿体的不同厚度和开采深度，采用了不同的采矿方法：主要有浅眼房柱法、崩落法、空场法、爆力搬运矿房法、阶段矿房法和底盘漏斗分段采矿法。

2 研究区地质灾害情况

研究区地质灾害类型主要为采空地面塌陷。据调查，该磷矿自建矿以来曾发生过多起地面塌陷，曾在1978年4月至1980年4月期间，-50m中段由于采用分段崩落法采矿，至使第四系流砂和淤泥多次溃入坑道，并引起地面塌陷，特别是1983年11月24日在-42.2m标高处地面塌陷面积达24410m2。后来，为防范采空区继续塌陷，不再采用分段崩落法采矿，而使用房柱法，同时加大了-80m中段的顶柱和间柱，使-80m以下的采矿和-50m中段隔离开来，防止矿层顶板冒落连通第四系砂层和淤泥。

近年来矿区地质灾害频发，先后发生3次地面塌陷：2013年12月25日，地表形成了直径约110米、面积约8106m2倒立圆台塌陷坑（见照片1），坑底地下投影位置位于-200m中段，塌陷造成了东侧约70m处的浦发路路基局部出现不均匀沉降和裂隙；2016年3月4日，在该磷矿采空区范围内再次发生地面塌陷，形成了长轴约130m，短轴约100m的椭圆形倒立圆台塌陷坑，塌陷地表面积约9400m2（见照片2），坑底地下投影位置位于-120m采矿中段附近；2016年12月31日，第三次发生地面塌陷，塌陷坑呈漏斗状，地表塌陷区影响范围9960m2，下涌淤泥和流砂体积约10万m3，造成塌陷坑外围地表和西侧矿山道路多处裂缝（见照片3）。

3 矿区地质灾害影响因素及成因机理研究

3.1 影响因素分析

采空地面塌陷是指地表岩石或土层由于地下矿产被采空而引起地表的下陷或塌落。采空地面塌陷是诸多因素综合作用的结果，通过对评估影响范围地面塌陷的详细调查和对地面塌陷的破坏表现形式的研究并结合实际生产的工作经验，主要影响因素有以下几个[2-3]。

3.1.1 矿藏条件因素

矿层埋深：矿层埋深越大，变形发展到地表所需的时间越长，地表变形值越小，变形比较平缓均匀，但是地表影响范围增大。

顶板岩性：上覆岩层强度高、分层厚度大时，产生地表变形所需采空面积大，破坏时间长，甚至长期不产生地表变形；强度低、分层薄的岩层，常产生较大的地表变形，且速度快，但变形均匀，地表一般不出现裂缝；脆性岩层地表易产生裂缝。厚度大、塑性大的软弱岩层作为上覆层时，地表变形不明显；层薄的软岩层作为上覆层时，地表变形会很快并出现裂缝，地表变形强烈。

3.1.2 地质条件因素

地质构造条件：岩层节理裂隙发育会促进变形加快，增大变形范围，扩大地表裂缝区。断层发育地区会破坏地表移动的正常规律，改变地表变形带的位置和大小且加剧地表变形。

松散层厚度，地表第四系的堆积物越厚，则地表变形值增大，但是应力释放空间较大，变形平缓均匀。

水文地质条件：地下水活动（特别是抗水性弱的软弱岩层或节理裂隙发育的强透水岩层）会加快变形速度，扩大地表变形范围，加剧地表变形。

3.1.3 开采条件因素

矿床的开采方法、开采深度、采动程度、矿层顶板的处置方法以及采空区的大小、形状等都会对采空区的稳定性产生影响，诱发采空地面塌陷地质灾害。

3.2 成因机理研究

根据研究分析，研究区采矿诱发的地面塌陷的成因机理如下：

①研究区内矿体呈似层状，厚度多大于5米，当采深采厚比较小时（小于30%），加之顶板白云质大理岩，整体上属劣质的软弱岩石，强度相对较小，稳定性较差，没有有效的支撑顶板。在地下矿层开采形成采空区的过程中，周围岩体的应力场产生变化，应力调整和重新分布，采空区顶板覆岩表现出应力集中，促使采空区顶板覆岩遭受剪切破坏，完整性降低，裂隙进一步发育，使巷道顶板、底板和侧帮岩层产生变形，出现顶板冒脱、裂隙带和弯曲带；矿山多年开采引起顶板岩层移动已明显波及到地表，其地表沉陷和变形在空间上和时间上都有明显的不连续特征，地表变形剧烈，采空区上方会形成较大的裂缝或塌陷坑[4]。

②研究区内坑道的主要涌水量为锦屏组第一段上部的岩溶裂隙水，片麻岩隔水层有张裂隙，其透水性较好。上部岩层富含地下水，通过构造裂隙渗入深部围岩和采空区，导致裂隙张开，强度降低；同时，地下矿层开采时，在地下水疏排過程中，随着地下水位不断下降，形成很大的降落漏斗，覆盖层由于自身重力及缝隙水压力向下形成压力，从而加剧岩层破坏，最终诱发顶板覆岩和地表冒落塌陷。

③采用房柱法开采的矿层，留设保护矿柱，但矿房被开采后，破坏了原始应力平衡状态，导致了采场应力的重新分布，随着时间的推移和应力场的改变，在不断积累的应力作用下，发生劈裂、片帮等现象，最后上覆岩层会失去支撑而导致冒落下沉，在垂直方向的破坏和移动，形成比较明显的“三带”破坏形，进而引发上覆岩层沉降和采空塌陷。

矿柱对采矿引起载荷的整体响应取决于矿柱大小、矿柱中的地质构造和围岩对矿柱所施加的表面约束等。在接近矿柱强度的应力作用下，矿柱发生破坏，致使表面剥落、剪切破裂、内部劈裂、穿透节理或挠曲破坏。

④采矿过程中，井内放炮震动使得岩土体发生破裂、位移和砂土液化现象，岩土体强度降低，从而引发地面变形。另外，采矿及运输设备振动，地表荷载增加等，也会对采空区产生影响扰动，加剧顶板破坏，诱发采空地面塌陷。

4 结论

①研究区采空地面塌陷近年来发生频率增加，是矿产埋藏条件、矿区地质条件和开采条件多方面因素共同作用的结果；

②研究表明矿区的采深采厚比、围岩的性质、地质构造、地下水条件和开采方式是发生采空地面塌陷的主要原因。在采空区形成的过程中，采空区顶板覆岩遭受较为严重的破坏，加这构造裂隙较为发育，地下水作用等外部因素的诱发，采空区发生地面塌陷；

③矿区地质灾害频发，威胁地下矿井生产安全，同时危害矿区内生产人员及构建筑物安全。了解其地质灾害成因及机理是地质灾害防治工作的重要依据，是矿区周边土地规划及综合利用的基础。

参考文献：

[1]王兆远，徐婷，李源汇，梅甫定.磷矿采空区风险管理体系探讨[J].安全与环境工程，2011，18（2）：77-80.

[2]于大鹏，覃秋雅，马秉智，毛伟.矿山采空区地面塌陷危险性预测[J].工矿自动化，2010（3）：78-81.

[3]冯有利，罗清威.基于Roughset的采空区地面塌陷危险性评价[J].河南理工大学学报（自然科学版），2016，35 （6）：759-764.

[4]刘佑荣.岩体力学[M].北京：中国地质大学出版社，2012.

作者简介：

王玉喜（1985- ），男，籍贯：江苏盐城，本科，工程师，主要从事水工环地质相关工作。