乌石山矿地表塌陷形成原因及处理

胡军

（新余钢铁集团有限公司乌石山矿，江西 吉安 343411）

0 引言

地面塌陷是指地表岩、土体在自然或人为因素作用下向下陷落，并在地面形成塌陷坑（洞） 的一种动力地质现象。周文亮[1]研究分析了乌石山矿地面塌陷的成因以外，对该区域地面塌陷深层次原因和工程处理措施的研究相对较少。本文通过对乌石山矿地面塌陷形成原因、机理的研究，提出有效的处理方案和措施，对今后矿井安全生产中地质灾害的处理具有重要意义。

1 地质概况

乌石山矿区内出露的主要地层有泥盆系中统棋子桥组、上统佘田桥组和锡矿山组，石炭系下统大节湖组，白垩系上统南雄组以及第四系等。北部、中部和南西部均有石炭系下统大节湖组灰岩地层覆盖，岩溶发育，井下阶段无序开采，破坏断裂带和软弱层，造成与岩溶溶洞之间的水力联系，溶洞水的流失，溶洞崩塌，以致地表塌陷等地质灾害的发生，塌陷坑面积在9～100 m2不等（图1），已成为严重阻碍和制约矿井正常有序安全发展的重要因素。

图1 塌陷坑地表分布示意Fig.1 Distribution of subsidence pit on the surface

2 地表塌陷特征的初步分析

近年来，乌石山矿区地表塌陷陆陆续续发生，河道、农田、道路边、村庄等都有见之。关于地表塌陷的具体特征，以乌石山矿禁冲采区为例，塌坑主要分布在高溪河东岸与农田之间，经过区域地质与井上井下对比研究，可发现塌陷坑与矿体（即蒜田屋单翼） 走向，以及井下采场分布基本一致。地表塌陷坑大多呈不规则椭圆层、似圆形，平面大小在3 m×3 m～10 m×10 m，普遍深度在2～5 m，个别塌坑在10 m 及以上，区域上呈线状多点有规律分布的特征。

3 地表塌陷形成原因分析

3.1 矿井充水补给因素

矿区为低山丘陵地形，东部低山区略呈南北向延伸，由泥盆系上统碎屑岩组成构造—剥蚀地形；西部为波状起伏的低山丘陵岗埠区，由白垩系砂砾岩组成剥蚀—堆积地形。海拔标高146.2—457.10 m，最大比高311 m，当地最低侵蚀基准面为+160 m。矿区最高洪水位标高171.69 m（高溪村）。

地表水系不发育，仅南西侧发育1 条高溪河，溪流流量不大，受季节变化，水位暴涨暴落。矿井充水补给源主要为大气降水及高溪河地表水。

3.1.1 大气降水

大气降水是补给河流及矿床地下水的主要因素，直接通过构造破碎带流入矿床，该区没有导水构造直接出露地表；矿床所处的气候带为潮湿多雨气侯,大气降水通过第四系坡残积孔隙及花岗岩全孔隙向地下渗透,为矿坑充水的间接因素。

3.1.2 高溪河地表水

高溪河由南而北流经矿区南西侧白垩系之上，仅南端切割了棋子桥组，该组厚约260 m，裂隙及岩溶发育微弱，简易水文无异常反映。抽水结果q=0.004 3 L/s·m，K=0.005 7 m/日，为微弱的岩溶—裂隙承压水含水层，因此对矿坑充水影响不大。郭岭村以北切割了大节湖组，离矿区较远，其对矿区北部大节湖灰岩浅部岩溶发育带有少量补给。高溪河规模不大，旱季河水流量较小，雨季最大流量约为36.28 m3/s。

经分析研究后确定该河流对矿坑充水的补给通道主要是通过构造断裂带。

3.2 冒落带及裂隙带高度预测

高溪河在矿区西南部挨近矿体。根据《建筑物、水体铁路及主要井巷煤柱开采规程》第50 条矿区的水体采动等级及允许采动程度规定，该矿水体为重要水源，允许采动等级应属1 级，不允许导水裂隙波及到地面水体。

根据《“三下”规程》中关于开采单一矿层的垮落带最大高度计算公式，对该矿垮落带最大高度进行预计。

式中：h1为冒落带高度；m 为累计采厚，蒜田屋单翼9、10 线附近上矿层最厚取3.5 m，下矿层最厚3.66 m，因此累计采厚7.16 m；k1为岩石松散系数，取1.6；α 为矿体倾角，取南部乌石区域最大倾角40°。

根据《“三下”规程》中关于开采单一矿层的垮落带最大高度计算公式，对该矿导水裂隙最大高度进行预计。

式中：h2为裂隙带最大高度；m 为累计采厚，取7.16 m；k2为冒落带剩余松散系数，取1.35；k3为裂隙带剩余松散系数，取1.02。

根据“二带”计算，确定冒落带最大高度为15.58 m，导水裂隙带最大高度为38.7 m。矿床开采矿层距地表水体、风化层最近距离180 m（11 线位置，为最薄地段），冒落带及导水裂隙带不会波及地表水体。

高溪河溪流底板未切穿含水层，不会改变其原有的导水系数，矿坑涌水量预测已考虑该部分渗水水量，因此溪流对下部开采的影响在可控范围内。

3.3 可能进水通道分析

根据现场资料分析，目前矿坑上部出水点主要是蛇形+60 m 中段有明显的水流进入矿坑，其它地段没有明显的进水方式或大的水流，只有南部通过导水断层进入矿坑的微细水流，因此分析可能进水通道有3 种。

3.3.1 “天窗”

矿区目前出现的“天窗”是矿坑充水的最主要通道，位于9 线ZK904 和ZK907 之间，钻孔ZK905 附近。从9 线附近矿体的分布和现场揭露的情况分析，天窗的形成有以下几点因素存在。

（1） 矿体离地表较近。

（2） 在907 孔位置矿体被层间小断层破坏，矿体与大节湖组灰岩地层直接接触，出现“天窗”。由于以上因素存在，施工中没有采取措施，直接开采矿体，采空区未采用充填封堵，造成灰岩水通过天窗进入矿坑，形成了人为进水通道。

3.3.2 南部F6 断层透水通道

断层带宽度前者2.5～20.00 m，断层虽然切割了泥盆系棋子桥组和石炭系大节湖组地层，但对该断层带抽水试验结果，透水性从北侧到南侧由强到弱，单位涌水量为q=1.74～1.82 L/s·m 至0.000 278 L/s·m，渗透系数K=13.60～25.07 m/d 至0.003 233 m/d，说明其富水性及透水性变化很大，北侧与大节湖组灰岩交接的面岩溶发育，透水性良好，含水性较强，南侧岩溶发育弱，因此北侧破碎带及岩溶发育带是地表水进入矿坑的主要通道，基本可以确定南部高溪河水是通过F6 断层这个通道对矿坑水进行补给的。

3.3.3 松动节理裂隙通道

矿区通过后期采动松动，形成微细节理裂隙渗透形成水力通道，从而完成对矿坑水的补给。

4 处理措施

4.1 地面防治水措施

4.1.1 堵塞通道

（1） 对南部地面塌陷地段，要将它们充填夯实，在其下部以碎石充填，上部以粘土填实，顶部高于地表。

（2） 对可能与井巷联通的地表裂隙及塌陷地点必须进行填平、堵塞等工作，以防止地表水通过裂隙渗入井下。

（3） 排到地面的矿井水，必须妥善处理，避免再渗入井下。

4.1.2 挖排洪沟

（1） 依山临原的矿井或含水层露头的地方，要利用地形垂直于潜水流方向布置排洪沟和截水沟，将洪水和潜水流引出这些地点之外。

（2） 必须经常对流经矿区的高溪河水流系统的汇水、流经矿区各段河道的渗漏情况，各段流量进行监测，以及掌握疏水能力及有关水利情况，建立疏水、防水、排水系统。

（3） 对地表可能渗入井下的积水及容易积水的地方必须修筑沟渠时应避开含水层露头、裂隙及较低洼地点。

（4） 每次降大到暴雨后，必须派专人检查矿区及其附近地面有无裂隙、老窿塌陷等现象，如发现问题，必须及时进行处理。

4.1.3 地面注浆堵水

此次地面帷幕注浆的目的主要是要防止高溪河水下渗，故注浆地段在高溪河附近。

南部高溪河底有1 层砂砾石层，厚度4～16 m不等，下层是白垩系上统南雄组，岩性紫红色厚层状砾岩中粒砂岩，偶夹细粒砂岩，分布于矿区西南部，矿区范围内高溪河底约厚60 m，往北东方向约40 m 左右尖灭，该组岩性致密，岩芯完整，皆具良好隔水性，为一良好隔水层。

故帷幕注浆主要是防范表层砂砾石层，注浆深度要超该层到南雄组弱风化地段，帷幕结构形式为封底式防渗帷幕。帷幕布置沿着高溪河边距离约10 m 左右布置，帷幕注浆平面形式采用半封闭式布置。

4.2 井下防治水措施

4.2.1 留设隔水矿柱安全隔水厚度

根据《矿区水文地质工程地质勘探规范》GB12719-91 规范要求，安全隔水厚度的绝对值采用式（3） 计算。

式中：t 为安全隔水厚度，m；L 为采掘工作面底板最大宽度，m；取最大值50.0 m；r 为隔水层岩石的容重，t/m3；取2.8 t/m3；Kp 为隔水层岩石的抗张强度，Pa；取矿区隔水层综合样品测试值的平均值7.27 MPa。H 为隔水层底板承受的水头压力，Pa。此次计算的承压水头可由隔水层顶界面到测压水位面的垂直距离作为此次计算的承压水头，计算得181 m。

计算得安全隔水厚度t=77 m。

4.2.2 井下探水

（1） F6 断层探水。

设计探水的考虑是控矿构造的透水性，以及考虑该控矿构造往西延伸到高溪河底，布设探水，有利于查明该断层的导水性。

（2） 其它地段探放水。

其它地段如出现工作面潮湿、淋水和有出水预兆时应设探水线探水。应根据探水情况采取措施，若探得水量较小或以静储量为主，可按生产需要，用一定数量的钻孔放水；若探得水量突然增大，采取抽排水不能保证生产安全时，应采取注浆堵水措施。

4.2.3 注浆堵水

（1） 注浆方式。

该区注浆堵水方式采用井下注浆堵水帷幕，原因主要是该区地层基本是隔水层，唯一水力通道就是构造破碎带（F6 断层）。由于F6 断层破碎带北侧透水性好，如施工过程中揭露了断层，采用坑道局部注浆堵水效果较好，即经济工程量又不大，技术成熟。帷幕注浆堵水工程布置图如图2所示。

图2 帷幕注浆堵水工程布置示意Fig.2 The layout of curtain grouting water plugging project

（2） 坑道注浆有关参数。

帷幕坑道及注浆孔的布置：注浆坑道布设长度15 m，断面规格2.2 m×2.2 m；注浆孔布置采用单排孔形式，半扇形布置，注浆孔尾端间距约10 m，过F6 断层5 m，约布置10 个注浆孔。

帷幕厚度最小控制在10 m。

（3） 注浆方法及工艺要求。

为确保注浆安全和工程质量拟采用孔口封闭孔内循环，下行式分段注浆方法。

注浆孔开孔孔径为76 mm，为保证注浆质量，宜采用高压孔内循环式注浆。因此必须埋设好孔口管，管口安装特制的孔口封闭器。钻进时要带好孔口封闭保护装置。

注浆孔设计为直孔，允许偏斜率应控制在1.5%以内。为保证注浆孔的偏斜在允许范围之内，钻进过程中每50 m 孔深测斜一次，发现孔斜应及时采取有效的纠偏处理措施。

4.3 采空区处理

4.3.1 浅孔房柱法采空区处理

开采完后，将通风天井和出矿漏斗等一切通向采空区的巷道和出口进行坚固密实地封闭。然后将井下生产的废石通过上中段的回风巷道，倒入采空区进行充填。废石干式充填虽然上部并不能完全充满，存在结顶困难，但充填过后，顶板有一定的支撑，基本能维持采空区稳定。充填完后将回风巷道与充填采空区连接处砌筑一定厚度的隔墙。

4.3.2 连续垂直分条充填采矿法采空区处理

边开采边充填，分条开采完后即开始充填，矿块开采完后，采空区也充填完毕。充填法在回采过程中可密实充填采空区，对于维护围岩、防止发生大范围的岩层移动，减缓地表下沉，都有显著的作用。

5 结论

（1） 矿体被层间小断层破坏，矿体与大节湖组灰岩地层直接接触，出现“天窗”；加之采矿作业时没有采取措施，直接开采矿体，采空区未采用充填封堵，造成灰岩水通过“天窗”进入矿坑，形成了人为进水通道。

（2） 破碎带及岩溶发育带是地表水进入矿坑的主要通道，高溪河水是通过F6 断层对矿坑水进行补给的。

（3） 采用地表和井下相结合的方法，采用帷幕注浆堵水，从事后的工程效果来看，基本控制了地表塌陷事故的恶化；同时建议矿井今后加大采矿技术的研究，由空场法变更为充填法，提高矿产回收率和解决地表塌陷等地质灾害的发生。