金属矿山地下开采引起地面塌陷的规律.pdf

第 ３２ 卷第 １ 期 ２０１０ 年 ０１ 月 武 汉 工 程 大 学 学 报 J ． Wuhan Inst ． Tech ． Vol ． ３２ No ． １ Jan ． ２０１０ 收稿日期 ２００９１０１５ 基金项目 国家自然科学基金项目资助（５０８７４０８０）和湖北省教育厅优秀中青年人才项目 ． 作者简介 周春梅（１９７９ ） ， 湖北随州人 ， 博士 ， 讲师 ． 研究方向 矿山地质灾害防治 ． 文章编号 １６７４２８６９（２０１０）０１００６１０４ 金属矿山地下开采引起地面塌陷的规律 周春梅 １ ， 李 沛 ２ ，虞 珏 ２ ， 李先福 １ （１ ．武汉工程大学环境与城市建设学院 ， 湖北 武汉 ４３００７４） （２ ．武汉钢铁集团矿业有限责任公司大冶铁矿 ， 湖北 黄石 ４３５０００） 摘 要 金属矿山地下开采引起地表塌陷已经成为一种主要的矿山地质环境问题 ． 地面塌陷受多方面因素影 响 ， 各因素相互作用使得金属矿山地表塌陷形成机理复杂 ． 本文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 、 地面塌陷的形式等方面 ， 综述了地面塌陷的特征 ， 并探讨了地面塌陷 的形成规律 ， 该研究为矿山地面塌陷的成因及控制对策研究提供了帮助 ． 关键词 金属矿山 ； 地下开采 ； 地面塌陷 ； 矿山地质环境 ； 大冶铁矿 中图分类号 P５５４ 文献标识码 A doi １０ ． ３９６９／j ． issn ． １６７４‐２８６９ ． ２０１０ ． ０１ ． ０１９ ０ 引 言 国内外对矿山开采引起地表塌陷的研究由来 已久 ， 但研究成果主要是针对煤层开采的岩层移 动与地表沉陷预测 ． 对于金属矿山 ， 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 矿方法与煤矿存在着较大的差异 ， 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 ， 目前国内外尚 没有比较成熟 、系统和准确的方法来研究地面塌 陷的形成机理以及控制对策 ［１］ ． 大冶铁矿露天采场矿体自 ２０ 世纪 ６０ 年至 ８０ 年代相继开采完毕并转入地下开采 ， 目前除局部 的挂帮矿回采外 ， 主要为地下开采 ． 由于长期的大 量地下开采铁矿层 ， 形成大面积采空区 ， 据黄石市 地质灾害调查与区划资料 ， 矿区采空区将近 ４ km ２ ， 采空区高度 １０ ～ ２５ m ， 最大达 ４０ 余米 ， 导致 其围岩应力发生改变 ， 岩体完整性遭到破坏 ， 采空 区顶板塌落 ， 波及地面引起不均匀沉降与大面积 的塌陷 ［２ ， ３］ ． 东露天采场狮子山 ２０ 世纪 ７０ 年至 ８０ 年代发生地面变形 ， 目前已形成长 ３００ m ， 宽 ５０ ～ １２０ m ， 深 ２０ ～ ３５ m 的塌陷坑 ， 导致地表排水沟 道 、 通风斜井井口以及部分厂房等建筑物受损破 坏 ． 尖林山 、龙洞 、铁门坎等采区也发生多处规模 不一的地面塌陷 ， 对铁山区三岔路村 ２ ０００ 余人的 生命财产造成严重威胁 ， 同时也危及矿业活动的 正常进行 ， 地面塌陷已成为一种严重困扰矿山开 采的地质环境问题 ． 本文以大冶铁矿东露天采场的地表塌陷为 例 ， 从东露天采场的地质环境 、矿体特征 、采矿方 法 、 地面塌陷的形式 、崩落角分析入手 ， 探讨塌陷 区的特征及形成规律 ， 为地面塌陷的形成机理及 控制对策的研究奠定了基础 ． １ 地面塌陷的形成机理及控制对策 金属矿山地下开采地面塌陷是由于矿山地下 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张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 ， 接着上 覆岩层相继向下弯曲 、移动 ， 随着采空范围的扩 大 ， 受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三个 带 ， 即冒落带 、裂隙带和弯曲变形带 ， 这三个带的 界限一般不明显 ， 也不一定同时出现 ［４］ ． 金属矿山地下开挖必然引起岩层变形与移 动 ， 其变形速度 、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 ， 金属矿山开采后地表的 移动变形函数可表示为 ［１］ Dr＝ F（H ， L ， M ，TH， E ，J ， C ，矱，μ，γ，ω，⋯ ） 其中 ， Dr为开采后地表的实际移动量 ；H 为实际 ]６２ 武汉工程大学学报第 ３２ 卷 开采或开挖深度 ； L 为采区的实际开采宽度 ； M 为 矿块的实际开挖厚度（或矿层厚度） ；TH为水平构 造应力 ； E为采区上覆岩体的弹性模量 ；J 为采区 矿层上覆岩体节理裂隙影响系数（无量纲量） ； C 为 矿层上覆岩体的内聚力 ；矱为矿层上覆岩体的内摩 擦角 ；μ为矿层上覆岩体的泊松比 ；γ为介质的密 度 ；ω为地下水影响系数 ． 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 １ ， 同时 ， 在塌陷发生的沉陷盆 地中心部位以垂向下沉为主 ， 水平位移 、 倾斜位移 量较少 ， 形成沉陷盆地 ； 在盆地边缘及外缘裂隙拉 伸带则以倾斜位移和水平位移变形为主 ， 可能出 现地表裂缝 、 漏斗状塌陷坑 ， 进而在斜坡区域引发 边坡失稳 ， 产生崩塌 、 滑坡等 ． 表 １ 地面塌陷与矿体关系 Table １ Surface subsidence area and orebody 矿 体 距 地 表埋深 矿体厚度采空区对地表 影响 地面塌陷形式 浅厚较大塌陷带 、 塌陷坑 深厚一般裂隙带 、地面裂 缝分布多 深薄轻微地面裂缝 分析金属矿山地下开采地表移动范围的方法 主要有以下几种 a ． 工程类比法 ， 金属矿山常用的 一种半定量的经验性方法 ． b ． 理论分析法 ， 包括上 盘渐进崩落理论 、 上下盘渐进断裂理论 、 松动区引 起地表岩层移动理论 、构造应力控制矿山地表岩 层移动理论 、矿山岩体采动影响与控制工程学理 论 、 概化随机介质理论 ， 其中上盘渐进崩落理论和 上下盘渐进断裂理论适用于露天转地下用崩落法 回采的矿山 ． c ． 数值分析方法 ， 能对地表变形破坏 的定量评价 ， 已广泛应用于地表移动机理研究 中 ［４］ ． ２ 大冶铁矿东露天采场塌陷区 ２ ． １ 东露天采场地质环境 大冶铁矿东露天采场是由象鼻山 、狮子山 、 尖 林山三个矿体组成 ． 其中西部的象鼻山最高标高 ２２８ m ， 中部的狮子山最高标高２７６ m ， 东部的尖林 山最高标高 ２５０ m ， 封闭圈标高为 ７２ m ． 采场总体 走向 NW３００ ，长度为 ２ ２００ m ，坑底面积为 ８ １５０ m ２ ． 东露天采场内的地质构造复杂 ， 断层节理发 育 ， 主要发育的断裂构造有 F９、F２５、F１３、F１０、F１１、 F１２、 F８； 此外 ， 大冶铁矿东露天采场广泛发育一种 介于断层与节理之间过渡类型的断裂结构面到区 域性节理 ， 一般由切割闪长岩体长达几十到几百 米的剪破裂面或狭窄的构造劈理化带组成 ， 对工 程地质分区 、边坡的稳定性（特别是和断层组合在 一起）影响明显 ， 大冶铁矿主要发育的节理构造有 J１ － ４、 J５ － ６、 J７ － ９ ［５ ， ６］ ． 大冶铁矿东露天采场工程地质岩组划分为 ６ 组 ， 其中大理岩 、闪长岩组强度最高 ， 风化花岗闪 长岩和矽卡岩组 、蚀变闪长岩组次之 ， 断层角砾 岩 、 砂砾石和粘土岩组强度最低 ． 采场岩体结构类 型主要有块状结构 、层状结构 、层状碎裂结构 、碎 裂结构 、散体结构 ， 其中具有碎裂结构 、散体结构 的岩体在矿山地下开采中易产生地面塌陷 、崩塌 及滑坡 ． ２ ． ２ 东露天采场矿体特征 大冶铁矿狮子山矿体（２６ －３０ 线）主要赋存于 闪长岩与大理岩接触带内 ， 局部地段呈分枝插入 大理岩或闪长岩内 ． 矿体走向 ３２０ ， 沿走向长 ４３０ m ， 矿体上部北倾 ， 下部转向南西 ， 矿体倾角 ７５ ～ ９０ ， 厚度２０ ～ ８０ m ， 一般厚３０ ～ ５０ m ， 赋存标高 ＋ １７０ ～ －４００ m ． 矿石矿物主要为磁铁矿 ， 次为赤铁 矿 、 黄铜矿 、 菱铁矿 、 黄铁矿 、 白铁矿 、 斑铜矿 、磁黄 铁矿等 ， 条痕呈不同程度的红色 ［７］ ． 脉石矿物主要 有方解石 、 绿泥石 、透辉石 、白云石 、金云母 、石榴 子石等 ． 矿石结构为自形 － 半自形粒状结构 、 它形 粒状结构 、交代残余结构 、包裹结构 、隐晶粒状结 构 、 环带状结构等 ． 矿石构造为块状构造 、粉状构 造 、 浸染状构造 、 脉状构造 、 条带状构造 、角砾状构 造 、 晶簇状构造等 ． ２ ． ３ 东露天采场采矿方法 大冶铁矿东露天采场地下采矿采用无底柱崩 落法开采 ， 随着每个步距的矿石回采出来 ， 矿体上 面覆盖的松散岩石也就随之崩落 ， 覆盖到下一个 分段的矿体上 ． 如此自上而下采完各分段 ， 覆盖岩 石和地表跟着崩落塌陷 ． 矿块的水平尺寸 ５０ m ５０ m 或 ６０ m ６０ m ， 阶段高度为 ７０ m ， 分段高度 为 １０ m ， 进路间距为 ８ 到 １０ m ， 崩落步距为 １ ． ２ 至 ２ ． ４ m（即 １ 至 ２ 排炮孔距离） ． ２ ． ４ 东露天采场采空区地面塌陷 该塌陷区位于东露天采场狮子山坡脚处 （图 １） ， 目前地下开采在 － ７２ m 阶段 ， 受地下 开采和爆破震动的影响 ， 塌陷区域呈椭圆状 ， 长度近 ３００ m ， 宽度在 ８０ m 左右 ， 面积约 ２ ． ４ １０ ４ m ２ ． 塌陷区北帮为花岗闪长岩 ， 坡角近 ４５ ， 南帮为大理岩 ， 坡角 ４２ ， 塌陷区两侧堆 积成分为土夹石 ， 塌陷坡度约 ８０ ， 高度约 ２５ m ． 塌陷区周边地裂缝发育 ， 垂直于塌陷方向 （图 ２） ， 地裂缝宽度 １０ ～ ５０ cm ， 深度 ９０ cm ， 长度 １０ ～ ５０ cm ， 密度约 １ L／m ． 第 １ 期周春梅 ， 等 金属矿山地下开采引起地面塌陷的规律]６３ 图 １ 狮子山地面塌陷 Fig ． １ Surface subsidence area of Shizi mountain 图 ２ 地面塌陷区周围地裂缝 Fig ．２ Ground fissure around surface subsidence area 大冶铁矿东露天采场狮子山采区地表塌陷与 地下巷道分布如图 ３ ， 地表塌陷范围比地下巷道范 围大 ， 且塌陷范围逐年递增 ， 严重影响两边高陡边 坡的稳定性 ． 地表塌陷给矿区地质环境与生态环 境造成强烈破坏 ， 同时也给矿山生产带来严重威 胁 ， 随着地下开采工程的延深 ， 采空区塌陷与地表 变形还会继续扩展 ． 塌陷区于２００７ 年８ 月１６ 日开 始启动“正负零塌陷区回填工程” ， 将尾石抛于塌 陷的坑内 ． 图 ３ 地表塌陷与地下巷道分布图 Fig ． ３ Surface subsidence area and distribution map of underground tunnel 依据矿体赋存条件 、上下盘围岩的物理力学 性质 、 采矿方法等进行类比确定的岩移角如表 ２ ． 类比法预测地表变形范围属一种经验方法 ， 它把 复杂的围岩工程地质条件和岩体破坏概化为一种 宏观均匀的地质变化 ， 但实际上影响围岩破坏的 各方面因素必然存在着一定的差异性 ， 这也将导 致预测的移动界线与实际上地表破坏边界不可能 完全吻合 ， 故矿山在生产过程中 ， 应建立完善的监 测系统 ， 通过监测数据 ， 不断修正优化崩落角 、移 动角参数 ， 以期能获得更好的预测效果 ， 为地质灾 害防治和搬迁决策等提供可靠依据 ． 表 ２ 采空区岩体移动角 Table ２ Rock moving angle of goaf 采区岩石及开采深度上盘下盘端部 东采区－ １８０ m 以上６０６０６５（东西两端） 大冶铁矿东露采塌陷区 Ⅰ － Ⅰ′剖面如图 ４ ， 在崩落铁矿石中 ， 存在两种情况引起地表塌陷的 形状不一 ［８］ a ． 覆于其上的岩体随矿石一起被崩 落 ， 其余部分则呈“悬钟状态”暂时保留 ， 但这种状 态是极不稳定的 ， 受邻近采矿活动的影响 ， 部分岩 体将坠落下来 ， 最有在其上方距源矿层数十米的 地方形成如图所示的空场 ， 此时产生地表不均匀 沉降 ， 地表移动呈现出“漏斗型”形态特征 ； b ． 利用 崩落法采矿 ， 在一般正常地段 ， 自然崩落法需达到 充满采空区为止 ， 顶部岩体移动常达到地表 ， 产生 均匀沉降 ， 地表移动呈现出“盆地型”形态特征 ． 图 ４ 塌陷区 Ⅰ － Ⅰ′剖面图 Fig ． ４ Ⅰ － Ⅰ′profile of surface subsidence area ３ 结 语 a ．金属矿山地表塌陷受矿体形态 、 产状 ， 采空 区埋深 、采厚比 ， 矿体围岩工程地质结构 、物理力 学性质 ， 矿区地质构造 、 地下水活动等多方面因素 影响 ， 这些因素相互作用 ， 加上地质上的不确定 性 ， 使得金属矿山地表塌陷机理复杂 ． ]６４ 武汉工程大学学报第 ３２ 卷 b ．文中从大冶铁矿东露天采场地质环境 、矿 体特征 、 采矿方法 、 地面塌陷的形状及与地下巷道 之间的关系等方面介绍了地面塌陷的形成机理 ． 大冶铁矿东露天采场地面塌陷严重破坏了矿山地 质环境 ， 同时也给矿山生产带来严重威胁 ， 随着地 下开采工程的延深 ， 采空区塌陷与地表变形还会 继续扩展 ， 必须采取合理的治理方案 ． 致谢 论文的研究得到了武汉工程大学环境 与城市建设学院课题组及武汉钢铁集团矿业有限 责任公司大冶铁矿的大量帮助 ， 论文的资料由大 冶铁矿科技处提供 ， 在此一并表示感谢 参考文献 ［１］ 武钢矿业公司大冶铁矿龙洞采区塌陷区预测及尾矿 管防护措施研究［R］ ． 武汉 中国科学院武汉岩土力 学研究所 ， 武钢矿业公司大冶铁矿 ． ２００８ ， ６ ． ［２］ 姜建军 ， 刘建伟 ． 大冶铁矿矿山环境调研报告［R］ ． 国 土资源通讯 ， ２００５ ， １５ ４２４３ ． ［３］ 戚冉 ， 黄建华 ， 郭春颖 ． 矿山地面塌陷预测方法研究 ［J］ ． 中国矿业 ， ２００８ ， １７（６） ３９４８ ． ［４］ 袁义 ． 地下金属矿山岩层移动角与移动范围的确定 方法研究［D］ ． 长沙 中南大学 ， ２００８ ， ４ ． ［５］ Zhou Chunmei ， Wu Yanling ， Li Xianfu ， et al ．Slope Hazards and System Design of Emergency Rescue in Daye Iron Mine［C］∥ Qiyuan Pebg ，Yun Pu ，Kelvin C P Wang ，et al ．International Conference on Trans‐ portation Engineering ２００９ （Volume Five） ．The A‐ merican Society of Civil Engineers ， ２００９ ４０９８ ４１０３ ． ［６］ 周春梅 ， 李先福 ． 大冶铁矿高陡岩质边坡变形破坏机 理分析［J］ ． 合肥工业大学学报 自然科学版 ， ２００９ ， １０ （１６） ２５３０ ． ［７］ 大冶铁矿深部探矿关键技术研究与应用［R］ ． 武汉 中国冶勘总局中南地质勘查院 ， ２００６ ， １２ ． ［８］ 蔡荣 ． 一种危害矿山安全的特殊塌陷［J］ ． 有色矿冶 ， １９９７ ， ６ ５１５８ ． Research on mechanism of surface subsidence area of underground metal mining ZHOUChun‐mei １ ，LI Pei ２ ，Yu Jue ２ ，LI Xianfu １ （１ ．School of Environment and Civil Engineering ，Wuhan Institute of Technology ，Wuhan ４３００７４ ，China） （２ ．Daye Iron Mine of Mining Limited Company of Wuhan Iron Group ， Huangshi ４３５０００ ，China） Abstract Surface subsidence area caused by underground mining of metal mines has been a main problem for mine geological environment ．The influence factors of surface subsidence area are in many aspects ，at the same time ，the interaction of each influence factors make the mechanism of surface subsidence area of metal mines be more complex ．Taking surface subsidence area of east open‐pit in Daye iron mine for example ，this paper summarized the characteristics and analyzed the law of surface subsidence from the mine geological environment ，characteristics of ore body ，mining ，angle of collape ，shape of surface subsidence area ．This research offers help for the study of mechanism of surface subsidence and control countermeasure ． Key words metal mine ；underground mining ；surface subsidence area ；mine geological environment ； Daye iron mine 本文编辑 龚晓宁