張　顯

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司)

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淮北某銅礦礦區(qū)地表塌陷成因

張顯1,2,3

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司)

摘要以淮北某銅礦為例，從地表塌陷的基本條件入手，分析了該礦區(qū)塌陷的影響因素，礦區(qū)地層特征、水文地質(zhì)特征、礦山開采及采空區(qū)現(xiàn)狀、地表塌陷成因。綜合分析結(jié)果表明：①該塌陷區(qū)灰?guī)r裂隙發(fā)育和第四系松散覆蓋層的砂、礫石黏土互層結(jié)構(gòu)是造成區(qū)內(nèi)塌陷的基本地質(zhì)條件；②井下排水、地面堆載尾礦和尾礦水化作用是地表塌陷的主要誘發(fā)因素，在地面附加載荷和垂直滲透力的作用下，加劇了地表塌陷的產(chǎn)生和發(fā)展。

關(guān)鍵詞地表塌陷地質(zhì)條件井下排水誘發(fā)因素

地面塌陷成因復(fù)雜多樣，根據(jù)形成塌陷的主要原因可分為自然塌陷和人為塌陷2類。自然塌陷主要由于地震震動、降雨地表滲透、自重壓力、地下水潛蝕掏空等自然因素引起的，人為塌陷主要由于地下采空區(qū)、井下排水、地下水開采、地面堆載、尾砂堆場蓄水等人為因素所致[1-4]?；幢蹦炽~礦礦區(qū)2016年3月發(fā)生過礦區(qū)地表塌陷，為對該礦山地表塌陷進(jìn)行有效防治，本研究對礦區(qū)內(nèi)地層、水文地質(zhì)條件進(jìn)行分析，并對地表塌陷成因進(jìn)行詳細(xì)探討。

1礦區(qū)概況

淮北某銅礦地處淮北平原，屬大陸—海洋性氣候過渡帶，年平均降雨量865mm。礦區(qū)及附近區(qū)域地表廣泛分布第四系松散層，下伏灰?guī)r、大理巖及閃長巖，第四系沉積物厚144.88～163.47m，為河湖相砂礫石黏土互層沉積物。礦區(qū)基巖為淺海相碳酸鹽巖沉積，經(jīng)蝕變交代熱接觸變質(zhì)作用后，為白云質(zhì)大理巖、白云石大理巖、水鎂石大理巖、條帶狀(或斑紋狀)大理巖等。礦床北部、東部為二疊系陸相碎屑沉積。該礦區(qū)建于2008年底，采用豎井+盲豎井+盲斜井聯(lián)合開拓，主要有主井、風(fēng)井、盲豎井、盲斜井4條井筒。開拓-250，-300，-350m等3個中段，采礦方法以上向水平分層尾砂充填法[5]為主，并輔以淺孔留礦嗣后充填法[6-7]。2016年3月15日，位于該礦尾砂周轉(zhuǎn)池西北角的地表發(fā)生了塌陷，3月16日進(jìn)一步坍塌，之后趨于穩(wěn)定。塌陷坑近圓形，塌陷半徑約90m，沉降面積約25 400m2，最大落差約5m，沉降量約33 500m3。塌陷造成了部分通往礦區(qū)的電線桿傾倒，一村級公路被局部破壞。

2地表塌陷成因

2.1地質(zhì)條件因素

該礦區(qū)及附近區(qū)域砂層最厚達(dá)22.07～37.73m。由于該區(qū)黏土和砂層互層，砂層結(jié)構(gòu)松散，分選良好，排列疏松，黏土可塑性強(qiáng)，因此黏土有一定的壓縮性，砂層在水位降低時會引起有效應(yīng)力的增加，該類因素為地面沉降、塌陷提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。礦區(qū)3#礦體位于塌陷區(qū)下部，呈透鏡狀產(chǎn)出，走向NW，傾向SW，傾角60°，為典型的捕虜型成礦，礦體產(chǎn)于巖體內(nèi)的碳酸鹽巖捕虜體邊緣。據(jù)01#、03#線地質(zhì)剖面，碳酸鹽灰?guī)r、大理巖與第四系呈“天窗”直接接觸，51#鉆孔也顯示第四系下伏厚層狀灰?guī)r，與第四系接觸面上部存在厚約30m的風(fēng)化破碎灰?guī)r。碳酸鹽灰?guī)r發(fā)育為地下水溶蝕產(chǎn)生和發(fā)展創(chuàng)造了有利條件。根據(jù)區(qū)內(nèi)地層、水文、工程地質(zhì)因素，第四系覆蓋層透水性較強(qiáng)，抗剪、抗壓及抗?jié)撐g能力差，具備土洞發(fā)育條件，是產(chǎn)生地面塌陷的主要因素；下伏巖體為閃長巖與大理巖、灰?guī)r的接觸帶，成礦構(gòu)造強(qiáng)烈，存在構(gòu)造裂隙或以灰?guī)r溶蝕裂隙發(fā)育，成為土洞潛蝕土體運(yùn)移通道，為土洞產(chǎn)生和擴(kuò)大創(chuàng)造了條件。由此可見，地質(zhì)條件因素是形成該礦地表塌陷的主要自然因素。

2.2采空區(qū)因素

礦山塌陷區(qū)下部開采中段有-250，-300，-350m中段，其中-250，-300m中段的102采場采空區(qū)未進(jìn)行充填，井下現(xiàn)場勘察均未見漏砂和其他異?，F(xiàn)象，采空區(qū)頂?shù)装寰^干燥。根據(jù)3#地質(zhì)剖面，102采場-250m以上頂板厚度約97m，現(xiàn)場調(diào)查未見大面積坍塌。該礦為矽卡巖礦床，礦體頂板巖石為矽卡巖、大理巖，主要礦體頂?shù)装逡话爿^完整，整體性好，力學(xué)強(qiáng)度高，礦體及圍巖工程地質(zhì)性質(zhì)較好。-250m采空區(qū)總體積約24 600m3，地面塌陷坑總體積為33 510m3，塌陷坑體積大于采空區(qū)體積。由采空區(qū)和地面塌陷坑體積對比分析，可初步認(rèn)為采空區(qū)并非造成地面塌陷的直接原因。由采空區(qū)現(xiàn)場勘探、采空區(qū)體積對比及圍巖工程地質(zhì)性質(zhì)綜合分析可知，由采空區(qū)造成地表塌陷的可能性小。

2.3井下及周邊排水因素

該區(qū)地下水主要補(bǔ)給來源為大氣降水入滲補(bǔ)給及農(nóng)業(yè)灌溉回滲補(bǔ)給，地下水總體流向由東南向西北徑流。人工開采、大氣蒸發(fā)及向下游徑流為主要的排泄方式。據(jù)礦山調(diào)查以及周邊礦山生產(chǎn)排水記錄，該礦在正常生產(chǎn)時井下排水量約1 500m3/d，大量抽排地下水會形成一定范圍的降落漏斗。區(qū)內(nèi)分布的灰?guī)r、大理巖為巖漿巖侵入形成的捕虜體，周邊為透水性極弱的巖漿巖隔水層，發(fā)生水力聯(lián)系的主要為上部第四系含水層，礦體頂板及發(fā)生水力聯(lián)系的第四系含水層是礦床充水的主要來源。由于礦山井下排水及周邊民用抽水灌溉，導(dǎo)致區(qū)內(nèi)第四系含水層水位下降，地下水侵蝕面隨之上下頻繁波動，枯水期灰?guī)r地下水位低于含水砂礫石黏土層侵蝕面，在豐水期灰?guī)r地下水位上升，礦山井下排水造成地下水位在灰?guī)r與第四系底板之間波動，為巖溶土洞塌陷的產(chǎn)生創(chuàng)造了動力條件。

2.4地面堆載因素

根據(jù)塌陷區(qū)范圍調(diào)查結(jié)果，塌陷區(qū)中心位于礦山選廠尾砂堆場西北角，地表尾砂堆場堆積高度約4m，增加了地面荷載，在降水充水狀態(tài)下，池內(nèi)尾礦容重增大，可達(dá)飽水狀態(tài)，尾礦堆場北側(cè)排水管排水標(biāo)高僅低于灘面0.5m，尾礦重力荷載增加于第四系覆蓋層之上。根據(jù)第四系工程地質(zhì)條件分析，松散層承載力差僅適合作為普通地面建筑的持力層，若在水動力條件下松散層侵蝕產(chǎn)生土洞，土洞頂板承載力不足，致使上覆土層產(chǎn)生變形塌陷。

2.5尾礦水化因素

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，塌陷坑正上方為1#尾礦堆場，相鄰東側(cè)為原尾礦2#堆場。由于1#、2#尾礦堆場均未采取防滲措施，水池水成為地表潛水的補(bǔ)給來源，通過第四系垂向滲透，加劇了地下水對第四系松散層的潛蝕和沖刷作用，使溶蝕土洞擴(kuò)大直至坍塌。因此，尾礦水化作用是地面塌陷發(fā)生的外在因素條件。

3結(jié)語

結(jié)合淮北某銅礦礦區(qū)地質(zhì)調(diào)查成果，分別對該礦區(qū)地層特征、水文地質(zhì)特征、礦山開采及采空區(qū)現(xiàn)狀、地表塌陷成因進(jìn)行了詳細(xì)分析，對于該礦區(qū)地表塌陷的有效防治有一定的借鑒價值。

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(收稿日期2016-05-06)

張顯(1981—)，男，工程師，碩士研究生，243000 安徽省馬鞍山市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)西塘路666號。