安徽淮北前常铁铜矿区地表沉降规律及其稳定性影响分析_刘宇.pdf

安徽淮北前常铁铜矿区地表沉降规律及其稳定性影响分析刘宇，马秋石(安徽太平矿业有限公司，安徽淮北235115)摘要:经过多年开采，淮北前常铁铜矿生产区到风井之间形成两处沉降积水区域，对当地耕种造成影响。为消除负面影响，早日复垦还耕，通过分析水文地质条件及大气降水的地表积水对井下涌水量的变化规律，判断开采活动产生的岩移沉降对涌水岩组的影响。通过岩移理论及实际沉降的观测数据，分析地表沉降区发展规律，判断是否对主副井生产区和风井生产区的主要构建物产生影响，并给出工作建议。关键词:前常铁铜矿;岩移沉降;采空区中图分类号:F4063;TD8561文献标识码:B文章编号:10080155(2023)020043031 矿区沉降区由来及基本现状前常铁铜矿在 2014 年之前采用上向分层嗣后充填法对浅部进行矿石回收，但充填进路常落后于回采工序，因此大多数为反向充填，充填达不到理想效果;2014 年之后，公司改用进路嗣后充填法开采浅部采区，取得了一定效果，但因为大多数均为残采，采矿和充填的难度大，回采后采空区的冒落速度快，难以平衡充填结顶和采充，同时充填的浓度偏低，导致充填胶结效果较差，充填体固结后坍塌回缩度较大，致使地表发生微弱沉降。生产区到风井之间的地表中存在两处较大的沉降区(1#和 2#沉降区)，面积分别为 40000m2和 30000m2，如图 1 所示。图 1沉降区分布图2 矿山开采覆岩移动机理分析在金属矿山巷道掘进、矿体开采的过程中，上覆岩层移动的影响因素大体包括以下五方面:采区围岩应力场改变、矿体赋存条件、矿区地下水疏排、区域地质构造、采空区充填。具体来说，地下局部矿体被采出后，岩体原有应力的平衡状态受到破坏，引起应力重新分布。采空区顶板岩层在自重力及上覆岩层的作用下发生压缩变形，使其向下移动和弯曲。当采空区的顶板岩体强度不足以抵抗自重及上覆岩体的重力时，其内部产生的拉张应力将超过岩层的抗拉强度极限，采空区顶板在应力的作用下发生变形、破裂，并相继冒落，而老顶岩层则以梁或悬臂梁弯曲的形式沿层理面法线方向移动、弯曲，进而产生断裂、离层，直至达到新的平衡。当采空区范围足够大时，岩层的变形移动发展至地表，使地表产生位移和变形，表现为地面沉降，并在地表形成一个较采空区范围大得多的沉陷盆地，在开采中心地面形成一个沉降量最大的沉降中心，地面沉降量由该沉降中心向四周逐渐减少。采用采空区充填技术后，充填体充当了采空之前的“岩体”，对围岩施加了一定的“支撑力”，减少围岩的变形移动规模，但无法完全阻止围岩变形及由此引34DOI:10.13487/ki.imce.023174起的地压增大。研究表明，充填体一般仅能承担 20%70%的围岩应力。一是难以做到全部接顶，采充平衡;二是充填体会发生固结压缩，使充填体与围岩空隙加大，造成围岩更大范围的变形移动。覆岩移动变形破坏形态常用“三带论”描述，垂向上自下而上依次划分为冒落带、裂隙带、弯曲下沉带，如图 2 所示。图 2三带划分示意图150m 中段矿体至基岩顶界面 60 70m，为矽卡岩与大理岩互层，未见断层构造。一般情况下软弱岩石形成的两带高度为采厚的 912 倍，中硬岩石为采厚的 1218 倍。前常矿区矿层顶板属软质岩类工程地质岩组、间接顶板为中硬岩石，矿体经开采嗣后充填，如果估算平均采厚为 3m，平均倾角为 27，则矿体开采影响的最大范围为 36 54m;裂隙带顶部至地表均为弯曲下沉带。3 矿区水文地质特征及影响分析矿区地表为第四系覆盖，无岩石出露。根据含、隔水岩组的岩性、空间分布、埋藏条件和富水性，将本矿第四系划分为两个含水层(组)和两个隔水层(组)1。矿区第四系水文地质条件:松散层上部孔隙含水层组(一含):全新统总厚2732m，含砂层 14 层，埋深自地表至 25m，砂层总厚4319m，单层厚一般 39m，最厚 1379m，最薄 04m。最稳定的砂层只有一层厚 5 14m。砂层的厚度变化为矿区北、东、东南部厚 10 19m，西南部厚4510m。该含水岩组水位埋深 1442m。渗透系数 274m/d，单位涌水量(q)112L/sm，富水性较强。松散层中部隔水层(一隔):位于“一含”和“二含”之间，为一层分布普遍的黏土、粉质黏土层组成。埋深 2540m，厚度 4 25m，局部夹有薄层透镜状细砂、亚砂土，厚 0415m。黏土、粉质黏土的黏塑性较好，且分布较稳定，具有较好的隔水能力。松散层下部孔隙承压含水层组(二含):以灰黑色似淤泥质黏土、粉质黏土及丽蚌壳为标志与全新统分界，埋深 35 88m。岩性以灰黄色的细、中、粗砂为主，黏土、亚黏土次之。砂层 2 5 层，砂层总厚 23 44m，单层厚 618m，为更新统主要含水层(组)。根据ZK4222 孔抽水试验资料:水位埋深 197m，单位涌水量 q=0826L/sm，渗透系数2489m/d。富水性中等。松散层底部隔水层(底隔):位于松散层下部“二含”之下与基岩顶板之间。主要岩性为黏土、粉质黏土及含砾黏土。埋深 6692m，厚 221m，东部较厚8 18m，西部较薄 2 4m，厚度变化较大。黏土、粉质黏土的黏塑性较好，具有较好的隔水能力。地表积水与采空区之间有两层隔水层或弱隔水层，尤其是两组隔水岩组地层稳定发育，为黏土、粉质黏土，塑性较好。矿区矿体开采规模小、上覆基岩的结构特性相对稳定，其冒落带、裂隙带的发育高度有限，尤其是充填开采的矿体，可进一步抑制围岩的变形破坏。根据前常矿区现有开采工艺、上覆基岩特征、井下排水的情况来看，采动裂隙带局部最高发育至中下更新统隔水层下部，采空区冒落造成的裂隙被有塑性的黏土层吸收。因此，我们分析裂隙并未传导至第四系含水层，并未导通含水层，故沉降区的积水无法直接进入采空区，不会对井下的采矿活动造成威胁。4 井下涌水量与大气降水相关性分析地表积水与采区之间有两重隔水层或弱隔水层，尤其是松散层中部和下部隔水层稳定发育，而矿体开采裂隙未导通隔水层，故地表积水无法直接进入采空区。受季节降雨的影响，积水面积随季节变化，积水下降的主要途径为蒸发、下渗补给全新统浅部砂层、抽排至沟渠或灌溉等。前常矿区矿体的开采规模小、上覆基岩的结构特性相对稳定，其冒落带、裂隙带发育高度有限，尤其是充填开采的矿体，可进一步抑制围岩的变形破坏。根据前常矿区现有开采工艺、上覆基岩特征、井下排水情况来看，采动裂隙带局部最高发育至松散层底部隔水层(底隔)的下部。矿山近 5 年矿区井下总涌水量较为稳定，与地表大气降水的相关性低，说明下更新统隔水层没有破坏，如图 3 所示。图 3矿区近 5 年井下平均涌水量与大气降水曲线分布图5 测量沉降量趋势监测分析积水区正下方为180m 中段至240m 中段的主44要开采矿体，多中段开采引起的持续叠加扰动必然导致采场上覆岩层的活化，活化范围由深部向浅部发展，岩层活化的范围和程度随开采程度、开采层数增大逐步增加，造成更大的移动变形破坏。原上覆岩层形成的冒落带、裂隙带、弯曲下沉带将出现转换，弯曲下沉带不断向上移动甚至发展至地表，形成地面沉降，从而引起地表积水。地表移动变形速度可分为三个阶段:快速增长阶段、快速减少阶段、稳定阶段。自 2017 年底以来，矿区逐年对地表沉降区进行持续观测，从观测结果分析，对比 2017 年底与 2022 年 5月的数据发现，1#沉降区最大下沉 96cm，平均下沉42.55cm，且 20212022 年下降速度增加，处于移动变形快速增长阶段(图4);2#沉降区 2020 年底与 2022 年5 月数据对比发现，2#沉降坑最大下沉 93cm，平均下沉39cm，20212022 年沉降速素变缓，处于移动变形快速减少阶段(图 5)。图 4矿区地表 1#沉降区年度变化趋势图图 5矿区地表 2#沉降区年度变化趋势图前常矿区当前各中段还在持续采矿，虽然各采场结束后都进行了充填，但不能完全阻止地表沉降。只要采矿活动仍在继续，沉降区就将持续处于移动变形阶段。6 浅部采区岩移对主要构筑物的影响分析在前常矿区浅部生产区，两处沉降范围对应的浅部矿体主要是 14#和 27#残采，通过实际岩移监测发现，岩移带距离地表主要构筑物最近的 1#主井为143m，距离风井井筒为 55m，均在移动带外安全范围内(图 6)。图 6矿区主要构筑物至沉降区岩移剖面示意图7 结论及建议第一，分析靠近风井及生产区的两处积水区(1#与2#沉降区)下方的地层结构可知，第四系地层结构分明，上下含水层被较厚的隔水层隔开，隔水层连续稳定发育，含水层间的水力联系较差。第二，观测发现井下涌水与地表大气降水的相关性低，说明下更新统隔水层没有破坏，正常情况下越流补给量有限。第三，通过分析沉降观测数据趋势，1#沉降区当前仍处于地表移动变形阶段，2#沉降区移动变形速度要慢于 1#沉降区域，根据后期的采矿活动，应加强对两处沉降区的沉降监测。第四，根据分析最新采动情况，地表主要构筑物如1#井、风井等均在岩移影响范围安全距离之外。第五，两处沉降区与矿山开采有直接关系，近几年矿山生产也在积极治理老采空区以及改用进路嗣后充填法充填浅部采空区，取得了一定的治理效果。但在浅部的系统工程中要完善观察系统和提升充填质量，防止采空区冒落。第六，持续加强对采空区的探测，确保生产安全下层采场回收充填结束，在上层采场掘进施工中，加强现场探采结合施工，地质超前钻探与掘进面钎杆探空区相结合，加密勘探网度，发现松散岩体及时治理。参考文献:1 安徽省濉溪县前常铁铜矿资源储量核实及深部勘探报告 2015作者简介:刘宇(1987)，男，安徽宿州人，本科，工程师，研究方向:矿山地质。54