枣庄某石膏矿老采空区塌陷分析

[摘要] 本文依据枣庄某石膏矿老采空区地表塌陷现状特点，应用反分析的方法，从矿柱稳定性、护顶板厚度及最大下沉值三个方面对地面塌陷的原因进行分析。认为影响房柱式开采地面塌陷的原因主要是矿柱尺寸，护顶板厚度，另外与矿房的尺寸、地质构造等亦存在密切关系。本文为类似项目进行地面塌陷预测、地基稳定性评价及老采空区治理等提供参考。

[关键词] 石膏矿；房柱式；矿柱；护顶板；塌陷

1.地质条件

该区域属成武～枣庄坳陷，位于韩庄～四户地堑内。该地堑呈东西向分布，长达70km，宽5～10km。古近纪地层由下第三系大汶口组（E2-3dw）组成。其上大部分被第四系覆盖，仅在西部微山岛、韩庄一带有基岩零星出露。该地堑是较老的NW向构造基础上产生的EW向地堑，它切割了纬向构造、次级NE向分枝的徐州弧北东段。新华夏系构造重叠其上。

区内第四系广布，顶部为0.5-l.0m的腐殖土，上部为黄揭色粘土夹砂质粘土，富含姜结石，中下部为紫红色粘土，含少量砂姜结石，本层厚17-31m。基岩地层为古近系大汶口组中段（（E2-3dw2），为含膏岩系，由一个泥岩层和一个石膏岩层组成。泥岩为褐色、浅褐色，含砂质，间夹浅褐色中-细粒长石、石英砂岩，岩性较单一，膏层平均厚9m，位于本段最下部。本段总厚度35-60m。

基岩主要由泥岩、砂岩组成，灰白、灰黑、灰绿、紫红等颜色，具泥质或砂质结构，岩石由矿物碎屑和胶结物组成。

矿层顶底板岩石主要为砂岩，与矿层呈整合接触，其顶板岩石裂隙不发育，水文地质条件简单，据开采证实，顶板稳固性一般，井下未见淋水。矿层及顶、底板强度见下表：

表1 矿层及顶、底板抗压抗剪强度表

2.塌陷原因分析

2.1矿柱分析

当选取Bieniawski矿柱强度进行矿柱稳定性计算时当需要考虑由于矿柱长期负载而失稳可能对地表建筑物造成损害时，在对矿柱强度的长时效应以及矿柱所受的载荷和矿柱强度随时间的变化进行仔细的评估情况下，矿柱的安全系数取值如下：

公共道路、机动车房：安全系数Fs=1.5；

住宅、办公室、工业建筑：安全系数Fs=2.0；

医院、学校、寺庙、水坝：安全系数Fs=2.5。

根据Bieniawski公式计算出该石膏矿山井下典型矿柱的安全系数Fs：

式中：Sl-矿岩强度参数，按本矿区报告取16940KPa；

h-矿柱的高度，m；

a- 为常数；试验表明而当矿柱的宽高比小于5时，a=1.0.

r-岩石容重：取23kN/m?；

z-埋藏深度，m；

Wo，Wp，-分别为矿房和矿柱的宽度，m；

LO，LP，-分别为矿房与矿柱的长度，m。

通过现场抽样典型矿柱（柱1～3，具置见图1井上下对照图）进行稳定性计算，得出矿柱1的安全系数0.67，小于1.0，较危险；柱3安全系数3.3，较安全。具体见表2：

2.2护顶板分析

一般情况下，矿山生产过程中若能严格按照设计要求进行矿体开采活动，采空区发生地面塌陷的可能性小，这已经被枣庄石膏矿区许多矿井实际生产情况所证明。由于矿井巷道、房室矿层顶底板岩性为泥、砂岩，抗风化及耐水浸能力差，稳定性差，矿层开采后，泥岩遇水或直接暴容易产生碎裂崩解，随着时间的延长，上述作用将进一步加剧顶板冒落塌陷、底板隆起等地质灾害的发生几率及危害程度。采空区矿层顶板的变形、破裂及冒落的不断上行及发展，势必引发上覆隔水层、含水层的连带变形、破裂及陷落，从而勾通采空区与上覆含水层间的水力联系，使地下水及松散物不断发生流失，最终导致采空区上方所有岩、土层连锁变形、破裂及陷落，形成地面塌陷地质灾害。

2.3塌陷值预测

房柱式开采地表变形特征为不连续地表变形：多数情况下地表变形发生非连续变形现象，形成地表裂缝、台阶、塌陷坑和塌陷槽。当采深采厚比较小时，裂缝两侧地层出现落差，形成台阶。

房柱式开采地表最大下沉值计算可采用下式：

Wfm=M・q・n・cosα

式中Wfm―非充分采动条件下地表最大下沉值，m；

M―采动法线厚度，m；

q―下沉系数，无量纲，取0.80；

n―地表充分采动系数。 nn1、n3大于1时取1；k1、k3―与覆岩岩性有关的系数， 取0.7；D1、D3―倾向及走向工作面长度，m。

α―地层倾角，取4°。

计算地面塌陷位置处地表最大下沉值为1.05m（见表3），与实际塌陷值较吻合。

3.结论

针对枣庄某石膏矿地面塌陷的现状，有针对性的对塌陷位置处矿柱、护顶板稳定性及地面变形值进行了计算分析。对应矿柱，选取Bieniawski强度理论进行矿柱稳定性计算，认为塌陷位置处矿柱尺寸较小，安全系数为0.67，不能满足矿柱在长期负载下稳定。塌陷位置处护顶板被超标高开采，护顶板厚度变薄或缺失，顶板岩体的强度远低于护顶板膏层的强度。受构造影响，顶板冒裂带发育沟通了上覆含水层，致使地下水下渗，进一步软化顶板，降低顶板的强度，最终导致地面塌陷。通过对采空区地表最大下沉值进行计算，认为塌陷位置处下沉值为1.05m，与实际塌陷值较为接近。根据经验活跃期之后地表残余变形量很小，一般在规范限值以内。

综上，地表塌陷的主要原因是矿柱尺寸偏小，引发矿柱失稳；护顶板厚度薄，长期蠕变坍塌，顶板冒裂带沟通上覆含水层，进一步加剧冒裂带的发展，最终引发地面塌陷。房柱式开采地面塌陷危险点的排查，应首先从矿柱尺寸及护顶层厚度两个方面入手，同时依据矿房尺寸、地质构造等综合确定。