新浦磷矿采空区地面塌陷诱发因素研究

胡克荣

江苏省地质矿产局第六地质大队，江苏 连云港 222000

新浦磷矿位于连云港市主城区，自建矿以来已发生50余起采空区地面塌陷，距今最近一次较严重的面塌陷发生在2016年12月31日，塌陷中段位于-440m，塌陷区辐射地表影响范围约1万m2，事发时磷矿当班作业人员30人，其中29人成功升井，1人被困井下，事故给当地政府和企业造成了严重的影响。采空区地面塌陷诱发因素比较复杂，因此有必要对采空区地面塌陷诱发因素进行多方面研究。

1 采空区地面塌陷情况

根据历史资料统计，自1978年4月至1980年4月，新浦磷矿在-50m中段使用崩落法采矿，发生了多次地面塌陷。1981年，改变了采矿方法，使用空场法采矿，加大了-80m中段的顶柱和间柱，隔离-80m以下与-50m中段，防止矿层顶板冒落连通第四系砂层和淤泥，使采空区塌陷得到有效控制。但1983年11月24日，在-120～-80m中段又发生了地面塌陷，此后陆续发生多次小型塌陷。使用矿房法后，采空区塌陷重新得到控制。2013年12月25日，在-200m中段，地表形成了直径110m倒立圆台塌陷坑；2014年4月，对该塌陷坑采用尾砂和淤泥等填充物进行了回填；但是，2016年12月31日，又发生了规模较大的地面塌陷。

2 采矿活动概况

新浦磷矿矿床赋存在第四系淤泥和含水层之下，浅部工程地质条件复杂。1966年初步设计生产能力为30万t/年，但实际采矿能力维持在15万t/年。矿床采矿方式为地下开采，-50m中段采用崩落法采矿。由于海淤流砂多次下泄，给安全生产带来了严重威胁，年产量一般不超过10万t，且无选矿设备，出现采富弃贫现象，致使资源利用率低。其中，-50m中段回采率为31%，-80m中段回采率为40%。

1980年6月27日至7月1日，对采矿方法进行改进，决定由崩落法改为空场法，经过-120m中段的回采，证明该采矿方法合理，回采率为54.84%。由于水平的顶底柱受力情况差于垂直（垂直于矿体）的顶底柱受力，在-160m中段、-200m中段、-240m中段、-280m中段决定采用爆力搬运矿房法采矿，将顶底柱改为垂直设计，从回采情况来看，中段回采率有所提高。为了促进资源的合理利用，2002年新浦磷矿组织有关技术人员对采矿方法进行了改进论证，决定在厚矿体采用阶段矿房法，以提升回采率。2007年-550～-280m采用底盘漏斗分段采矿法。

3 地面塌陷诱发因素

3.1 矿柱稳定性影响因素

采空区塌陷多发生在采空区水平中部，即采空空间最大处。根据采矿企业相关资料可知，磷矿矿体赋储存于锦屏组第一段含磷大理岩、白云二长片麻岩、云母片岩中。根据工程地质条件可知，白云质大理岩和云母大理岩岩石抗压强度为113～170MPa，抗剪强度为9.0～14.0MPa。细粒磷灰岩矿石抗压强度为57.9～150.0MPa，松散矿石抗压强度仅为24.7MPa。矿体平均体重3.02t/m3，上覆岩层平均容重为27kN/m3。采用矿柱安全稳定性系数分析法进行计算，结果如表1所示。

表1 矿柱安全稳定性计算表

式中：Pu为岩柱能承受的极限荷载，kN；Pz为岩柱实际承受的荷载，kN。

式中：γ为上覆岩层的平均重度，kN/m3；H为岩柱埋深；A为岩柱宽度；B为矿房宽度；L为岩柱长度。

根据国内外房柱法开采矿山相关经验，当矿柱安全系数＞1.5时，矿柱能起到支撑顶板的作用。通过分析表1可知，3、4、5号矿柱的安全稳定性系数存在＜1.5的可能，当矿柱安全系数＜1.5时，矿柱不能有效支撑起上部顶板，容易引发采空区地面塌陷。

3.2 采空区顶板（场地）稳定性影响因素

对采空区顶板（场地）的稳定性研究主要从顶板自身以及顶板遭受矿区地下水破坏影响两个方面进行调查分析。

（1）顶板（场地）自身稳定性影响。结合表1计算结果，按矿柱安全稳定性系数确定场地稳定性等级标准，确定采空区场地（顶板）属基本稳定，但是根据资料可知，塌陷坑所在位置存在2条破坏矿体的断裂构造，其中压性断裂F1走向为北偏东75°，倾角85.5°，扭性断裂F2走向为北偏东82°，倾角85.5°。采矿企业在采矿活动中也证实了这两条断裂构造的存在，断裂构造使采空区顶板整体性受到较大破坏。因此，综合分析认为采空区场地（顶板）稳定性较差。

（2）矿区地下水对采空区顶板稳定性的影响。根据国内外矿山开采经验，地下水对采空区的影响一般具有滞后性、累积性、隐蔽性和突发性，从而造成较大危害。新浦磷矿第四系厚度为18.11～26.67m，含磷矿层倾角38°～42°，矿层厚度为1.77～20.57m，开采后采空区周围岩体原有应力平衡受到破坏，应力重新分布，会引起上覆岩层的变形、移动与破坏，形成耳朵状导水裂隙带。采用经验法进行分析，其计算公式为

式中：Hli为导水裂隙带高度；∑M为每段矿层的累计采厚。

由式（3）计算可得导水裂隙高度约为36.6～101.1m，又由于采空区场地存在两条断裂构造，存在构造导水带，水沿着裂隙侵入顶板岩体内部，导致其物理状态发生改变，削弱了颗粒间的联系，容易使顶板岩体内聚力降低，破坏了矿物颗粒间的黏结力，造成岩体软化，强度降低。另外，在矿山疏排水工程中，顶板岩体裂隙中的渗透水在流动过程中会将岩体中的可溶物质带走，岩体中的小颗粒也将流失，从而降低顶板岩体的强度，导致采空区顶板稳定性较差。

3.3 外部扰动因素

通过调查发现，采矿过程中存在外部人为及自然扰动因素，且这些因素对采空区产生的影响较大。主要外部扰动因素表现在以下方面。

（1）-80、-120m中段表外矿及底板残留矿回采工程活动扰动因素。根据新浦磷矿年报等资料，2009年4月至12月，新浦磷矿对-80m、-120m中段运输大巷、溜矿井、井底车场、石门巷道等进行了恢复；2010年至2015年开展了-120m中段表外矿矿房及深部-360m、-400m矿房回采活动。采矿过程中的矿体爆破、采矿及运输设备振动等，可能会加剧顶板及矿柱的破坏。

（2）遭受冲击荷载和机械动荷载扰动因素。2013年12月25日，在-200m中段发生了采空区塌陷，大量的上部岩体突然崩落，岩体自重跌落冲击，产生了强大的气浪冲击波，对采空区顶板岩体造成破坏性扰动，从而诱发新的冒落，使顶板表层岩块加速、频繁脱落，矿柱受撞击、挤压，存在被压裂、剥落的情况，矿柱遭受破坏。

（3）地震扰动。地震往往伴随着强大的能量，并以波的形式传播到采空区，引起岩体震动，容易诱发地面塌陷。2015年9月12日，矿区周边发生了3.0级地震，震源深度为10km，距离采空区直距约35km，矿区有轻微震感，可能对采空区顶板和矿柱造成破坏性扰动。

4 结束语

通过研究分析，新浦磷矿采空区塌陷可能是由采矿方法、矿柱稳定性、自身顶板稳定性、地下水、采矿活动、外部荷载冲击、地震等不确定因素的综合影响造成。采空区塌陷的诱发因素复杂，文章主要采用室内数据计算分析和外部推理相结合的方法进行分析，存在一定的局限性，对于新浦磷矿采空区塌陷诱因还需继续深入研究。