地面塌陷按其形成原因可划分为采空塌陷和岩溶塌陷两类。采空塌陷是指因地下矿层大面积采空后, 矿石上覆岩层失去支撑, 致使平衡条件被破坏,随之产生弯曲或塌陷, 从而导致地面沉降、塌陷。岩溶塌陷是指在可溶性岩石分布的浅覆盖区, 由于浅部岩溶发育, 当水文地质条件改变时, 在地下水的作用下, 松散土层的土颗粒发生运移(溶孔、洞、溶蚀裂隙为其提供运移通道和贮存空间) , 而逐步形成隐伏土洞, 并向地面发展最终导致地面塌陷。其中, 采空塌陷是由人为采矿活动产生, 也是近年来多发的地质灾害之一, 它具有较强的可预测性和相应的防范措施; 而岩溶塌陷虽不排除人为活动因素存在, 但可预测性差, 防范措施难度相对较大。下面以山东金岭铁矿(简称金岭铁矿) 区矿山采掘活动为例, 谈谈采空塌陷的影响因素和防治措施。

1　金岭铁矿区矿山采掘现状

金岭铁矿区位于山东省淄博市, 张店区、临淄区和恒台县交界部位, 淄博盆地向北东开口处。矿区整体为一背斜构造, 背斜的核心部为中生代燕山期闪长岩体,出露面积约60平方公里。岩体周边为奥陶系石灰岩和石炭二叠系地层,在奥陶系石灰岩和闪长岩的接触带及其附近,形成了三十几个铁矿床, 总储量115亿t左右,基本对称分布在岩体周边。

1.1　国有矿山企业采掘及采空区处理情况

矿区内国有矿山企业仅金岭铁矿一家。该矿建矿历史较长,拥有较雄厚的技术和工程力量, 其采掘活动有严格的开采设计和开采步骤,且对采空区进行充填,每年充填量在20万m3左右, 在采空区处理方面措施较为得力,能够预防地面塌陷的发生。在矿山防治水方面,采取了疏堵结合的防治水方法, 不疏干上层灰岩水, 以保证地下水位的稳定,也防止了由于水文地质条件的改变而引发的地面塌陷。国有矿山企业的采掘活动是比较规范也是比较安全的。

1.2　小矿井采掘及采空区的处理情况

  矿区内小矿井约有10 家, 大多是近年来设立的,企业内部机构设置简单,矿山采掘技术力量薄弱或不具备,生产方面多数是以承包的方式进行,这样以来势必造成地下采区布置混乱, 规格不一,而且多数不进行空区的充填处理, 给地面塌陷的发生埋下了隐患。另一方面,由于其无矿山地质、水文等技术力量, 矿山治水方法单一,一味采取地下水疏干方法,使地下水大量排至地表,也影响了地下水位的稳定, 同样给地面塌陷的发生埋下了隐患。

1.3　小矿点采掘情况

矿区范围内的小矿点主要集中在金岭铁矿闭坑的铁山矿区范围内, 约有15 家。由于金岭铁矿剩余的边角残矿数量相当少, 因此它们大多开采原金岭铁矿保留的保安矿柱。矿柱被开采以后, 原矿山形成的采空区连成一片, 空区暴露面积之大已无法想象,且空区内充填物流出, 失去了其保护作用。现在铁山区V 矿体附近已经塌陷, 所幸的是其周围没有任何设施, 没有造成人员伤亡和财产损失。VI矿体附近已出现了较大的地裂缝, 有引发地面塌陷的可能。

2　影响采空塌陷的主要因素

采空塌陷是由于地下矿层被采空, 上覆地层应力平衡状态被打破, 当应力集中超过岩石支撑力时,应力获得释放, 并逐步发展到地表。根据其形成和发生的过程, 影响采空塌陷的主要因素有: 采空区暴露面积、围岩岩性、地质构造和地下水等四大因素。

2.1　采空区暴露面积

根据材料力学计算, 当物体内部有空洞、缺口或裂隙存在时, 就会在该处产生局部应力集中。地层中的采空区, 随其暴露面积的增大应力越集中。在一定地层中其大小有一定限量才不致引发采空区的塌陷和采空塌陷。一般来讲岩石强度高、分层厚度大的岩石采空区的限量值大; 反之, 强度低、分层薄的岩石限量值较小。据经验, 金岭铁矿区厚层奥灰、闪长岩等顶板暴露面积不宜大于800m2, 上盘暴露面积不

宜大于2000m2。

2.2　围岩岩性

围岩岩性影响着地面塌陷的时间、速度和变形范围等。如果矿体上覆岩层强度高、层厚大, 那么地表变形所需的时间长, 也许采空若干年之后才发生塌陷; 强度低、分层薄的岩层, 时间短, 地表变形大;厚度大、塑性大的软弱岩层覆盖于强度高的岩石之上时, 地表变形平缓, 反之地表变形快。第四系堆积盖层越厚, 当发生塌陷时, 范围越大。

2.3　地质构造因素

地层中的断裂是应力集中部位, 是地层中的不安定因素。岩石中的断裂、节理越发育, 发生地面塌陷的时间就会越短, 速度也越快, 范围也会变大。

2.4　地下水

矿山采掘必然遇到地下水的防治问题, 目前我国地下水的防治方法多为疏干法, 从而导致地下水从地层中大量排出, 使地下水位发生变化, 而引发地面塌陷。

3　防治措施

(1) 加强行政立法, 以法律规范矿业行为。我国现有法律, 有多部涉及到矿业开采, 但对矿山地质环境保护, 尤其是对矿业活动造成的地质灾害的防治方面缺少详细的例律, 没有明确矿业开发部门在矿业开发的同时应实施的环保措施和应尽的义务, 导致矿业权人环保意识淡薄。因此, 将相关矿山地质环境保护和治理的措施纳入矿业活动, 以法律的形式约束矿业行为, 是预防采空塌陷等地质灾害的根本。

(2) 制定矿山采掘整体规划, 采用合理的采矿方法。矿山采掘整体规划应包括资源开发利用规划、 “三废”治理规划和采空区处理规划等。如采掘废石的处理, 金岭铁矿的做法是破碎加工成空区充填料,还原各采空区, 这样既保护了地表环境, 又充填了采空区, 防止了采空塌陷的发生。在进行开采设计的同时必须设计好空区处理的相关工程, 如充填井等, 以保证充填工作的正常进行。在采矿方法选择方面, 围岩性质是不容忽视的一大因素, 它对确定合理的采区规格和落矿方式具有重要意义。一般来讲采区的顶板和上盘暴露面积不能超过其所能承受的相应极限值, 围岩强度较低时应采用浅孔落矿, 尽量减小爆破震动。

(3) 选择合理的治水方法。进行地下水相关理论的研究, 摸清地下水动态, 改变地下水的防治方法。在这一方面, 金岭铁矿对多年治水经验进行了总结,水文地质工作者提出了“两层水位”理论, 根据这一理论将地下水防治方法由“全面疏干法”变为“疏堵结合”, 大大减少了矿坑排水量, 有效地保护了地下水资源和地质环境, 防止了地质灾害的发生。

(4) 加强对矿区地质构造的研究, 分析应力集中的部位和方向, 合理布置采区。应力集中一般与地质构造相伴随, 因此应对矿区进行详细构造填图, 查清地质构造的集中部位与方向, 采区布置应尽量避开地质构造, 或以矿柱的形式加以保护。