张　显

(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司；2.金属矿山安全与健康国家重点实验室；3.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司)



淮北某铜矿矿区地表塌陷成因

张显1,2,3

(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司；2.金属矿山安全与健康国家重点实验室；3.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司)

摘要以淮北某铜矿为例，从地表塌陷的基本条件入手，分析了该矿区塌陷的影响因素，矿区地层特征、水文地质特征、矿山开采及采空区现状、地表塌陷成因。综合分析结果表明：①该塌陷区灰岩裂隙发育和第四系松散覆盖层的砂、砾石黏土互层结构是造成区内塌陷的基本地质条件；②井下排水、地面堆载尾矿和尾矿水化作用是地表塌陷的主要诱发因素，在地面附加载荷和垂直渗透力的作用下，加剧了地表塌陷的产生和发展。

关键词地表塌陷地质条件井下排水诱发因素

地面塌陷成因复杂多样，根据形成塌陷的主要原因可分为自然塌陷和人为塌陷2类。自然塌陷主要由于地震震动、降雨地表渗透、自重压力、地下水潜蚀掏空等自然因素引起的，人为塌陷主要由于地下采空区、井下排水、地下水开采、地面堆载、尾砂堆场蓄水等人为因素所致[1-4]。淮北某铜矿矿区2016年3月发生过矿区地表塌陷，为对该矿山地表塌陷进行有效防治，本研究对矿区内地层、水文地质条件进行分析，并对地表塌陷成因进行详细探讨。

1矿区概况

淮北某铜矿地处淮北平原，属大陆—海洋性气候过渡带，年平均降雨量865mm。矿区及附近区域地表广泛分布第四系松散层，下伏灰岩、大理岩及闪长岩，第四系沉积物厚144.88～163.47m，为河湖相砂砾石黏土互层沉积物。矿区基岩为浅海相碳酸盐岩沉积，经蚀变交代热接触变质作用后，为白云质大理岩、白云石大理岩、水镁石大理岩、条带状(或斑纹状)大理岩等。矿床北部、东部为二叠系陆相碎屑沉积。该矿区建于2008年底，采用竖井+盲竖井+盲斜井联合开拓，主要有主井、风井、盲竖井、盲斜井4条井筒。开拓-250，-300，-350m等3个中段，采矿方法以上向水平分层尾砂充填法[5]为主，并辅以浅孔留矿嗣后充填法[6-7]。2016年3月15日，位于该矿尾砂周转池西北角的地表发生了塌陷，3月16日进一步坍塌，之后趋于稳定。塌陷坑近圆形，塌陷半径约90m，沉降面积约25 400m2，最大落差约5m，沉降量约33 500m3。塌陷造成了部分通往矿区的电线杆倾倒，一村级公路被局部破坏。

2地表塌陷成因

2.1地质条件因素

该矿区及附近区域砂层最厚达22.07～37.73m。由于该区黏土和砂层互层，砂层结构松散，分选良好，排列疏松，黏土可塑性强，因此黏土有一定的压缩性，砂层在水位降低时会引起有效应力的增加，该类因素为地面沉降、塌陷提供了物质基础。矿区3#矿体位于塌陷区下部，呈透镜状产出，走向NW，倾向SW，倾角60°，为典型的捕虏型成矿，矿体产于岩体内的碳酸盐岩捕虏体边缘。据01#、03#线地质剖面，碳酸盐灰岩、大理岩与第四系呈“天窗”直接接触，51#钻孔也显示第四系下伏厚层状灰岩，与第四系接触面上部存在厚约30m的风化破碎灰岩。碳酸盐灰岩发育为地下水溶蚀产生和发展创造了有利条件。根据区内地层、水文、工程地质因素，第四系覆盖层透水性较强，抗剪、抗压及抗潜蚀能力差，具备土洞发育条件，是产生地面塌陷的主要因素；下伏岩体为闪长岩与大理岩、灰岩的接触带，成矿构造强烈，存在构造裂隙或以灰岩溶蚀裂隙发育，成为土洞潜蚀土体运移通道，为土洞产生和扩大创造了条件。由此可见，地质条件因素是形成该矿地表塌陷的主要自然因素。

2.2采空区因素

矿山塌陷区下部开采中段有-250，-300，-350m中段，其中-250，-300m中段的102采场采空区未进行充填，井下现场勘察均未见漏砂和其他异常现象，采空区顶底板均较干燥。根据3#地质剖面，102采场-250m以上顶板厚度约97m，现场调查未见大面积坍塌。该矿为矽卡岩矿床，矿体顶板岩石为矽卡岩、大理岩，主要矿体顶底板一般较完整，整体性好，力学强度高，矿体及围岩工程地质性质较好。-250m采空区总体积约24 600m3，地面塌陷坑总体积为33 510m3，塌陷坑体积大于采空区体积。由采空区和地面塌陷坑体积对比分析，可初步认为采空区并非造成地面塌陷的直接原因。由采空区现场勘探、采空区体积对比及围岩工程地质性质综合分析可知，由采空区造成地表塌陷的可能性小。

2.3井下及周边排水因素

该区地下水主要补给来源为大气降水入渗补给及农业灌溉回渗补给，地下水总体流向由东南向西北径流。人工开采、大气蒸发及向下游径流为主要的排泄方式。据矿山调查以及周边矿山生产排水记录，该矿在正常生产时井下排水量约1 500m3/d，大量抽排地下水会形成一定范围的降落漏斗。区内分布的灰岩、大理岩为岩浆岩侵入形成的捕虏体，周边为透水性极弱的岩浆岩隔水层，发生水力联系的主要为上部第四系含水层，矿体顶板及发生水力联系的第四系含水层是矿床充水的主要来源。由于矿山井下排水及周边民用抽水灌溉，导致区内第四系含水层水位下降，地下水侵蚀面随之上下频繁波动，枯水期灰岩地下水位低于含水砂砾石黏土层侵蚀面，在丰水期灰岩地下水位上升，矿山井下排水造成地下水位在灰岩与第四系底板之间波动，为岩溶土洞塌陷的产生创造了动力条件。

2.4地面堆载因素

根据塌陷区范围调查结果，塌陷区中心位于矿山选厂尾砂堆场西北角，地表尾砂堆场堆积高度约4m，增加了地面荷载，在降水充水状态下，池内尾矿容重增大，可达饱水状态，尾矿堆场北侧排水管排水标高仅低于滩面0.5m，尾矿重力荷载增加于第四系覆盖层之上。根据第四系工程地质条件分析，松散层承载力差仅适合作为普通地面建筑的持力层，若在水动力条件下松散层侵蚀产生土洞，土洞顶板承载力不足，致使上覆土层产生变形塌陷。

2.5尾矿水化因素

经现场调查，塌陷坑正上方为1#尾矿堆场，相邻东侧为原尾矿2#堆场。由于1#、2#尾矿堆场均未采取防渗措施，水池水成为地表潜水的补给来源，通过第四系垂向渗透，加剧了地下水对第四系松散层的潜蚀和冲刷作用，使溶蚀土洞扩大直至坍塌。因此，尾矿水化作用是地面塌陷发生的外在因素条件。

3结语

结合淮北某铜矿矿区地质调查成果，分别对该矿区地层特征、水文地质特征、矿山开采及采空区现状、地表塌陷成因进行了详细分析，对于该矿区地表塌陷的有效防治有一定的借鉴价值。

参考文献

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[2]袁杰，高宗军，徐晓慧.枣庄岩溶地面塌陷的影响因素及其发展趋势[J].山东国土资源，2010，26(8)：18-21．

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[7]宋甫，周益龙，江飞飞.浅孔留矿法在急倾斜至极薄矿脉开采中的应用[J].现代矿业，2015(6)：32-33.

(收稿日期2016-05-06)

张显(1981—)，男，工程师，硕士研究生，243000 安徽省马鞍山市经济技术开发区西塘路666号。