老窑水突发性强排疏干诱发地面塌陷的案例分析

总第１２０期　西部探矿工程　ＷＥＳＴ—ＣＨＩＮＡ　ＥＸＰＬ０ＲＡＴ１０Ｎ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　ｓｅｒｉｅｓ　Ｎｏ．１２Ｏ　２００６年第４期　Ａｐｒ．２００６　文章编号：１Ｏ０４—５７１６（２Ｏ０６）Ｏ４一Ｏ２８５一Ｏ３　中图分类号：Ｘ４５文献标识码：Ｂ　老窑水突发性强排疏干诱发地面塌陷的案例分析　陈文林　（福建省１９７煤田地质勘探队，福建泉州３６２０００）　摘要：我国南方某石灰岩矿区已有多年的开矿历史，形成上下两个水平开采区，上水平停止开采已经两年时间。２００４　年年底，下水平在开拓过程中揭露了溶洞，而后通过导水断层疏干了上水平老窑水，引起地面塌陷。从分析塌陷的时　间、空间、岩溶突泥物及水文条件等证据入手，论述了该矿区地面塌陷是由于老窑水突发性强排疏干诱发的。　关键词：老窑水；岩溶；断层；地面塌陷　众所周知，老窑突水是矿山开发的重要隐患，广西南丹血的教训　是深刻的。可是，在大家重视突水危害性一面时，往往又忽视了老窑　水强烈疏干会造成地面塌陷这一灾害。以我国南方某石灰岩矿区为　、、　例（文中矿井、民硐编号系为了分析方便而编），论述老窑水突发性强　排疏干诱发地面塌陷的形成过程、机制及预测未来的发展趋势，以期　预防灾害的再发生，对其它矿区起到借鉴作用。　Ｉ概况　＼＼＼　／　／　地面塌陷坑位于我国南方某石灰岩矿区，首次坍塌发生于　２００３年１ｏ月１３日傍晚１９：Ｏ０左右，距ｉ　石灰岩矿井岩溶突水　（１３：Ｏ０左右）间隔为６ｈ，次日凌晨２：００左右再次滑塌。　圉　蕊　Ｐｌｑ　￣／／　Ａ＂／　夕　／７　一　塌陷坑以ＭＤ１硐口为中心，呈半环状，塌陷半径约８ｍ，明显　坍塌范围约１０００ｍ２，深度不详。裂缝向坍塌中心发生位移，可见　落差达２～３ｍ。ＭＤ１硐口至Ｍ【）２硐口附近见有较多的环状裂　隙，裂隙走向约４５。，长度ｌＯ￣１５ｍ，间距２～５ｍ，可见深度２ｍ，宽　：器　～　～　一地　～　、　一　０．ｏ５～ｏ．２０ｍ，由东向西逐渐变宽（见图１）。位于塌陷坑西侧约　２５ｍ的小溪在该段的流水未出现断流或明显减少等异常现象。　２矿井水文地质条件　图　习　ｎ　毒　１　石灰岩矿井突水发生于２００３年９月１２日下午１３；００左　黧冈～　二～　图１塌陷区井上下平面示意图　右，位置位于＋４５ｏｍ水平６　矿房迎头工作面的北面处正上方。　突水时水量很大，同时伴有较大的响声，突水开始时，水质开始浑　浊。调查发现岩溶突泥大量涌人６　矿房和４　矿房与６　矿房连　接巷道，呈锥状堆积，堆积物厚达３０ｃｍ以上。　矿井堆积物以溶蚀泥为主，覆盖面积大于４００ｍ　。按颗粒大　小划分：　例　溶、老窑水与地面塌陷形成的关系。　３．１地面塌陷与老窑水、岩溶突水之间关系　调查认为：１　石灰岩矿井６　矿房岩溶突水，导致ＭＤＩ老窑　水突发性强排疏干是造成ＭＤ１硐口地面塌陷及其周边出现地裂　缝的主要因素。可以从时间、空间及突泥物质上进行取证。　３．１．１从时问上　１　石灰岩矿井６　矿房岩溶突水发生时间为１３：ＯＯ，６ｈ之　后，Ｍ１）１硐及其周边地区发生塌陷及地裂缝等不良地质现象。　ＭＤｌ硐已停采多年，从岩体力学角度讲，其岩体处于一个相对平　衡的阶段，在没有突发事件，如地下水水位突变、震动等情况下，　岩体不易破坏形成不良地质现象。据相关气象资料，９月以来，　①粒径ｄ≤２ｍｍ的泥砂，为岩溶突泥成分的主要组成部分，　含量占８Ｏ　以上，以烂泥、砂等溶蚀物为主，见有粘度大、土块状　粘土。主要分布于锥状体顶部。　②粒径６Ｏ≥ｄ＞２ｍｍ范围的粗细颗粒，含量占１５　，以灰色　硅质岩小碎块、小颗粒为主，见有磨圆度较好的浅黄色卵石颗粒。　主要分布于锥状体中部。　③粒径ｄ￣６Ｏｍｍ的巨砾碎块，含量占５％ｏ，硅质岩、石灰岩　为主，表面溶蚀现象明显，颗粒大小一般为０．２ｍＸ０．３ｍＸ０．２ｍ，　大颗粒可达０．８ｍＸＯ．５ｍ￣０．４ｍ。主要分布于锥状体底部。　３地面塌陷机理分析　本次分析方法采用水文地质调查结合测绘定性研究矿区岩　该矿区降水少，基本为无雨季节，因此可以排除强降水造成塌陷　维普资讯 http://www.cqvip.com

西２８６　部探矿善｝　工程　ｍ　瑚　伽　Ａ．ｐｒ．２００６　Ｎｏ．４　伽　姗　的可能性，同时可以排除地震震动引起地面塌陷的可能性。　３．１．２从空间上　降，造成地表土体失稳而发生塌陷。其形成过程见图３。　Ｍ１２ｈ硐采区位于ｌ　石灰岩矿井６　矿房西部，平距３０ｍ，高　差近１００ｍ。Ｆ１ｚ正断层在该带经过，依据岩溶发育规律，一般在　断裂、地下水位上下较为发育的情况，因此可以认为岩溶在该带　较为发育。依据矿井采空区顶板岩体移动分带原则，该带的裂隙　＋　也较发育（图２）。　一　一一　蝴地裂缝　缝　ｆ　ｌ　、Ｌ　。巷　、　｛　＼＼、糊　；　ｌ　、＼　＼ｆ　｛　突水位置ｊ＼１Ｐ　　Ｊ　ｌ＝　｛　／　／／／＼ｉ＼　一　／　图２岩溶突水剖面示意图　３．１．３岩溶突泥物质　从６　矿房现场调查，岩溶突泥物质除含较多的溶洞泥质物、　硅质岩外，见有粘度较好的土块、棱角较好的石灰岩碎石颗粒及　碎块　溶泥、硅质岩为岩溶物质，但粘度较好的土块应为上部冲　入物，棱角较好的石灰岩碎石颗粒及碎块，明显为非岩溶物特征，　初步确定为采空区残余物。　３．１．４其它特征　６　矿房出现突水后，小溪的流量未出现减少或断流，说明溶洞　并未与小溪沟通，而应与旧采空区沟通。这是因为；矿坑流水量高于　突水前流水量并且持续时间长，未见溪水对其｝　给，只有老窑水对其　补给；突水长时间呈现浑浊，亦表明水源来自旧采区的积水（旧采区　在突水过程中冒落），岩溶水不会长时间出现浑浊。　从巷道平面图上可以看出近东西向的Ｆ１ｚ正断层正好通过　６　矿房，所以６＃矿房一带岩溶较为发育。而上部Ｍ　硐有的旧　工作面标高在４９０ｍ，距１　矿井４５０ｍ水平工作面顶板不超过　２０ｍ，可见岩溶打穿后，极易引起岩溶顶板（旧采区底板）冒落。　３．２地面塌陷机理分析　本次调查分析地面塌陷为岩溶突水引起老窑水水位急剧下　匝亟匝蠹巫］——匝巫垂圆　＋　突水后流量高于突水前持续时问长，水质　浑浊时间长，未见溪水位明显变化，突泥　物含有明显非岩溶物质　地下水水位急剧下降，形　成大面积降落漏斗，使采　Ｍ【）１硐附近出现地面坍塌，　空区顶板失稳、冒落　形成可见深度达２ｍ的裂隙　啪　伽　们　伽　旧采区坍塌，引起地表土体失稳下沉，　延伸至地表，形成塌陷坑，地面塌陷　图３地面塌陷影成过程示意图　４防治对策及建议　４．１对策一　从岩溶突水流水相对稳定时高于突水前流水量看，为防止　上部积水进一步下渗，而引起坍塌范围的扩大，应尽可能减少上　部流水量，尤其是防止小溪向矿井渗入，应采取在裂隙带灌入泥　浆，形成第一防水带，减少流水量与流速，在塌陷坑周围用沙袋围　起来，防止暴雨时小溪水流向矿井，造成地面大面积塌陷。　４．２对策二　在突水位置用钢筋水泥进行锚固，防渗，外围加砌防渗墙，把　流水量控制在一定范围之内。　４．３建议　４．３．１矿房放弃　１　矿井４５０ｍ水平的６　、４　矿房上部旧采区开采标高部分　在５００ｍ水平以下，建议调整其开拓开采方案，放弃这两个矿房　的开拓开采。　４．３．２　、超前探　ＭＤｌ硐是老矿井，存在许多旧巷道，加上其主采的ＩＩ　矿体　底板为透辉石角岩和泥灰岩隔水岩组，因此在旧巷道形成许多　积水区，对下部１　矿井的４５０ｍ水平的开拓开采（工　矿体）构成　了水害的威胁。建议今后各矿房在开拓之前，首先开展井下超前　探工作，做好放水工作。　４．３．３水文地质调查　由于该区水文地质、工程地质极其复杂，岩溶极为发育，原来　的地质报告对５４０ｍ标高以下矿床水文地质条件仅做一般性了　解。加上矿井原有的旧巷道多处积水，给下水平的开拓开采造成　严重的威胁。如有可能，建议应开展矿区水文地质、工程地质补　充勘探，并作好定期跟踪测量，对１　矿井今后的开拓开采将起到　指导性作用。　５结论　（下转第２８８页）　维普资讯 http://www.cqvip.com

西２８８　部探矿工程　Ａｐｒ．２００６　ＮＯ．４　（３）式可以变形为；　ｏｐ积分法边坡Ｆ一１．３６５２。较瑞典积分法计算结果偏大，符合　一Ｊｉ｛ｃ＋［ｇ（ｘ）一ｆ（ｘ）］・７・ｔａｎ甲｝／（ｃ。ｓａ＋ｔａｎ　／ｆ）ｄｘ　（ｘ）＿ｆ（ｘ）］　ｄｘ　（５）　般结论。　、　－　４结论　在采用极限平衡积分法进行边坡分析时，建立所述平面直　角坐标系，既符合数学分析习惯，又可使边坡及滑动圆弧方程最　式中：ｓｉｎＯ＝ｆ　（ｘ）／　１　＋ｆ　（ｘ）　ＣＯＳＯ＝１／，／１２＋ｆ，（ｘ）　；　为简化。提出基于简化Ｂｉｓｈｏｐ法原理的边坡稳定分析数值积分　法，完善了极限平衡法的理论，避免了条分法分条量算的繁琐工　作。所述方法编制的计算程序，有效的提高了计算效率和精度，　７——土体容重，ｋＮ／ｍ３｝　ｇ（ｘ），ｆ（ｘ）——边界方程，滑动面曲线方程。　２．３求解安全系数的方法　可获得该法较高精度的数值解。　参考文献：　简化Ｂｉｓｈｏｐ法安全系数数值积分公式（５）为超越方程，方程　的右边隐含安全系数，因而不能直接求出安全系数，一般可采用　［１］陈仲颐，周景星，王洪瑾．土力学［Ｍ］．北京：清华大学出版社，　ｌ９９７．　试算法，迭代求解。计算步骤与文献Ｅ１］中介绍的基本相同，但安　全系数表达式的分子、分母均按牛顿一柯特斯求积公式，采用数　值积分法求解。在计算程序中，积分区间长度可任意划分。　３算例计算　［２］戴自航，等．土坡稳定分析普遍极限平衡法的数值解的研究［Ｊ］．岩　土工程学报，２００２，（３）：３２７￣３３１．　Ｅ３］　张天宝．土坡稳定分析和土工建筑物的边坡设计［Ｍ］．成都；成都科　技大学出版社。１９８７．　本文算例引用文献［３］中第２Ｏ页的算例。该边坡坡高ｈ一　５０ｍ，坡率ｉｎ一３．２５，土容重Ｔ一１９．６２ｋＮ／ｒｎ３，粘结力Ｃ一　［４］张善杰，唐汉，高瑞章．实用计算方法［Ｍ］．南京：南京大学出版社，　１９９８．　５８．８６　ｋＰａ，内摩擦角　一１１．３ｏ。。按张天宝图表　径一１５２．１２５ｍ。　，可求得该　Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　Ｉｎｔｅｇｒａｌ　Ｓｏｌｖｉｎｇ　Ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　Ｓｌｏｐｅ　Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｌｉｍｉｔ　Ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ　Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　边坡最危险滑弧中心坐标№一５９．２１ｍ，ｙｏ一１３４．７１５ｍ，滑弧半　根据上述条件，则边坡的边界方程为：　ｆｏ　（ｘ≤Ｏ）　ｇ（ｘ）一　ｘ／３．２５（Ｏ≤ｘ≤１６２．５）　ＣＨＥＮ　Ｈｕａ－ｍｉｎｇ，ＳＨＥＮＧ　Ｊｉａｎ－ｌｏｎｇ　（Ｗｕｈａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，　Ｗｕｈａｎ　ｂｅｉ　４３００８１。Ｃｈｉｎａ）　ｌ５ｏ（ｘ）１６２．５）　滑动面曲面方程为：　ｉｘ）＝１３４．７ｌ５一￣，１５２．１２５‘一（ｘ一５９．２１）　ｆＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙ　ｅｒｅｃｔｉｎｇ　ｓｉｍｐｌｅ　ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ　ｐｌａｎｅ　ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓ　ｔｈａｔ　ｉｓ　ｓｕｉｔａｂｈ　ｆｏｒ　ｓｌｏｐｅ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ。ｎｕｍｅｄｃａｌ　ｉｎｔｅｇｒａｌ　ｓｏｌｖｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｄｅｄｕｃｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｓｗｅｄｅｎ　ｓｌｉｐ　ｃｉｒｃｕｌａｒ　ａｎｄ　ｓｉｍｐｌｅ　Ｂｉｓｈｏｐ　ｌｉｍｉｔ　ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ　ｍｅｔｈｏｄ，　ｒｅｄｕｃｉｎｇ　ｃｏｍｐｕｔｉｇ　ｃａｐａｃｉｎｔｙ　ａ　ｌｏｔ；ｓｏ　ｔｈｅ　ｓａｆｅｔｙ　ｆａｃｔｏｒ　ｏｆ　ｓｌｏｐｅ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｃａｎ　ｂｅ　ｍｏｒｅ　ｖｅｒａｃｉｏｕｓｌｙ　ｃｏｍｐｕｔｅｄ；　ａｎｄ　ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｇ　ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ　ｐｒｏ—　ｎ（一１１．４５７４ｘ￣１８５．５６４）　将上述的条件代入基于Ｆｅｌｌｅｎｉｕｓ瑞典原理的数值积分方法　（４）式得到的安全系数为１．２７６０；与张天宝得出的安全系数相比　可以认为是完全一致的。从而证实了所建立的方法是正确可靠　的。若假定的初值（如可假定Ｆ一１．Ｏ），连同已知条件代入式　（５），经程序反复迭代数次（一般５或６次即可），可得简化　ｓｈ—　ｇｒａｍｍｅｓ　ｉｓ　ｃｏｍｐｉｌｄ　ｂｙ　Ｍａｔｌｅａｂ　ｌａｎｇｕａｇｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｓｌｏｐｅ；１ｉｍｉｔ　ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ　ｍｅｔｈｏｄ；ｎｕｍｅｒｉｅａｌ　ｉｎｔｅ—　ｇｒａｌ　（上接第２８６页）　从分析１＃矿井岩溶突水、ＭＤｌ老窑水疏干、地面塌陷三者关　系表明，老窑水突发性强排疏干是造成地面塌陷直接因素，岩溶　突水是老窑水疏干动力，断层是通道。因此在有老窑区存在的矿　山，要认真开展老窑区调查工作，同时进行岩溶发育研究，避免打　参考文献：　［１］戴定贤，陈文林，俞解星，等．１号矿井４５０ｍ水平６号矿房岩溶突水　情况调查小结［Ｒ］．福建省１９７煤田地质勘探队，２００３．　Ｅ２］柴登榜，等．矿井地质工作手册［Ｍ］．煤炭工业出版社，１９８４．１０（１）．　Ｅ３］伍美锷，刘振中，等．岩溶学概论［Ｍ］．商务印书馆，１９８３．　［４］李智毅，杨裕云，等．工程地质学概论［Ｍ］．中国地质大学出版社，　ｌ９９４，１０（１）．　穿老窑、岩溶而引起灾害，这对加强矿山安全生产管理极为必要　的，具有现实意义。