鐵礦采空區(qū)影響范圍分析

段偉強

(華北有色工程勘察院有限公司，河北 石家莊 050021)

礦山采礦分為露天開采和井下開采，井下開采形成的采空區(qū)會在地表造成地面沉降、塌陷、裂縫等地質災害，嚴重影響采空區(qū)上部及鄰近區(qū)域地表房屋、人員的安全。對于礦山開采方來說，采空區(qū)影響范圍不能隨意的擴大，這樣會使得開采方開采的礦石量減少，賠償保護費用增加；對于礦山區(qū)域內的村莊來說，采空區(qū)影響范圍不能太小，這樣容易造成財產損失，威脅村民的人身安全。如何合理有效確定采空區(qū)的影響范圍，保證開采區(qū)域人民安全、財產不受損失，減少開采方的成本已經越來越受到重視。

1 解析法計算采空區(qū)影響范圍

1.1 解析法假定條件及計算公式

采空區(qū)將在地表形成一定的變形和破壞，但變形的大小和發(fā)展延伸會如何發(fā)生移動和變形范圍/程度有多大，這是一個非常復雜的問題。為了簡化計算，一般做如下的假設：①上覆巖層、礦體和基巖為均質、各向不同性，不考慮巖層和礦體中的結構面，裂隙和軟弱夾層的影響。②不考慮礦體底板基巖受力和變形對開采范圍的影響。③考慮各采空區(qū)直接在礦體一翼。

滿足上述三個假設條件之后，地表移動和變形主要集中在開采邊界上方寬度為2R的范圍內，主要影響范圍邊界與開采邊界的直線與水平所成的夾角θ有關。

式中：R為影響半徑(m)；H為上覆巖層厚度(m)；θ為巖層破裂角(°)。

采空區(qū)影響范圍計算示意圖如圖1所示。

1.2 參數(shù)確定方法

1) 根據(jù)巖性確定。巖層破裂角與巖層的巖性有關，采空區(qū)上覆巖層的厚度也影響巖層的破裂角[1]。

式中：D為巖性影響系數(shù)；巖性堅硬0.7～1.25；中硬1.2～2.0；軟弱：2.0～2.8。

2) 根據(jù)開采方式確定[2]。開采影響傳播角與礦體開采角有關，實測資料表明，開采影響傳播角與礦體開采角有如下關系。

α<45°時，θ=90°-0.68α

式中：α為礦體開采角度(°)。

3) 根據(jù)巖石破壞理論[1]。根據(jù)庫倫-納維爾破壞準則，可知巖體的剪切破壞面與水平面夾角為

式中φ為巖體內摩擦角(°)。

根據(jù)不同的已知條件，可以采用上述三種方法計算巖體的破裂角，當能同時滿足上述三個條件時，在礦區(qū)場地允許的條件下，應盡量取三者中的較大值，同時結合該區(qū)域的經驗值，確定采空區(qū)影響范圍，確保礦區(qū)周邊房屋、人員的安全。

圖1 采空區(qū)影響范圍計算示意圖

2 數(shù)值模擬法

現(xiàn)場實際中，圍巖受力狀態(tài)千變萬化，各處的應力狀態(tài)都不相同，巖石結構又很復雜，其強度、彈性模量等力學性質隨著巖性、圍壓、開采方式等條件的不同而發(fā)生變化，人工的解析法很難準確的對這些影響因素進行計算。隨著計算機技術的發(fā)展，各種巖土工程數(shù)值模擬軟件也飛速的發(fā)展，利用這些計算軟件，可以較好的模擬礦山實際開采過程中圍巖受力和位移情況。

3 工程實踐

河北省武安市安豐鐵礦位于武安市礦山鎮(zhèn)白鹿寺村村南500m處，鐵礦石主要存在于地下200左右的6個孤立的小盲礦體中。礦區(qū)范圍內的地層簡單，主要為表層的第四系碎石土和下部閃長巖層，深部鉆孔揭露尚見奧陶系灰?guī)r，灰?guī)r呈補虜體產出，表層碎石土厚約2m。礦區(qū)內構造不發(fā)育，深部礦體開采過程中未見地下水。

由于安豐鐵礦距離白鹿寺村較近，采用深部井巷開采形成的采空區(qū)是否影響村莊的安全成為當?shù)卣痛迕耜P心的問題。因此，武安市國土局委托華北有色工程勘察院有限公司進行采空區(qū)影響范圍的界定和評估工作。

3.1 解析法確定影響范圍

根據(jù)鐵礦的勘探資料和井上井下對照圖，結合現(xiàn)場的調查工作，確定了6個礦體覆蓋層的厚度、礦體的傾角、礦體的形狀參數(shù)(表1)。

表1 礦體參數(shù)

由于礦區(qū)內地質構造不發(fā)育，礦體開采過程中未遇見地下水，表層碎石土層僅有2m，下伏巖層均為閃長巖和灰?guī)r，地層單一，該區(qū)域的采空區(qū)影響范圍的計算可以采用式(1)的方法確定。

礦體上覆層均為閃長巖和奧陶系灰?guī)r，屬于中硬巖，在該區(qū)域內較為完整，節(jié)理裂隙不發(fā)育，根據(jù)室內試驗參數(shù)和《工程地質手冊》中的經驗參數(shù)，取地層巖性影響系數(shù)d=1.5，巖體似內摩擦角φ=40°，采用上述三種計算方法分別計算出巖層破裂角(表2)。

表2 巖層破裂角θ(°)

表2中三種方法計算的巖層破裂角位于60°～75°之間，結合邯鄲武安地區(qū)的工程實踐，確定巖層破裂角θ=63°。

利用式(1)可以計算出采空區(qū)影響半徑R(表3)。

根據(jù)地質勘探平面圖和礦體平面投影圖，把6個礦體的影響范圍標示在圖上，再依據(jù)每個礦體采空區(qū)的影響范圍圈出最終整個礦區(qū)的采空區(qū)預測影響范圍(圖2)。

從圖2中可以看出，各采空區(qū)位于不同的深度，形狀尺寸各異，形成的影響范圍也不同。3號采空區(qū)最靠近村莊，對白鹿寺村影響最大，經過計算，其形成的采空區(qū)影響范圍邊界遠離村莊，對村莊沒有影響。6個采空區(qū)最終形成的影響范圍邊界如圖外圍弧線所示，最南端距離村莊最近的房屋147m，不會對村莊產生影響。

表3 采空區(qū)影響半徑R(m)

圖2 采空區(qū)影響范圍示意圖

3.2 數(shù)值計算法確定影響范圍

3.2.1 地層模型及參數(shù)

本次計算選取距離白鹿寺村最近的3號礦體采空區(qū)進行計算。根據(jù)現(xiàn)有的地質資料可知，本礦區(qū)地層主要以閃長巖為主，閃長巖為成礦母巖，奧陶系灰?guī)r分布于礦區(qū)四周并被閃長巖所圍限，而深部呈捕虜體存在于巖體中，表層為坡積的碎石土層。

參照以往的地質勘探資料，同時在現(xiàn)場實際取樣進行實驗室試驗，結合地層巖體的完整程度和區(qū)域類似工程經驗，對實驗室取得的巖體參數(shù)進行折減采用，計算參數(shù)如表4所示[1]。

表4 數(shù)值計算巖石力學參數(shù)

3.2.2 開采應力變化分析

從圖3中可以看出，該剖面上共有五個小礦體采空區(qū)，呈帶狀及透鏡體存在，開采規(guī)模和范圍均不大。在開采過程中，地層中的應力平衡將被破壞，隨著時間的推移，巖層經過一系列復雜的變形，會形成新的應力平衡。

在沒有開采之前，地層應力分布從上到下依次增大，與地層厚度成正比關系，只是在地層界線附近出現(xiàn)了應力變化區(qū)。這時地層中的應力主要是自重應力，自重應力與地層厚度和巖體容重成正比，符合一般地應力場分布規(guī)律(圖4)。

圖3 礦區(qū)地層模型

圖4 未開采時地層應力分布圖

在礦體開采時，地層中的應力平衡被破壞，開采結束后，地層應力重新達到了平衡狀態(tài)。由圖4可以看出，地層應力出現(xiàn)了拉應力區(qū)和壓應力區(qū)。拉應力區(qū)出現(xiàn)在地表的碎石土層中，形成的拉應力已經使得破壞了碎石土的結構。這是因為地下形成了采空區(qū)，必然使得上層的巖層在自重應力的作用下有下降的趨勢，形成了向下的拉應力，而碎石土層抗拉強度很低，不足以抵抗形成的拉應力，導致了碎石土層結構的破壞。在較大的采空區(qū)上部和下部形成了較低的壓應力區(qū)，這是由于采空區(qū)造成了地層應力釋放，減小了上部和下部的應力，在采空區(qū)的兩端形成了應力集中區(qū)，其中最大主應力σ1方向基本上為洞周的切向方向，從洞體表面向巖體內，應力逐漸增大，這與我們現(xiàn)有的認識是一致的。地層形成應力的大小與采空區(qū)的形狀、大小、工作面推進速度有關，也和礦層的埋深、厚度、傾角有關，從圖5中可以看出，最大的采空區(qū)上部巖層從上到下應力均很小，地表形成了拉應力區(qū)，說明該采空區(qū)上覆巖層出現(xiàn)了較大規(guī)模的位移，應力得以釋放，隨著時間的推移，該區(qū)域采空區(qū)上覆巖層會出現(xiàn)坍塌，地表會形成塌陷坑，對地表影響較大。剩余四個小采空區(qū)的由于上覆巖層厚度大，強度較高，應力變化沒有影響到地表，所以對地表沒有影響。

3.2.3 確定采空區(qū)影響范圍

《煤礦測量規(guī)程》中規(guī)定：煤礦地表位移超過50mm時，應該加密觀測?！督ㄖ铩⑺w、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》中規(guī)定：磚混結構建筑物輕度損壞，小修即可恢復，其地表傾斜小于6mm/m，一般的磚混結構跨度不超過10m，地表的垂直沉降要小于60mm。綜合參照上述規(guī)范要求，結合礦區(qū)特點，確定采空區(qū)地表沉降50mm范圍為采空區(qū)影響范圍，會對區(qū)域內的建筑物造成損傷和影響[2-5]。

在圖6上明顯的能看到，地表移動盆地形成了三個區(qū)：中間區(qū)(黑色區(qū)域)，內邊緣區(qū)(灰色區(qū)域)，外邊緣區(qū)(淺灰色區(qū)域)。地表總沉降最大值72mm，位于最大的采空區(qū)正上方區(qū)域，往兩邊地表沉降逐漸地減小，地層沉降在垂向上是由地表向地下采空區(qū)逐漸減小。

確定地表總沉降為50mm的范圍邊界，圈出采空區(qū)的影響范圍，從圖上可以看出，最大的采空區(qū)影響半徑為166.7m，3號采空區(qū)影響范圍為112.9m，數(shù)值計算的結果與解析法的結果一致，這是由于該地區(qū)的地層簡單，區(qū)域內無斷裂構造，巖層參數(shù)確定準確，影響采空區(qū)影響范圍的因素簡單，如果區(qū)域工

程地質、水文地質條件復雜時，簡化的計算方法將不適用，可能和最終的結果有較大的誤差，必須應用數(shù)值模擬計算方法，綜合考慮各影響因素的作用，綜合做出評估。

圖5 采空區(qū)地層應力分布圖

圖6 總沉降位移圖

4 小結

本文通過實際的工程案例，對采空區(qū)影響范圍的確定方法進行了分析研究，得出以下結論。

1) 采空區(qū)影響范圍大小與礦層形態(tài)、巖石巖性、大地構造和開采方法有關。

2) 通過假設計算條件，簡化計算過程，合理確定計算參數(shù)，提出了一種比較簡單的影響范圍確定方法，為快速估算影響范圍奠定基礎。

3) 利用數(shù)值計算軟件，驗證了簡化計算方法的正確性和適用范圍。

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[3]煤礦測量規(guī)程(2011版)(中國)[S].2011.

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