張士虎
(湖北省地質調查院,湖北武漢 430034)
隨著中國經濟建設的發(fā)展,每年都有大量高速公路、鐵路、水庫、機場、高壓輸電線路、高層樓宇等建設工程項目需要設計和開工建設,這些工程相當一部分位于礦產資源分布區(qū),因而涉及到工程壓覆礦產資源的問題。同時,礦產資源開采后,工程下方和周緣地帶將出現采空區(qū),給工程的安全帶來一定隱患。因此,為了保證工程在建設中和建成后的安全,就要對工程項目進行壓覆礦產資源的評價;如果工程項目建成后所發(fā)揮的經濟、社會效益超過被壓覆礦產資源的價值,就需要對被壓覆礦產資源進行估算。估算的準則是以工程的安全為前提、以壓覆的礦產資源儲量最少為原則。本文試圖引入“巖層移動角”這個概念,根據不同礦床,選擇合適的巖層移動角,進而合理確定工程項目在平面方向和垂線方向上的壓覆范圍,進行建設項目壓覆礦產資源儲量的估算,從而對建設工程壓覆的礦產資源進行合理的評價,實現保護礦產資源和工程建設項目安全的目的。
地下礦產的開采,因采空區(qū)的形成必然要引起礦體周圍巖層及地表巖層的移動和變形。巖層移動是在采空區(qū)中,因地應力的瞬間釋放而引起采空區(qū)周圍直至地表的巖層發(fā)生移動、變形和破壞的現象與過程。巖層移動波及到地表謂之地表移動,采空區(qū)上方塌陷波及到地表可形成地表移動盆地(又稱地表塌陷盆地)。移動盆地主要表現形式為地表下沉、傾斜、水平變形與移動。移動盆地的大小與采礦方法、礦體厚度、礦體埋深以及地表荷載、積水等有關。當地表最大下沉值不再隨著采空區(qū)的增大而增加時,稱為充分采動。移動角則是在充分或者接近充分采動的條件下,移動盆地主斷面上,地表最外的臨界變形點和采空區(qū)邊界點連線與水平線在礦體一側的夾角。移動角按類別可分為:沿礦體走向方向移動角δ、沿下山方向(運輸大巷向下方向)移動角β、沿上山方向(運輸大巷向上方向)移動角γ,以及急傾斜礦體底板移動角λ等。
礦體覆巖(圍巖)的抗壓強度(堅硬程度)是影響巖層移動角大小的重要因素。礦體覆巖(圍巖)大致可以分為三類[1]:①堅硬巖石類,如砂巖、碳酸鹽巖、中酸性花崗—閃長巖類、鐵礦石、硅石、基性輝綠巖等,單向抗壓強度一般>60 MPa;②中等硬巖類,如裂隙發(fā)育的較堅硬的砂巖與碳酸鹽巖、鐵礦石,單向抗壓強度一般30~60 MPa;③軟弱巖土類,如裂隙發(fā)育的頁巖、煤層、泥灰?guī)r、黃土、砂質粘土等,單向抗壓強度多 <30 MPa。一般來講,礦體上覆巖層較堅硬的,巖層移動角大;上覆巖層較軟弱的,巖層移動角小,可導致地表塌陷的范圍也就大[2]。
根據一些大、中型礦區(qū)的地表移動、變形的實際觀測數據,礦體的開采深度與地表的移動、變形呈負相關關系,即開采深度愈大,地表的變形量就愈小,亦即移動角就愈大。據朱劉娟等人研究,開采深度增大至500~1 100 m,走向方向與下山方向的移動角,比埋藏較淺(350 m以內)的礦體,其移動角可普遍增大3°~7°。
礦體厚度與地表的移動變形量呈正相關關系,即礦體厚度愈大,則開采后形成的采空區(qū)愈大,其采空區(qū)上方一旦塌陷并波及到地表后,在地表形成的移動盆地就愈寬,變形量就增大,形成的巖層移動角變小。
據中國20余個大—中型煤礦區(qū)200多組地表移動、變形數據的統計,當礦體底部埋深在350 m以內、礦體傾角α<50°、礦體圍巖為堅硬巖層時,沿走向方向的移動角δ與上山方向(運輸大巷向上方向)的移動角γ為75°~80°,下山方向(運輸大巷向下方向)的移動角β一般為礦體傾角α的函數,即β=δ-k×α(k的系數一般取0.7~0.8)。當礦體圍巖為中硬巖層時,沿走向方向的移動角δ與上山方向的移動角γ為70°~75°,下山方向的移動角為 β=δ-(0.6~0.7)×α。當礦體圍巖為較軟弱的巖層時,沿走向方向的移動角δ與上山方向的移動角γ為60°~70°,下山方向的移動角為 β=δ-(0.3~0.5)×α。
依據巖石的抗壓強度、礦體埋深、礦體傾角,并根據有關規(guī)范,現將礦體埋深在350 m以內、礦體傾角<50°的條件下的巖層移動角列于表1中,實際應用時,需根據各礦區(qū)的巖石堅硬程度等礦床地質條件進行綜合判定。
對于礦體埋深在350~500 m、傾角>60°的礦體,選擇移動角時可以參考。
表1 按圍巖抗壓強度劃分的地表移動一般參數綜合表Table 1 Comprehensive table of general parameters
礦體埋深以及開采深度>500 m的礦區(qū),其巖層移動角的變化特點,相關規(guī)程與技術規(guī)范目前尚無明確的統計結論。朱劉娟、陳俊杰等在詳細研究了煤礦區(qū)深部開采條件下,巖層在走向方向上與傾向方向上的移動、變化后發(fā)現:開采深度愈大,地表巖層的移動、變形愈小,即巖層的移動角愈大,并給出了下列移動角參數值(表2),這些參數可作為在進行壓覆礦產資源評價時移動角取值的參考。
表2中數據僅適用于礦體傾角在30°~60°的礦區(qū)。對于礦體傾角<30°的礦區(qū),在選擇移動角參數值時可酌情減小2°~7°;對于礦體傾角>60°的礦區(qū),在選擇移動角參數值時可酌情增大1°~5°。
第四紀松散沉積層中的移動角一般較小(表1)。當含水較強、厚度<40 m時,移動角可采用40°~45°;當松散層含水弱、厚度>40 m時,由于其沉積層硬度、密實度較高,移動角可采用45°~50°。
表2 不同開采深度下基巖移動角參數表Table 2 Parameter list of displacement angle of bed rock in differentmining depth
表1、表2是由20余個礦區(qū)200余組觀測數據經過計算、驗證獲得的礦體在不同地質條件下的巖層移動角參數值。工程建設項目在預可行研究階段遇到采空區(qū)時,常采用避讓的辦法予以繞行。在進行建設項目的壓覆評價時,一般都是對未開采的礦區(qū)進行壓覆資源儲量的估算,故都沒有巖層移動、變形的觀測數據。因此,對被壓覆礦區(qū)的移動角參數的取值,可按“類比法”原則,根據表1、表2中列出的參數,結合被壓覆礦區(qū)具體的礦床地質條件如礦體傾角、圍巖抗壓強度等合理地選定。
工程的保護范圍是指工程本身用地范圍的邊界向外一定寬度內不允許采礦的范圍。已經發(fā)布實施的關于各類工程的管理、保護的法規(guī)、條例等,基本都明確規(guī)定了工程的保護范圍。這是確定每一個工程項目壓覆礦產資源范圍的主要依據,必須嚴格遵守。比如在《公路安全保護條例》中明確規(guī)定公路工程用地外緣起向外100 m。再如水利樞紐工程,在《湖北省水庫管理辦法》中,其保護范圍規(guī)定為主壩兩端各200 m、禁腳地以外100 m等。
此外,有的工程類型可能同時受到2部以上法規(guī)的約束。例如在《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》中,高速公路的保護范圍(也稱:圍護帶)寬度規(guī)定為20 m,但在前述的《公路安全保護條例》中,保護范圍為公路用地外緣起向外100 m。對于這些不同的規(guī)定,應依據取“最大值”的原則,取100 m為其保護范圍,而不必用《公路安全保護條例》中規(guī)定的100 m寬度,再加上《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》中規(guī)定的20 m寬度,作為公路工程的保護范圍。因為100 m寬的保護范圍已經超出了后者煤礦開采要求的在工程周圍設立“20 m圍護帶”的標準。另據付寶祥研究,當煤礦體傾角23°、埋深在153m時,依據移動角計算,省級公路中心線兩側沿礦體傾斜方向的保護范圍水平寬度為94(沿礦體傾斜方向向下方向、上山方向)~97 m(沿礦體傾斜方向向上方向、下山方向)[3]。說明依據取“最大值”原則,采用100m的保護范圍是適宜的,可最大限度地減少壓覆的資源儲量,同時也可保證公路工程的安全。
工程的壓覆范圍是在估算壓覆資源儲量時的平面計算范圍,它一般大于保護范圍的寬度。
對于保護范圍寬度<200 m的工程,應運用巖層移動角來計算工程項目在平面上的壓覆寬度,以增大工程在平面上的保護范圍寬度。在這個寬度之下,礦體作為保安礦柱永久保留下來,不被開采,以防止工程下方出現采空區(qū)時對工程帶來的危害。
壓覆寬度常用作圖法—垂直剖面法來確定,即先作出工程沿礦體傾向方向和沿走向方向上的剖面圖,根據剖面上的水平寬度,再作出工程在平面上的壓覆寬度和長度的平面圖,這就獲取了工程壓覆資源儲量在平面上的具體計算范圍;壓覆深度的確定,在剖面圖中,由礦體的埋深或者開采深度來確定。
對于保護范圍寬度>200 m的工程(指工程占地范圍的外側),加上工程占地面積的寬度要>400 m,其保護范圍已經足夠寬了,故可不必用巖層移動角的方法再來計算壓覆寬度,可直接用保護范圍與工程占地面積的總寬度代替壓覆寬度。
3.3.1 礦體上方工程壓覆范圍的確定
圖1 鐵礦體上方G151號鐵塔壓覆寬度示意圖Fig.1 Schematic diagram of overburden pressure width about No.G151
五峰—巴東500 kV輸電線路工程穿越五峰縣龍角壩鐵礦區(qū),G151號鐵塔位于泥盆紀寫經寺組的鮞狀磁鐵礦層之上(圖1)。鐵塔底部塔基長、寬各為15 m,塔基四周的保護范圍(寬度)為20 m。塔基外緣與礦體走向基本平行,鐵礦體傾角α=18°~25°,礦體在塔基下埋深約80 m(圖1,A-B沿傾斜方向剖面圖),礦體圍巖為弱風化的砂質頁巖、泥質灰?guī)r,巖石抗壓強度35~40 MPa,屬較堅硬類型。根據前述表1中的移動角參數,取γ=δ=70°,β=δ-kα=70-(0.6×20)=58°;依據塔基占地范圍及向外的保護總寬度55 m(塔基寬度15 m,塔基兩側的保護寬度各為20 m)、地形高度、礦體埋深、礦體傾角(取最大傾角25°)、上山移動角γ和下山移動角β數據,作A-B沿礦體傾斜方向剖面圖,得移動角與礦體的m、n兩個交點(m、n點為計算壓覆資源儲量的垂直深度),在圖中可求出交點m、n間的水平寬度為121 m(圖1,A-B沿傾斜方向剖面圖);再依據塔基中心點向外的保護總寬度、地形高度、礦體埋深和沿礦體走向方向移動角δ數據,作CD沿礦體走向方向剖面圖(圖1,C-D沿走向方向剖面圖),連接與圖1內A-B剖面中的m及n點(作水平連線),得 e、f、h、g四個交點;最后將塔基建筑區(qū)占地面積加保護范圍(寬度)作一四邊形(圖1,右側平面圖),按 C -D 剖面圖中 e、f、h、g四個點的實際間距,作鐵塔壓覆范圍平面圖,求得的圖形為一梯形。圖1右圖中,其走向方向水平寬度為96(e-f間寬度)~140 m(h-g間寬度),傾向方向水平寬為64 m+57 m=121 m(A-B點間寬度,即m-n點間寬度)。依據這一平面梯形面積及m、n點的壓覆深度,即可計算出被G151號輸電鐵塔壓覆的鐵礦資源儲量。
圖中h-g點間的寬度比f-e點間的寬度要大,這是由于hg一線位于礦體的傾向方向,且礦體在該部位(m點)埋深為最大的緣故。
此外,在實際工作中會遇到工程的長軸方向與巖層(或者礦體)走向斜交的現象(圖2),對此應首先將工程外框校正成與巖層(或礦體)走向一致的理想狀態(tài):即先作出工程的efgh實際走向的長方形;再過efgh四個角,作平行巖層走向及傾向的平行線,得e'f'g'h'矩形,此時原工程由原來的NE40°走向已經與南—北走向的巖層形成了平行狀態(tài);再依據圖1中A-B、CD剖面的作圖方法,并根據工程保護范圍的寬度及根據表1、表2中礦體的埋深、傾角、圍巖強度等條件,選定恰當的移動角,最后計算出工程在平面上的長、寬壓覆范圍。
圖2 與巖層(礦體)走向斜交的工程邊框校正示意圖Fig.2 Schematic diagram of frame correction
3.3.2 礦體外圍工程壓覆范圍的確定
工程設計中往往要采取避讓的辦法,將工程的保護范圍全部或者部分避開礦體分布區(qū)。對于部分避開的工程,仍要涉及到對壓覆寬度的計算問題(圖3)。滬蓉高速公路峽口隧道,垂直于巖層走向方向穿過下堡坪煤礦區(qū),與煤層走向的南部尖滅端相距90 m,煤層的傾角45°,煤層范圍在縱投影圖上為ache四點所圍的長方形,隧道北側g點的路面高程為224 m,礦山允許開采的最低—最高標高是200~300 m,《公路安全保護條例》中規(guī)定的保護范圍為公路兩側各100 m,則隧道沿煤層走向在水平方向上僅壓覆了13 m寬的煤礦體。煤礦體圍巖為砂質頁巖、泥巖,且斷裂較發(fā)育,遇地下水易軟化,屬軟巖類型。根據表1的移動角參數,則沿走向方向移動角δ的取值為65°,由隧道北側g點(隧道的底板)向北100 m(工程保護范圍邊界)至n點,作65°的移動角交于200 m高程的最低開采標高水平線,計算出其壓覆寬度為11 m(m-n點寬度),則隧道沿走向方向的水平壓覆寬度應確定為100m加上11 m共計為111 m(圖3)。由于煤礦層未延伸至隧道建筑區(qū),故隧道在煤層傾向方向上的壓覆寬度,只能以煤層的200~300 m開采標高在地表的投影范圍作為隧道工程在礦體傾斜方向上的壓覆寬度。
圖3 峽口隧道橫斷面與下堡坪礦區(qū)煤層走向縱投影圖Fig.3 Longitudinal profile of coal seam strike
由于煤層走向方向與隧道北側的保護寬度只有13 m的重疊區(qū),可用煤層在走向方向的尖滅端f點,驗算一下上述壓覆寬度的合理性:由隧道北側87 m處的f點(可采煤層的邊界)作65°移動角(圖3),向下交于200 m開采高程及100 m的水平壓覆寬度端點o點,向上交于d點,即由圖3可見,在300 m的最大允許開采高程線上,仍然有53 m的安全寬度,可以保護隧道由底板向上至76 m的垂直范圍內,不受巖層變形、移動的影響;在f點,距離隧道北側(g點)亦有87 m的安全距離。這個驗算表明,以f點作移動角,取100 m作為隧道的壓覆寬度,工程的安全仍然是有保障的,但考慮到必須滿足法規(guī)《公路安全保護條例》的要求,故采用111 m的壓覆寬度,相應會更合理一些。
3.3.3 陡傾斜礦體工程壓覆范圍的確定
對于傾角>60°的陡傾斜礦體,由于礦體在平面上的投影面積小,可建議在工程的設計上用空中跨越的辦法通過礦區(qū),不直接壓覆資源儲量,使分布于工程下方的礦體仍然可以開采利用。
由圖4所示,龍坪礦區(qū)鐵礦層出露地表,礦體厚0.9~1.77 m,傾角 78°~82°,礦體底端埋深 190 m。五峰—巴東500 kV輸電線路工程垂直礦層走向方向穿越該鐵礦區(qū),3號鐵礦層在地表距離162號輸電線路鐵塔315 m;4號鐵礦層距離輸電線路161號鐵塔130 m,礦體圍巖為弱風化的砂質頁巖、泥質灰?guī)r,抗壓強度35~40 MPa,屬較堅硬類型。由于礦體為陡傾斜產出,故選用跨越方法通過礦區(qū),使日后礦山的開采不影響輸電工程的安全。
圖4 五峰—巴東500 kV輸電線路跨越巴東縣龍坪鐵礦區(qū)162、161號鐵塔與鐵礦層相對位置剖面圖Fig.4 Relative position profile of No.161 and No.162 tower and iron ore bed in Longping iron ore district
為滿足以上要求,就必須在礦體的頂板及底板確定一個巖層移動角(由于是預測的最小移動角,故也稱巖層移動休止角),即工程設計的選址部位必須是在這個角度控制的可能塌陷的范圍之外。據前述表1與表2中移動角參數值,以經驗類比法,取移動角為70°,用作圖法在礦區(qū)地層剖面上選取A、B、C、D、E和F六個點(圖4),在Fe3礦體底端E點作70°角(E點為礦山將來的1 630 m最低開采水平),向上交于A點,A點距Fe3礦體地表露頭150 m,即為鐵礦開采后采空區(qū)在地表的水平移動(塌陷)寬度。3號鐵礦層在橫斷面上從地表至地下1 630 m最低開采水平,理論上可形成的采空面積為800 m2(垂深200 m×寬4 m)。筆者假定礦體開采后,前期在開采區(qū)的上部(D點之上)形成了漏斗狀的采空塌陷,D點基本處于陡傾斜礦體的中間部位,D、K318(探槽)、B三點組成的三角形斷面面積達3 225 m2,是Fe3礦體全部采空面積800 m2的4倍,因此,三角形斷面部位的巖層在發(fā)生變形、移動塌陷后,足可以充滿D-E點之間垂高約100 m的采空區(qū)。另外,A-D點連線與水平線的夾角為55°,A、D、K318(探槽)三點組成的三角形斷面面積約6 380 m2,約是Fe3礦體全部橫斷面采空面積800 m2的8倍,可以推斷Fe3礦體底端(E點)70°的移動角,將是巖層移動的休止角,在地表由A點至礦體出露點可形成寬150 m的巖層移動、變形帶(地表塌陷帶),在帶內不可布設工程(圖4)。
礦體底板傾斜線與水平線的交角,又稱為急傾斜礦體底板移動角,常用“λ”表示。在Fe4礦體底板底端F點作70°角(圖4),向上交于C點,C點距Fe4礦體地表露頭20 m,由于該底板下方無采空區(qū)使巖層產生移動、變形,故20 m寬度即為鐵礦開采后礦體底板巖層可能水平移動(塌陷)的寬度,在范圍內亦不可布設工程(圖4)。
以上分析可見,當161號鐵塔距Fe4礦體地表露頭水平距離>20 m時工程是安全的;當162號鐵塔距Fe3礦體地表露頭水平距離>150 m時,工程是安全的,以此可用于指導工程的設計、施工。
圖4中162號與161號鐵塔,就是根據礦區(qū)資料和礦體的產出特征,向設計單位提出鐵塔的選址部位后經修改、確定后的輸電線路鐵塔布設方案。
3.3.4 零星剩余資源儲量的處理
一般來說,礦床的資源儲量被工程壓覆后剩余的儲量可以繼續(xù)開采。但是,對于礦床邊部的儲量計算塊段或者與周圍的儲量計算塊段不相連的塊段,可能由于工程壓覆地段的分割而成為“孤島”。要開采這部分零星礦體,需要重新開掘巷道并增大運輸距離,其開采成本遠大于礦石當前的市場價值,這對礦山企業(yè)是虧損的。因此,對這一部分處于壓覆范圍之外呈“孤島”狀的零星礦體,也應作為工程壓覆資源,一并進行壓覆資源儲量的估算。
合理的采礦方法是工程建成后的安全保障。雖然對每一項建設工程都選擇合適的巖層移動角,并在工程下方設置保護礦柱,用永久保留礦(巖)層的辦法來保護工程建成后的安全,但還是或多或少留有安全隱患。因為每個礦區(qū)的工程地質、水文地質條件和礦石的回采方法不盡相同,都直接影響到工程下方保護礦(巖)柱的完整性。因此,對于分布在建設工程下方或者兩側的礦床,應使用“充填采礦法”采礦。這種方法,對作跨越式設計的工程尤其重要。充填采礦法目前在較多的大、中型礦山中被廣泛利用[4],這種方法是用充填料(如圍巖廢石、尾礦渣)對采空區(qū)進行充填,并要克服充填物在采空區(qū)內不接頂現象(充填物與開采區(qū)頂板之間留有空隙),必要時還可用水泥對其充填料進行膠結、密實,以提高充填體的強度。由于充填體在采空區(qū)的存在,使得采空區(qū)內圍巖的臨空面消失,可有效控制地壓,阻止圍巖的崩落、移動和地表下沉,以此來避免地表和地下建筑工程的變形和破壞。
用充填法采礦,由于開采的礦體圍巖多被用來充填采空區(qū),這在很大程度上減少了礦區(qū)地面廢石、尾礦渣的堆放,減少了滑坡、泥石流等次生地質災害以及水污染發(fā)生的幾率,也是保護礦山地質環(huán)境與生態(tài)環(huán)境的積極措施。
(1)巖層移動角是移動盆地主斷面上,地表最外的臨界變形點和采空區(qū)邊界點的連線與水平線在礦體一側的夾角,按類別主要可分為沿礦體走向方向移動角δ、沿下山方向(運輸大巷向下方向)移動角β、沿上山方向(運輸大巷向上方向)移動角γ三種。表1中移動角參數值適用于礦體底端埋深<350 m、礦體傾角<50°的礦床。對于礦體底部埋深在350~500 m、傾角>60°的礦體,亦可參考。表2中移動角數據適用于礦體埋深及開采深度>500 m、礦體傾角在30°~60°的礦區(qū),對于礦體傾角<30°或者>60°的礦區(qū),在選擇移動角參數值時可酌情參考。
對于第四紀松散沉積區(qū)移動角的參數值可根據土體的厚度、含水性等因素結合表1進行綜合確定。
(2)建設工程項目的保護范圍(保護寬度),不同類型的工程,均有相關的法律法規(guī)規(guī)定。對于保護寬度<200 m的工程,從工程建成后的安全角度考慮,須根據礦區(qū)的礦體產出特征,選取合適的巖層移動角,用“垂直剖面法”計算工程的壓覆寬度和深度,然后依據計算出建設工程項目壓覆的礦產資源儲量。
(3)當一個工程同時受到兩部以上法規(guī)、規(guī)范約束的時候,依據取“最大值”的原則選最大的一個“保護范圍”數據,并用“垂直剖面法”求出工程的壓覆寬度與深度,進行壓覆礦產資源儲量的估算。這樣,即滿足了與該工程相對應的各部法規(guī)、規(guī)范的技術要求,又合理地保護和最大限度地利用了礦產資源。
(4)在對建設工程下方及周緣的礦體進行開采時,應采用“充填采礦法”進行采礦。對采礦形成的采空區(qū)及時進行充填,并不在采空區(qū)頂部留下空置區(qū),以防止工程的下方與周緣出現巖層移動、變形與地面塌陷,切實保護礦山地質環(huán)境與建設工程的安全。
致謝:本文初稿完成后,吳傳榮教授級高級工程師進行了詳細審閱并提出了寶貴意見,在此深表感謝!
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