礦山地質(zhì)環(huán)境中移動(dòng)盆地范圍劃定方法研究

肖　億，吳劍鋒

（1.南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京210093；2.江西省地礦局九○一地質(zhì)大隊(duì)，江西萍鄉(xiāng)337000）

礦山地質(zhì)環(huán)境中移動(dòng)盆地范圍劃定方法研究

肖億*1，2，吳劍鋒1

（1.南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京210093；2.江西省地礦局九○一地質(zhì)大隊(duì)，江西萍鄉(xiāng)337000）

運(yùn)用概率積分法計(jì)算巖層移動(dòng)角，并以此定量評(píng)估移動(dòng)盆地范圍。研究成果對(duì)進(jìn)一步提高礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與恢復(fù)治理方案編制工作以及礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)等方面有重要指導(dǎo)意義。

礦山地質(zhì)環(huán)境；定量評(píng)估；概率積分法；移動(dòng)盆地

1　任務(wù)由來(lái)

礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與治理恢復(fù)方案是依據(jù)礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)利用方案和采礦地質(zhì)環(huán)境條件，分析預(yù)測(cè)采礦活動(dòng)可能引發(fā)或加劇的地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題及其危害，評(píng)估礦山建設(shè)和生產(chǎn)可能造成的礦山地質(zhì)環(huán)境影響，提出礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)和治理恢復(fù)技術(shù)措施，并做出總體部署和安排。涉及的范圍包括采礦登記范圍和采礦活動(dòng)可能影響到的范圍。其中礦山地質(zhì)環(huán)境影響的評(píng)估精度要求：一級(jí)評(píng)估以定量為主；二級(jí)評(píng)估為定量與定性結(jié)合；三級(jí)評(píng)估以定性為主。評(píng)估的因素是多方面的，主要是針對(duì)礦山地質(zhì)災(zāi)害來(lái)評(píng)估和劃分；其中危害性最大、造成地質(zhì)環(huán)境影響范圍最廣、影響時(shí)效最久的是由礦山開(kāi)采引起的地面塌陷、地裂縫形成的地表移動(dòng)盆地。而目前移動(dòng)盆地范圍的劃定是以礦山開(kāi)采邊界上巖層移動(dòng)角的經(jīng)驗(yàn)值來(lái)半定量劃分（以圖1為例）。

圖1　以移動(dòng)角經(jīng)驗(yàn)值65°來(lái)劃分移動(dòng)盆地范圍

評(píng)估過(guò)程中，對(duì)地表移動(dòng)盆地的范圍劃定不甚合理，主要是以巖層移動(dòng)角的經(jīng)驗(yàn)值來(lái)劃定，這種評(píng)估方法不甚合理，人為主觀影響因素較大，往往容易造成評(píng)估結(jié)果的不確定性。而移動(dòng)盆地不合理的范圍劃定，使得地表的建筑物和生產(chǎn)設(shè)施處于移動(dòng)盆地范圍內(nèi)而產(chǎn)生變形破壞，不僅給礦山造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且對(duì)礦山的安全生產(chǎn)構(gòu)成巨大的威脅。

礦山開(kāi)采必然引起地表下沉，由于開(kāi)采礦層引起的地表移動(dòng)規(guī)律和預(yù)測(cè)理論一般不能直接用于地下礦床開(kāi)采，也很難用某一種或幾種方法準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)未來(lái)移動(dòng)盆地的地表沉陷，甚至不可能。移動(dòng)盆地巖層移動(dòng)角的選取問(wèn)題十分復(fù)雜，其數(shù)值的影響因素是多方面的，而各因素對(duì)地表移動(dòng)盆地的影響程度又不盡相同。本文通過(guò)對(duì)實(shí)際工作中大量的礦山恢復(fù)治理方案的編制和分析總結(jié)，采用概率積分法計(jì)算出巖層走向移動(dòng)角，劃分礦山地表移動(dòng)盆地范圍，對(duì)決定煤礦地表移動(dòng)盆地的巖層移動(dòng)角的定量評(píng)估進(jìn)行了探索研究。

2　以概率積分法來(lái)劃定移動(dòng)盆地范圍

概率積分法是把在采動(dòng)影響下的上覆巖層看作是隨機(jī)介質(zhì)流動(dòng)的小單元，通過(guò)小單元之間的移動(dòng)表達(dá)式來(lái)研究地表移動(dòng)變形。概率積分法的巖層移動(dòng)角計(jì)算公式中，反映煤礦地質(zhì)條件所用的基本參數(shù)共有5個(gè)，即下沉系數(shù)q、主要影響角正切tanβ、拐點(diǎn)移動(dòng)距s、水平移動(dòng)系數(shù)b和開(kāi)采影響傳播角θ。正確確定上述參數(shù)，是提高地表移動(dòng)和變形值預(yù)計(jì)精度的前提。

（1）下沉系數(shù)q。下沉系數(shù)q一般是反映充分采動(dòng)條件下地表最大下沉值與采厚關(guān)系的一個(gè)度量。充分采動(dòng)時(shí)，地表最大下沉值Wcm與礦層法線采厚M在鉛垂方向投影長(zhǎng)度的比值稱下沉系數(shù)。

當(dāng)下沉系數(shù)q為充分采動(dòng)條件下的下沉系數(shù)時(shí)，下沉系數(shù)與綜合評(píng)價(jià)系數(shù)有如下關(guān)系：

（2）主要影響角正切tanβ。地表的移動(dòng)和變形主要集中在開(kāi)采邊界上方寬度為2r的范圍內(nèi)。連接主要影響范圍邊界點(diǎn)與開(kāi)采邊界的直線與水平線的夾角為主要影響角。

tanβ值隨巖性、開(kāi)采深度和傾角的綜合關(guān)系式為：

式中：D——巖性影響系數(shù)，其數(shù)值與綜合評(píng)價(jià)系數(shù)有關(guān)；

H——開(kāi)采深度；

α——礦層傾角。

巖性綜合評(píng)價(jià)系數(shù)P與系數(shù)D的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1。

（3）開(kāi)采影響傳播角θ。在充分采動(dòng)或者接近充分采動(dòng)條件下，計(jì)算開(kāi)采邊界（考慮了拐點(diǎn)的移動(dòng)距）與下沉曲線拐點(diǎn)的連線與水平線之間的在下山方向所夾的角稱為開(kāi)采影響傳播角。

開(kāi)采影響傳播角θ與礦層傾角α有著密切的關(guān)系，其關(guān)系如下：

（4）拐點(diǎn)移動(dòng)距。地表下沉盆地邊緣區(qū)正曲率（拉伸變形）和負(fù)曲率（壓縮變形）的轉(zhuǎn)折點(diǎn)在地表的投影稱為拐點(diǎn)。

表1　巖性綜合評(píng)價(jià)系數(shù)P與系數(shù)D的對(duì)應(yīng)關(guān)系

拐點(diǎn)移動(dòng)距與巖性、回采區(qū)段尺寸、采深和鄰區(qū)開(kāi)采的影響有關(guān)。當(dāng)回采區(qū)段尺寸達(dá)到充分采動(dòng)時(shí)，它趨于定值，非充分采動(dòng)條件下的值小于充分采動(dòng)條件下的移動(dòng)距。一般堅(jiān)硬、中硬、軟弱覆巖的拐點(diǎn)移動(dòng)距分別為0.358H、0.177H和0.029H。

（5）水平移動(dòng)系數(shù)b。水平移動(dòng)系數(shù)是指充分采動(dòng)時(shí)，最大水平移動(dòng)值與最大下沉值之比。覆巖的巖性對(duì)b系數(shù)的影響很小，主要隨礦體傾角的變化而變化。

式中：b0——開(kāi)采傾斜礦體走向方向的水平移動(dòng)參數(shù)；

bc--開(kāi)采水平礦體充分采動(dòng)的水平移動(dòng)參數(shù)，bc= 0.3；

α——礦層傾角。

（6）走向方向影響半徑r。根據(jù)下式確定走向影響半徑r：

（7）移動(dòng)邊界X。考慮到測(cè)量誤差，采用下沉50mm確定移動(dòng)角。因此根據(jù)下式得到移動(dòng)邊界X：

（8）走向移動(dòng)角β。走向平均有效長(zhǎng)度Lx：礦體按中段可布礦塊驗(yàn)證生產(chǎn)能力計(jì)算表，加權(quán)平均得到。

邊界距離L∶L為礦體邊界在地表的投影到移動(dòng)邊界的距離。

根據(jù)β=arctan（H/ L）求得β。最后以β作為巖層移動(dòng)角劃定采空移動(dòng)盆地范圍。

3　概率積分法的實(shí)例應(yīng)用

以江西省萍鄉(xiāng)市躍進(jìn)煤礦移動(dòng)盆地現(xiàn)狀評(píng)估中的巖層移動(dòng)角確定為例。

3.11線剖面采動(dòng)移動(dòng)角的確定

（1）下沉系數(shù)的確定。由于該礦區(qū)沒(méi)有對(duì)巖石應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，依據(jù)《三下采煤規(guī)程》中萍鄉(xiāng)市安源煤系礦山所獲得的下沉系數(shù)的取值范圍為0.4～0.7。躍進(jìn)煤礦為走向長(zhǎng)壁分層開(kāi)采采煤法，全部垮落法管理頂板，回采工作面采用放炮落煤，單體液壓支柱支護(hù)。綜合考慮，確定下沉系數(shù)為0.6。

（2）綜合影響系數(shù)p的確定。根據(jù)公式（2），p與下沉系數(shù)的關(guān)系式，其中，q=0.6，因此，p=0.3。

（3）主要影響角正切的確定。已知巖性系數(shù)是中硬，查表1得D=1.26；參照1線、可得開(kāi)采深度H= 140m，礦層傾角α=30°；tgβ=（1.26+0.0032×140）（1-0.0038×30）=1.51。

（4）走向方向影響半徑的確定。根據(jù)公式（6），其中，H=140，tgβ=1.51，r=93m。

（5）最大沉降量的確定。根據(jù)公式（1），其中q= 0.6，m=2.06m，α=30°，Wmax=q·m·cosα=1071（mm）。

（6）移動(dòng)邊界X的確定。考慮測(cè)量誤差，采用下沉50mm確定移動(dòng)角。根據(jù)公式（7），計(jì)算得到，0.0784= π/2-（X/r·0.4522），最終可得，X/r=3.3，因此X= 307m。

（7）走向移動(dòng)角的確定。主要針對(duì)+235m中段采礦時(shí)所確定的移動(dòng)角。

走向平均有效長(zhǎng)度Lx；按照開(kāi)發(fā)利用方案提供數(shù)據(jù)，加權(quán)平均得到，+235m走向的平均有效長(zhǎng)度為：290m。

邊界距離L；L為礦體邊界在地表的投影到移動(dòng)邊界的距離。根據(jù)公式（8），L=162m。

根據(jù)β=arctan（H/L），其中H=140m，L=162，因此β=43.8°

所以1線剖面采動(dòng)移動(dòng)角取43.8°。1線剖面以43.8°移動(dòng)角定量劃定移動(dòng)盆地范圍見(jiàn)圖2。

圖2　1線剖面以43.8°移動(dòng)角定量劃定移動(dòng)盆地范圍

3.22線剖面采動(dòng)移動(dòng)角的確定

2線剖面中q=0.6，p=0.3，m=2.06m，α=30°，開(kāi)采深度H=80m，走向的平均有效長(zhǎng)度為：270m。用上述計(jì)算方法求得β=39.7°。2線剖面以39.7°移動(dòng)角定量劃定移動(dòng)盆地范圍見(jiàn)圖3。

3.3采空移動(dòng)盆地的確定

利用1線、2線剖面和現(xiàn)采空范圍，估算未來(lái)礦區(qū)采空移動(dòng)盆地范圍面積約為741738m2。

4　結(jié)論與討論

（1）礦山開(kāi)采巖層移動(dòng)角的定量評(píng)估方法多樣，利用概率積分法對(duì)礦層開(kāi)采引起的地表移動(dòng)與變形的預(yù)計(jì)，是一種針對(duì)地表移動(dòng)盆地穩(wěn)定后的定量評(píng)估，尤其適用于礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與恢復(fù)治理方案的移動(dòng)盆地范圍的確定。本文結(jié)合工程實(shí)際，運(yùn)用概率積分法計(jì)算出煤礦開(kāi)采的巖層移動(dòng)角，使得采空移動(dòng)盆地范圍的劃定更加精確。

（2）與傳統(tǒng)的半定量分析方法相比，采用的概率積分法定量評(píng)估方法考慮的因素較為全面，由此獲得的評(píng)估結(jié)果更加合理、切合實(shí)際，這對(duì)指導(dǎo)環(huán)境保護(hù)與恢復(fù)治理安全順利實(shí)施、進(jìn)一步提高礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與恢復(fù)治理方案編制的工作質(zhì)量以及礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與恢復(fù)治理等方面有重要指導(dǎo)意義。

（3）采用概率積分法作為常用沉陷預(yù)計(jì)方法自有其優(yōu)越性，但其不能表現(xiàn)地層內(nèi)部的巖體的移動(dòng)變形情況，對(duì)于地層復(fù)雜、深部開(kāi)采等區(qū)域的預(yù)測(cè)精度不足。地表移動(dòng)主要取決于井下開(kāi)采以及上覆巖層的巖性，然而，影響上覆巖層的動(dòng)態(tài)移動(dòng)特性的因素是極為復(fù)雜的，尤其是地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、開(kāi)采深度較大的礦山，無(wú)論在理論定義還是在分析手段上都有待我們以后進(jìn)一步探討更加完善的范圍劃定方法。

圖3　2線剖面以39.7°移動(dòng)角定量劃定移動(dòng)盆地范圍

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P56

A

1004-5716（2016）03-0113-04

2015-12-08

2015-12-09

肖億（1984-），男（漢族），江西萍鄉(xiāng)人，工程師，現(xiàn)從事巖土工程勘察與礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與恢復(fù)治理方案編制技術(shù)工作。