礦山地下采空區(qū)對地表塌陷影響范圍研究

黃繼烈，余 杰

(四川省煤田地質(zhì)局141隊，德陽 618000)

地下礦山開采對地表的影響主要是地面塌陷及其對生態(tài)的破壞。地下礦產(chǎn)資源的開采會引起上覆巖層斷裂、移動，并逐漸向上擴展。在一定的采礦深度范圍內(nèi)，當采空區(qū)面積進一步擴大時，這種移動就將達到地表，造成地表塌陷。為保護礦山地質(zhì)環(huán)境，減少礦產(chǎn)資源開采活動造成的礦山地質(zhì)環(huán)境破壞，本文以石膏礦為例對礦山地下開采與地表塌陷的形成條件及影響進行分析。

1 地質(zhì)背景

天全縣樂英石膏礦位于四川西南方向，為多年地下開采的私營礦井，采用房柱式采礦，形成了大面積采空區(qū),采空面積約13.0萬m2，地表居民區(qū)及附近發(fā)現(xiàn)了多處地表塌陷(圖1)。

區(qū)內(nèi)出露地層為白堊系上統(tǒng)灌口組(K2g)及第四系(Q4)。灌口組巖性主要為鈣質(zhì)、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖及薄層硬石膏，第四系主要為沖積、洪積和殘破積物。

區(qū)內(nèi)構造簡單，地層走向近南北向，傾向東，傾角13°～19°，總體表現(xiàn)為一向東傾的單斜構造。地形坡度為5°～35°，平均25°，多呈順向坡產(chǎn)出。區(qū)內(nèi)隔水層為石膏礦層圍巖，其巖性為泥巖。地表水和地下水的補給來源主要為大氣降水，地表水徑流量小且多在隔水層之上，地形條件較好，有利于地表水自然排泄。

區(qū)內(nèi)石膏呈層狀產(chǎn)出，其產(chǎn)出狀態(tài)與地層基本一致。礦層長320m，傾向延伸230m，礦層厚2.72～5.51m，平均3.2m。石膏礦層頂、底圍巖皆為白堊系上統(tǒng)灌口組的棕紅色泥巖、含膏質(zhì)泥巖、含硝泥巖。

2 巖組工程地質(zhì)特征

區(qū)內(nèi)巖層及地表塌陷的形成受巖石自身物理、力學性能、不規(guī)范采礦等許多因素的影響，而巖體及巖石的物理、 力學性質(zhì)，則是其主要影響因素之一。

按巖石的物理、力學性質(zhì)分類，區(qū)內(nèi)工程地質(zhì)巖組共分為松散巖組、較軟弱-軟弱巖組兩類。

2.1 松散巖組

2.2 較軟弱-軟弱巖組

泥質(zhì)巖：紅褐-灰褐色，巖質(zhì)較軟，中-厚層狀，泥質(zhì)膠結，表層巖體一般風化強烈，巖體破碎，多呈碎塊狀結構，淺表層巖體完整性較差，抗壓強度較低，在2.36～7.94 MPa。在風化作用、巖體自重、人工開挖等因素的影響和作用下，易發(fā)生順層滑坡、崩塌等地質(zhì)災害。區(qū)內(nèi)巖石物理力學試驗測試見表1。

3 地面塌陷的危害性

該區(qū)域地面塌陷的危害性主要表現(xiàn)在以下三個方面：

首先，礦山采空區(qū)地表均為耕地及林地，而礦山塌陷區(qū)大部分發(fā)育于采空區(qū)以西淺部采礦地段，塌陷坑以橢圓狀為主，長軸一般4～8m，短軸3～6m，總體呈南北向帶狀展布。地面塌陷破壞了當?shù)乇硗翆蛹暗叵聨r土體的完整性，從而破壞了地面的耕地及林地，影響生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)(圖2)。

其次,由于地表塌陷還伴隨地面不均勻沉降和開裂，建筑物、水體受到采空塌陷影響，不能安全正常使用。特別是在采空區(qū)西部塌陷坑附近， 由于地表下沉，部分居民住房出現(xiàn)不同程度的破壞，主要表現(xiàn)為，地面出現(xiàn)南北向下沉拉裂縫，最長處達12m，最寬處0.11m；部分墻體向塌陷坑方向傾斜，墻體開裂，院壩圍墻破壞、倒塌等。隨著時間推移，礦山西部地面建筑物在地表變形超過臨界允許值后，將進一步遭到破壞，甚至損毀，給村民的安全生產(chǎn)帶來一定的隱患(圖3)。同時，受采礦影響，地表水位下降，部分地表水滲入井下，使礦井不能安全生產(chǎn)。

表1 巖石物理力學試驗結果

圖2 地表塌陷坑Figure 2 Surface subsidence sink

圖3 民房墻體下沉拉裂縫Figure 3 Civilian house wall sinking tensile cracks

再次，在塌陷區(qū)周邊可能誘發(fā)小型的崩塌及滑坡，威脅到區(qū)內(nèi)的農(nóng)田及當?shù)氐缆返然A設施安全。在礦山西南部已出現(xiàn)有鄉(xiāng)村公路隨地表滑移而變形，局部已向塌陷方向位移、凸出的現(xiàn)象。

4 采空區(qū)塌陷影響分析

研究區(qū)地形坡度一般為25°，含石膏礦一層，礦層形態(tài)簡單、穩(wěn)定，呈順向坡產(chǎn)出，傾角平均12°。采用平硐加暗斜井開拓，礦層開采厚度累計3.2m，采礦深度在50～70m，淺部礦層露頭附近距地表最近為5m。礦層的開采，使上覆巖層受力失衡，應力釋放，導致頂板巖層垮塌，波及地表，局部形成塌陷坑。根據(jù)“三下采煤新技術應用與煤柱留設及壓煤開采規(guī)程實用手冊”、“三帶”計算，評價、分析采礦活動對地表房屋的影響程度。

4.1 根據(jù)礦山開采沉陷落學，采用下列公式計算冒落帶、導水裂隙帶高度

計算公式：

Hc=(1～2)M

(1)

(2)

式中：Hc——冒落帶最大高度，根據(jù)地表情況分析，系數(shù)采用2；

Ht——導水裂隙帶最大高度，m；

M——礦脈累計采厚，取3.2m；

n——礦脈數(shù)，取1。

計算結果：Hc= 6.4m，Ht=36.47m。根據(jù)該計算結果,對區(qū)內(nèi)塌陷坑的分布與礦層埋藏深度進行分析，發(fā)現(xiàn)本區(qū)西部礦層埋藏深度較小，局部地段采空區(qū)上覆巖層厚度小于導水裂隙帶最大高度，是導致地表變形、塌陷的原因之一。

4.2 采空區(qū)距地表安全深度計算

由于地表變形程度(傾斜、曲率和水平變形)最大值是影響地表建筑的主要因素，隨著開采深度的增加，地表變形值逐漸減小。因此，開采達到一定深度后，開采引起的地表最大變形值將小于建筑物最大允許變形值，這種開采深度稱為安全深度。在安全深度條件下進行采礦時，地表變形對建筑物將不產(chǎn)生破壞影響，移動角也不存在了。根據(jù)傾斜最大允許值，計算區(qū)內(nèi)了的采空區(qū)安全深度。由于最大傾斜值與石膏礦層開采厚度、開采深度有關，且隨著開采厚度的增加而增大，隨著開采深度的增加而減小。根據(jù)“三下采煤新技術應用與煤柱留設及壓煤開采規(guī)程實用手冊”，地表最大傾斜值及安全深度按下式計算：

最大傾斜值：i=CM/H

(3)

安全深度：H=CM/i

(4)

式中：i——最大傾斜值，根據(jù)規(guī)范取i=3mm/m；

C——最大傾斜經(jīng)驗參考變形系數(shù)，取100mm/m,即0.1；

M——石膏礦層開采厚度，取3.2m；

H——石膏礦層開采深度，m。

按上述最大允許變形值可以算出安全深度的最小值，計算結果為107m。而該石膏礦產(chǎn)狀平緩，礦層傾角22°左右，礦層埋藏深度在50～70m，小于安全深度最小值。因此，不按設計要求留設保護礦柱，會導致地表遭受破壞。

4.3 地表影響范圍的預測

本次調(diào)查研究對井下采空區(qū)進行了實測，按“三下”壓煤開采規(guī)程、結合相區(qū)域巖石移動角確定采空區(qū)對地表的影響范圍。由于區(qū)內(nèi)第四系厚度小，僅在溝谷及低洼地段出露，因此區(qū)內(nèi)僅通過基巖移動角分析地表影響范圍。區(qū)內(nèi)礦層露頭附近淺部采礦距地表最近的采空區(qū)為5m，深部采空區(qū)距地表約70m。采用公式：

L=h/tgβ

式中：L——地表影響范圍，m；

β——巖石移動角，本區(qū)取60°；

h——采空區(qū)邊界處的深度，分別取5、70m。

計算結果：當采空區(qū)邊界處的深度為70m時，地表影響范圍l=40.4m；采空區(qū)邊界處的深度為5m時，地表影響范圍l=2.9m。

按照上述計算結果，結合區(qū)內(nèi)礦層的空間產(chǎn)出形態(tài)及上覆圍巖厚度分布情況。在采空區(qū)西部采礦深度較小，地表建筑物較多，井下采礦時與地表建筑物水平距離必須大于相應的影響范圍值(圖4)。

5 采空區(qū)地面塌陷成因分析

根據(jù)研究區(qū)地層巖性、采空區(qū)房、柱設置、頂板支護及采空區(qū)上覆巖層厚度分布情況，按照前述冒落帶、導水裂隙帶計算高度、采礦最小安全深度計算結果，結合地表塌陷的分布情況，本區(qū)塌陷成因主要表現(xiàn)為以下4個方面：

1)頂板軟質(zhì)巖。區(qū)內(nèi)石膏礦層直接頂板有軟質(zhì)泥巖層，厚度3～5m，老頂為泥質(zhì)粉砂巖及粉砂巖，力學性能差，極不穩(wěn)定，礦層采掘后頂板產(chǎn)生裂隙及大面積冒頂、片幫等，是地表塌陷的原因之一。

圖4 采空區(qū)地表影響范圍Figure 4 Gob area surface impacting range

2)采空區(qū)房、柱設置。采空區(qū)房、柱設置不規(guī)則、不科學，采空區(qū)跨度大，礦柱規(guī)格小，甚至不按要求留設礦柱，礦柱承受不了圍巖壓力產(chǎn)生變形，在上覆巖層較薄處或受構造影響帶易于產(chǎn)生頂板下沉、地表塌陷。

3)礦層開采埋深較?。簻\部開采過程中，由于巷道距離地表近。礦層埋深50～70m，均未超過安全深度最小值(107m)，特別在采空區(qū)西部局部地段采礦深度僅達到5m，甚至未超過本區(qū)冒落帶高度(6.4m)。上覆巖層薄，近地表處為第四系殘坡積層，結構松散，力學性能極差，上覆巖層承受不了自身重力而垮塌?？逅螽a(chǎn)生的第四系松散層，松散層的內(nèi)聚力不能承受上覆巖層的重力時就產(chǎn)生地表塌陷(圖5)。

圖5 采礦塌陷剖面示意Figure 5 A schematic section of mining subsidence

4)人為因素。是礦山開采過程中缺乏的頂、底板管理措施——未進行采空區(qū)回填，局部頂板支護不符合要求，造成地面塌陷。

綜上所述，本區(qū)采礦深度小、采空區(qū)房、柱留設不規(guī)范，導致采空區(qū)上覆巖層結構失穩(wěn)、產(chǎn)生采動裂縫，使礦層頂板垮落，是形成地表下沉、塌陷的主要原因。通過前述對本區(qū)冒落帶最大高度、導水裂隙帶最大高度的計算，地表影響范圍、采空區(qū)距地表安全深度計算分析，本礦在生產(chǎn)過程中必須按要求留設好保護礦柱，按設計要求采礦，才能有效減輕采空區(qū)對地表的破壞。

6 結論

通過對區(qū)內(nèi)綜合分析，采空區(qū)地面塌陷形成主要原因為采空區(qū)房、柱設置不規(guī)則，采空區(qū)跨度大，礦山開采過程中缺乏相應的頂板管理措施。同時在開采深度未達到采空區(qū)距地表安全深度，是區(qū)內(nèi)地表塌陷的主要因素。

根據(jù)冒落帶、導水裂隙帶影響高度、采空區(qū)距地表安全深度的計算、地表影響范圍的預測等分析，確定區(qū)內(nèi)采空區(qū)對周圍及其上部的構筑物有一定影響。對于采空區(qū)到地表高度大于107m時，為采空區(qū)距地表安全深度。

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