“三下”開采對(duì)古長(zhǎng)城保護(hù)方案研究

姜桂鵬，楊桂濤，劉新剛

（甘肅省合作早子溝金礦有限責(zé)任公司，甘肅 合作 747000）

20世紀(jì)90年代我國(guó)采礦業(yè)熱潮興起，個(gè)體民營(yíng)企業(yè)泛濫，無序亂采現(xiàn)象嚴(yán)重，對(duì)古建筑、安全、環(huán)境等均不重視，造成采空區(qū)不處理、安全礦柱不規(guī)范、資源浪費(fèi)、環(huán)境污染等各種嚴(yán)重問題。尤其對(duì)于古長(zhǎng)城下方礦產(chǎn)資源的開發(fā)，缺少直接利益相關(guān)主體，民采私采個(gè)體戶沒有任何對(duì)古長(zhǎng)城的保護(hù)措施，對(duì)古文物造成嚴(yán)重威脅。

本文以河北省某地下開采鉬礦山，研究礦山開采時(shí)地表古長(zhǎng)城保護(hù)方案。

1 項(xiàng)目概況

1.1 開采現(xiàn)狀

上世紀(jì)九十年代，該區(qū)采礦熱潮興起，大都為個(gè)人或集體無序、無證開采，最多時(shí)達(dá)數(shù)十家，至2007年以前由十個(gè)民營(yíng)企業(yè)采礦權(quán)人分別獨(dú)立開采，不同的采區(qū)有交叉區(qū)域，有上下重疊同時(shí)開采區(qū)域，礦區(qū)上部地表建有明長(zhǎng)城，在民采中未見有采取保護(hù)長(zhǎng)城的措施。

淶源縣境內(nèi)長(zhǎng)城建于明萬歷元年至四年，東起大莊苦壯石西，止于南馬莊香爐石，全長(zhǎng)130km，共有敵樓265座，城堡6座，大部分保存完整。1982年淶源縣長(zhǎng)城被河北省政府列為省級(jí)重點(diǎn)文物保護(hù)單位，2001年烏龍溝段長(zhǎng)城被國(guó)務(wù)院列為全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位[1]。

本礦區(qū)內(nèi)長(zhǎng)城位置及長(zhǎng)城與礦體的相關(guān)關(guān)系示意圖如圖1所示。

1.2 礦區(qū)主要構(gòu)造

礦區(qū)為一斷塊構(gòu)造，礦區(qū)內(nèi)褶皺、斷層等形變構(gòu)造，包體、頂垂體等侵入接觸構(gòu)造發(fā)育，其中頂垂體構(gòu)造是控巖控礦構(gòu)造。

頂垂體位于斷塊中南部，由五臺(tái)群片麻巖、高于莊組、霧迷山組白云巖組成。南北長(zhǎng)3.5km，東西寬1km～2km，面積4.6km2，總體形態(tài)為向中間變厚的船形體，為礦區(qū)基本控礦構(gòu)造。主要斷層統(tǒng)計(jì)見表1。

圖1 長(zhǎng)城與礦體位置相對(duì)關(guān)系圖

1.3 礦巖體特征

礦體與圍巖及夾石局部界線分明，一般靠化學(xué)分析確定。夾石分布與礦體產(chǎn)狀基本一致，形態(tài)隨礦體類型不同而異。

斑巖鉬礦體圍巖及夾石：頂板為矽卡巖鋅鉬礦體或蛇紋石、透輝石矽卡巖，底板為花崗巖、白崗巖或流紋斑巖，夾石為流紋斑巖[2]。

矽卡巖鋅、鉬礦體圍巖及夾石：主礦體一般以透輝石矽卡巖、透輝透閃石矽卡巖、硅鎂石矽卡巖為夾石，以蛇紋石化白云巖或矽卡巖為頂板，以透輝石矽卡巖、流紋斑巖或斑巖鉬礦體為底板。小礦體的圍巖多為蛇紋石化、鐵錳碳酸鹽化或大理巖化白云巖[3]。

片麻巖鉬礦體圍巖及夾石：底板主要為花崗巖、片麻巖，局部白崗巖。夾石均為片麻巖，多位于礦頭呈楔形尖滅。頂板在23線以南為斑巖鉬礦體，向北為蛇紋石化白云巖，至25線為黑云母化片麻巖。

表1 礦區(qū)斷裂構(gòu)造調(diào)查統(tǒng)計(jì)表

1.4 礦巖物理力學(xué)性質(zhì)

通過巖石力學(xué)試驗(yàn)研究，獲得礦體圍巖的抗壓強(qiáng)度指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 礦體圍巖抗壓強(qiáng)度指標(biāo)

從巖石單軸抗壓強(qiáng)度指標(biāo)可以看出，除部分片麻巖和礦體外，一般巖石抗壓強(qiáng)度大，穩(wěn)定性較好，有利于礦山開采過程中巖體工程的開挖和穩(wěn)定維護(hù)工作。同時(shí)，穩(wěn)定的巖石、巖體條件對(duì)地表構(gòu)、建筑物的安全也是十分重要的因素。

2 長(zhǎng)城保護(hù)原則

根據(jù)河北省政府《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)長(zhǎng)城保護(hù)管理工作的通知》的精神，以及《中華人民共和國(guó)文物保護(hù)法》、《長(zhǎng)城保護(hù)條例》等有關(guān)的法律、法規(guī)，淶源縣政府對(duì)境內(nèi)長(zhǎng)城保護(hù)制定了相關(guān)保護(hù)原則，其中與地下礦山資源開采相關(guān)內(nèi)容包括：

（1）長(zhǎng)城（包括墻體、城堡、關(guān)隘、烽火臺(tái)、敵樓等）兩側(cè)各50米為重點(diǎn)保護(hù)范圍，兩側(cè)在各延伸100米為保護(hù)控制地帶。

（2）嚴(yán)禁在長(zhǎng)城保護(hù)范圍內(nèi)及控制地帶內(nèi)進(jìn)行開礦、采石、挖砂、架設(shè)安裝與長(zhǎng)城保護(hù)無關(guān)的設(shè)施設(shè)備、開挖藥材、搬石捉蝎、圈養(yǎng)牛羊、放牧等生產(chǎn)活動(dòng)，未經(jīng)文物管理部門逐級(jí)審批，任何單位和個(gè)人不得在保護(hù)范圍和控制地帶內(nèi)審批從事上述活動(dòng)和修建任何設(shè)施[4]。

3 地下采空區(qū)上覆巖層穩(wěn)定性分析

影響采空區(qū)頂板穩(wěn)定的因素很多，內(nèi)因有頂板厚度及完整程度、空區(qū)跨度及形態(tài)、巖體強(qiáng)度及產(chǎn)狀、裂隙狀況及空區(qū)充填情況；外因有荷載大小、作用次數(shù)和時(shí)間、溫度、濕度等。近年來，在該領(lǐng)域內(nèi)的研究取得較大進(jìn)展，目前已有一些對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)的定量和半定量方法，其核心內(nèi)容是力學(xué)模型、數(shù)學(xué)模型及計(jì)算方法的研究。這些研究成果對(duì)了解和掌握地下礦山開采巖石頂板的穩(wěn)定性及地表塌陷和巖移的預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)提供了指導(dǎo)依據(jù)，特別是對(duì)“三下”開采中地表構(gòu)、建筑物的安全保護(hù)具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義[5]。

3.1 頂板穩(wěn)定性估算法

采空區(qū)失穩(wěn)垮塌的機(jī)制是頂板巖體垮落，礦體在采空后，其頂板巖塊abcd因G重力的作用而下沉，兩邊的楔形體abm和cdn也對(duì)其施以水平壓力P。因此，在ab和cd兩個(gè)面上又受到因P 的作用而產(chǎn)生的摩阻力F 的抵抗。力學(xué)計(jì)算模型如圖2所示。

取采空區(qū)單位長(zhǎng)度為計(jì)算單元體，則巷道單位長(zhǎng)度頂板壓力Q 為 ：

式中：B 為采空區(qū)寬度；γ為上覆巖層的容重；h1為采空區(qū)頂板到地表的高度。P為楔形體abm和cdn作用在ab或cd面上的主壓應(yīng)力；φ為巖體內(nèi)摩擦角。

當(dāng)P 取其最大值時(shí)：

由上式可知，當(dāng)h1達(dá)到某一定深度時(shí)，頂板上方巖層恰好能保持平衡而不塌陷，此時(shí)Q 值等于零，這時(shí)的h1稱為臨界深度h0：

用臨界深度h0（或采空區(qū)塌陷高度）可粗略地評(píng)價(jià)頂板的穩(wěn)定性。當(dāng)h1h0時(shí)，頂板基本穩(wěn)定，采空區(qū)不會(huì)塌陷到地表。

取礦體開采礦房的跨度為15m，巖石內(nèi)摩擦角為34o，計(jì)算得到采空區(qū)頂板巖層的臨界高度為78.7m。

3.2 采空區(qū)上部地基穩(wěn)定性估算

在采空區(qū)上建有構(gòu)、建筑物時(shí)，可按下式近似驗(yàn)算地基的穩(wěn)定性，設(shè)建筑物基底單位壓力為R，則作用在采空區(qū)頂板上的壓力為：

當(dāng)h1達(dá)到一定深度，使得Q=0，即頂板巖層恰好保持自然平衡，此時(shí)巖層的臨界深度為：

當(dāng)h1h0時(shí)，地基基本穩(wěn)定。

取礦體開采礦房的跨度為15m，巖石內(nèi)摩擦角為34o，巖體容重為27KN/m3，地表長(zhǎng)城基底荷載按200KPa計(jì)算。將上述參數(shù)代入式8，計(jì)算空區(qū)頂板的臨界高度為85.5m。

3.3 “三帶”理論對(duì)頂板穩(wěn)定性的分析

傳統(tǒng)的表征巖層和地表移動(dòng)理論，常用冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶來表述。三帶發(fā)育程度主要取決于采出厚度、采礦方法、開采深度、巖層傾角及巖石性質(zhì)。金屬礦山三帶的發(fā)育高度沒有確切的計(jì)算公式，按照煤礦開采的“三帶”理論特性：

（1）冒落帶：空區(qū)頂板巖石在自重作用下產(chǎn)生拉應(yīng)力而開裂冒落，形成冒落帶。在冒落帶巖層斷裂成塊狀，巖塊之間縫隙大且多，在這一層巖層已完全破壞。該冒落帶的形成，可保證上部巖層的移動(dòng)比較平緩。對(duì)于沉積巖頂板，水平和緩傾斜礦體，冒落帶高度一般為礦體采出厚度的2～4倍。

（2）裂隙帶：在冒落帶上面的巖體，隨著冒落帶巖石的壓實(shí)而下沉，引起彎曲，彎曲過大就導(dǎo)致巖層發(fā)生斷裂、錯(cuò)動(dòng)和離層，巖體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)已不同程度的破壞，這就是裂隙帶的特點(diǎn)。裂隙帶的高度一般與冒落帶相近。裂隙帶的巖體分裂成巖塊，但不垮落。每個(gè)巖塊幾乎不改變?cè)诳臻g上的位置，巖體非完全松散體，仍具有一定的自承能力。離采空區(qū)越遠(yuǎn)，彎曲越小，裂縫也越小。

（3）彎曲下沉帶：在裂隙帶之上，巖體通常不破裂而只發(fā)生彎曲變形。在彎曲帶巖層基本呈整體下沉趨勢(shì)，破壞輕微，巖體保持自身的完整性，巖層整體及內(nèi)部結(jié)構(gòu)未被擾動(dòng)，其移動(dòng)過程是連續(xù)而有規(guī)律的。彎曲帶往往達(dá)到地表，地表變形過大而開裂形成的裂縫，通常在一定的深度閉合，這與裂縫帶達(dá)到地表的情況在本質(zhì)上是不同的。松散可塑性的巖石，彎曲很大而不破壞。堅(jiān)硬巖石也會(huì)發(fā)生一定限度的彎曲。

冒落帶、裂隙帶的高度主要與煤層采厚、礦體傾角、覆巖巖性、頂板管理方法等因素有關(guān)，根據(jù)45個(gè)礦山開采的觀測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)得出，在礦體傾角小于55o的情況下，冒落帶高度Hm計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式為：

表3 冒落帶高度計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式

當(dāng)煤層傾角大于55o時(shí)，，式中Hl為裂隙帶高度。

裂隙帶高度計(jì)算，根據(jù)我國(guó)27個(gè)煤礦200余個(gè)鉆孔實(shí)測(cè)資料的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，得出在正常地質(zhì)構(gòu)造和充分采動(dòng)的條件下，礦體傾角小于55o的情況下，計(jì)算不同巖體裂隙帶最大高度的經(jīng)驗(yàn)公式見表4。

表4 裂隙帶高度計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式

表中：M 為礦體的法線厚度；h為開采垂高。

依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，按照單中段40m高度采空區(qū)計(jì)算，空區(qū)頂板冒落高度為37.5m～42.5m，裂隙帶高度為80m左右。

按照以上不同方法的分析，當(dāng)?shù)V體采用空?qǐng)龇ㄩ_采，且回采后對(duì)采空區(qū)不采取處理措施的話，采空區(qū)頂板上方不穩(wěn)定巖層的厚度至少達(dá)到80m，甚至其上120m處的巖層也會(huì)出現(xiàn)斷裂、離層等破壞現(xiàn)象，因此對(duì)于存在需要保護(hù)的地表構(gòu)、建筑物時(shí)，需選用合理的采礦方法和采取必要的空區(qū)處理措施。

4 長(zhǎng)城下采空區(qū)充填處理保護(hù)措施

由于該礦區(qū)已進(jìn)行了數(shù)年的民采活動(dòng)，形成大量空區(qū)。開采范圍為1300m、1090m兩個(gè)水平中段，地表長(zhǎng)城標(biāo)高為1400m左右，最低處海拔標(biāo)高約為1360m，距上部開采中段水平的底標(biāo)高僅60m左右。本次研究對(duì)古長(zhǎng)城采取如下處理方案：

（1）1300m以上礦體停止開采，資源整合后，該中段以上礦體不作為可回采資源。對(duì)遺留的采空區(qū)實(shí)施膠結(jié)充填處理，保證在1300m水平和長(zhǎng)城之間形成一個(gè)穩(wěn)固的堅(jiān)實(shí)頂板。充填范圍不小于巖體的滑移圈范圍，以巖體移動(dòng)角65o計(jì)，充填范圍分別為不小于長(zhǎng)城外墻側(cè)壁128m，即在長(zhǎng)城底部采空區(qū)最小充填跨度不小于276m（長(zhǎng)城自身寬度按20m計(jì)）。充填范圍簡(jiǎn)圖如圖2所示。

（2）1090m水平已采空區(qū)須及早進(jìn)行充填處理，防止空區(qū)頂板出現(xiàn)垮塌。根據(jù)圖2計(jì)算模型，計(jì)算求得該中段充填區(qū)最小跨度范圍為472m。

圖2 地下開采巖移示意圖

充填法是保證地表建筑安全的最有效的采礦方法，盡管采用充填法不能完全阻止巖體的變形和移動(dòng)，但可以防止巖層大的變形和變形速率，同時(shí)在均勻微量沉降的情況下，地表建筑的安全性不會(huì)受到威脅，從而達(dá)到保護(hù)地表的目的。

5 爆破措施

由于礦體賦存深度較淺，在開采中爆破產(chǎn)生的震動(dòng)對(duì)長(zhǎng)城的安全存在不利影響，表5為我國(guó)和德國(guó)（DIN4150）爆破規(guī)程規(guī)定的對(duì)建筑物的標(biāo)準(zhǔn)。

表5 爆破安全允許振速

一般情況下，爆破頻率可參照硐室爆破＜20HE，深孔爆破10HE ~60HE ，淺孔爆破40HE ~100HE 。

從表中可以看出，振速是衡量爆破地震效應(yīng)大小的基本物理量，同時(shí)還考慮了振動(dòng)頻率的作用。參照國(guó)內(nèi)外的相關(guān)規(guī)定，考慮長(zhǎng)城的重要性和社會(huì)價(jià)值，建議在開采中采用高頻的淺孔爆破措施，取安全允許振速不大于0.5cm/s，且減少單孔裝藥量，降低單孔爆破當(dāng)量，切實(shí)保證古長(zhǎng)城的安全。

我國(guó)在工程爆破領(lǐng)域也進(jìn)行了適應(yīng)各種要求的試驗(yàn)研究工作，1992年長(zhǎng)沙礦山研究院針對(duì)特殊礦山開采的要求進(jìn)行了減震爆破的試驗(yàn)研究工作。采用孔內(nèi)分段裝藥，孔內(nèi)、孔外微差爆破方式，進(jìn)行了震動(dòng)質(zhì)點(diǎn)速度的測(cè)試。單孔裝藥量在275kg~350kg時(shí)，爆破質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)速度試驗(yàn)結(jié)果為：距爆破中心60m~155m，震速為1.10cm/s~0.03cm/s，中心距離80m~10m，震速為0.62cm/s~0.21cm/s。因此選用單孔裝藥量≤300kg，距爆破中心≥100m時(shí)，該種減震爆破方案完全能夠滿足對(duì)地表古長(zhǎng)城的安全保護(hù)要求。

6 監(jiān)測(cè)措施

變形監(jiān)測(cè)是掌握監(jiān)測(cè)對(duì)象動(dòng)態(tài)變化的有效技術(shù)手段之一，通過實(shí)時(shí)的跟蹤監(jiān)測(cè)，可以掌握地表建筑物的變形特征、隨時(shí)間的變化規(guī)律以及地基沉降變形與開采深度、開采方法、圍巖性質(zhì)等因素的相關(guān)關(guān)系。

目前，較為常用的地表變形監(jiān)測(cè)裝置主要有兩類：一類是常規(guī)監(jiān)測(cè)設(shè)備如水準(zhǔn)儀、電子經(jīng)緯儀、全站儀等，另一類是GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

鑒于長(zhǎng)城保護(hù)的重要社會(huì)意義，建議在礦區(qū)長(zhǎng)城段采用GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)在長(zhǎng)城兩側(cè)按照礦體分布進(jìn)行網(wǎng)狀布設(shè)，分別布置3排地表位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，各排監(jiān)測(cè)點(diǎn)距長(zhǎng)城墻體外側(cè)的距離分別為2m、50m、100m，對(duì)政府規(guī)定的長(zhǎng)城保護(hù)的控制帶范圍進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，距長(zhǎng)城墻體2m距離的監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距設(shè)置為50，其余兩排測(cè)點(diǎn)間距設(shè)置為100m。采用衛(wèi)星空間定位系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)精度達(dá)到±3mm，完全能夠滿足長(zhǎng)期變形監(jiān)測(cè)的需要，共布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)124個(gè)，確保長(zhǎng)城的安全保護(hù)工作。

7 結(jié)語

（1） 明確古長(zhǎng)城受保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，通過分析采空區(qū)頂板穩(wěn)定性、采空區(qū)上部地基穩(wěn)定性，以及“三帶”理論計(jì)算對(duì)頂板穩(wěn)定性的影響范圍，確定出三帶理論指導(dǎo)指標(biāo)。

（2） 提出充填保護(hù)措施，并指出參考指標(biāo)。

（3） 提出爆破安全參考標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算具體爆破參數(shù)。

（4） 根據(jù)古長(zhǎng)城保護(hù)方案，提出監(jiān)測(cè)措施。

[1]李文秀，山區(qū)公路下采礦巖體移動(dòng)影響問題，西部探礦工程，2004.06.

[2]王春光，上覆巖層冒落帶和裂隙帶高度的確定，露天采礦技術(shù)，2013.03.

[3]黃慶享，夏小剛，采動(dòng)巖層與地表移動(dòng)的“四帶”劃分研究，采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2016.05.

[4]李連崇，唐春安，梁正召，考慮巖體碎脹效應(yīng)的采場(chǎng)覆巖冒落規(guī)律分析，巖土力學(xué)，2010.11.

[5]萬戰(zhàn)勝，楊鋒，馮振華，采空區(qū)建設(shè)場(chǎng)地穩(wěn)定性評(píng)價(jià)判據(jù)探討，西南公路，2016.03.