地下開采礦山采空區(qū)地表變形影響的預(yù)測(cè)及評(píng)估

李明玉

(廣西壯族自治區(qū)桂林水文工程地質(zhì)勘察院，桂林 541002)

目前，我國(guó)處于一個(gè)經(jīng)濟(jì)高速增長(zhǎng)的時(shí)代，而在資源開發(fā)過(guò)程中出現(xiàn)了地質(zhì)環(huán)境破壞、環(huán)境污染等諸多問(wèn)題，尤其是礦山開采，若不對(duì)開采過(guò)程中造成的地質(zhì)環(huán)境破壞及時(shí)恢復(fù)治理，那必將導(dǎo)致我們生存的美麗家園變得千瘡百孔。為了加強(qiáng)對(duì)礦山地質(zhì)環(huán)境的保護(hù)管理，減少礦產(chǎn)資源勘查開采活動(dòng)造成的礦山地質(zhì)環(huán)境破壞，保護(hù)人民生命和財(cái)產(chǎn)安全，促進(jìn)礦產(chǎn)資源的合理開發(fā)利用和經(jīng)濟(jì)社會(huì)、資源環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展，國(guó)土資源部第44號(hào)令《礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)規(guī)定》第三十六條“本規(guī)定實(shí)施前已建和在建礦山，采礦權(quán)人應(yīng)當(dāng)依照本規(guī)定編制礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與恢復(fù)治理方案，報(bào)原采礦許可證審批機(jī)關(guān)批準(zhǔn)，并繳存礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理保證金”。而在前期礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理報(bào)告的編制中，地下開采礦山的采空區(qū)影響范圍內(nèi)的地表移動(dòng)及變形的計(jì)算及評(píng)估是其中的一項(xiàng)重要工作。廣西資源縣鎢礦便是一典型的地下開采礦山，雖然地表破壞面積不大，卻在開采過(guò)程中形成的采空區(qū)對(duì)地表的地質(zhì)環(huán)境構(gòu)成了較大的威脅。因此，對(duì)具有代表性的地下采空區(qū)進(jìn)行計(jì)算和評(píng)價(jià)，便成為了該報(bào)告編制的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

1 礦區(qū)代表性礦床及其特征

A1-1號(hào)礦體：礦體走向長(zhǎng)度360 m，出露地表長(zhǎng)70 m，出露標(biāo)高669.71～690.50 m。中部礦體延深172 m，北部延深115 m，南部延深30 m。深部控制最低標(biāo)高599.28 m，最大垂深115 m。礦體傾向南西235°～250°，傾角較陡，一般48°～65°，深部?jī)A角變緩至12°～46°。礦體厚度一般1.08～3.91 m，最厚8.07 m，平均2.329 m。礦石類型以鎢石英角巖為主，局部為含鎢蝕變泥質(zhì)粉砂巖，沿走向至兩端逐漸過(guò)渡為含白鎢礦石英角巖，目前該礦體大部地段已采空，僅中部部分礦體尚未開采。

A2-1號(hào)礦體：礦體走向最大長(zhǎng)度510 m，分兩段出露于地表：北西段露頭長(zhǎng)160 m，出露標(biāo)高638.59～579.32 m；中部露頭長(zhǎng)200 m，出露標(biāo)高679.71～721.07 m。經(jīng)坑道證實(shí)，礦體在深部即連為一體。礦體中部延深大兩端小，中部延深115～150 m，兩端延深62～70 m，深部礦體控制最低標(biāo)高363.44 m，最大垂深80 m。礦體傾向南西226°～258°，僅在南東局部地段變?yōu)?61°～278°，傾角由地表至深部由陡變緩，地表傾角25°～70°，深部20°～29°。礦體厚度0.49～6.07 m，平均厚度3.99 m，目前深部尚剩余邊緣殘礦。

A1-1、A2-1礦體分布位置關(guān)系如圖1、圖2所示。

圖1 A1-1、A2-1礦體分布位置關(guān)系示意圖

2 礦山主要巖體工程地質(zhì)類型與特征

薄-厚層狀較堅(jiān)硬板巖、砂巖夾較軟泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)泥巖、頁(yè)巖巖組：由泥盆系中統(tǒng)信都組(D2x)、寒武系邊溪組(∈b)和清溪組(∈q)組成。巖性為砂巖、炭質(zhì)板巖、泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)泥巖、頁(yè)巖等。砂巖、炭質(zhì)板巖為較硬巖，薄-厚層狀，淺部中等風(fēng)化，巖石完整性較好，強(qiáng)度較高，其抗壓強(qiáng)度為30～45 MPa；泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)泥巖均屬較軟巖，強(qiáng)度較低，其抗壓強(qiáng)度為15～25MPa；頁(yè)巖為軟巖，薄層狀，抗風(fēng)化能力差，風(fēng)化強(qiáng)烈，淺部出露均為強(qiáng)風(fēng)化狀，強(qiáng)度8～15 MPa。本巖組為硬軟相間的巖石組合，淺部巖石風(fēng)化強(qiáng)烈?guī)r石破碎或呈碎石土狀，層理隱約可見(jiàn)，風(fēng)化厚度較大，為5～10 m，風(fēng)化層結(jié)構(gòu)松散，經(jīng)地表水下滲及地下水浸潤(rùn)后易發(fā)生軟化、崩解而形成地質(zhì)災(zāi)害。

塊狀堅(jiān)硬花崗巖巖組：為加里東期花崗巖(γ3)中粒黑云母花崗巖，呈巖基產(chǎn)出。該巖組風(fēng)化厚度約35～40 m，淺部出露均為全風(fēng)化砂質(zhì)土及強(qiáng)風(fēng)化狀，其中全風(fēng)化砂質(zhì)土厚約4～6 m，較為松散，強(qiáng)風(fēng)化層裂隙發(fā)育，局部巖體形成孤石與土混合，力學(xué)強(qiáng)度較低。

圖2 A1-1、A2-1礦體分布位置關(guān)系示意圖

3 典型礦體采空區(qū)地面沉陷地質(zhì)災(zāi)害的計(jì)算和評(píng)價(jià)

地下礦體被采空后，地表可能下沉變形，因此，需要對(duì)礦體進(jìn)行地表移動(dòng)與變形值預(yù)計(jì)。地表移動(dòng)與變形值的預(yù)計(jì)及參數(shù)求取方法參考廣西地方標(biāo)準(zhǔn)《廣西壯族自治區(qū)建設(shè)項(xiàng)目地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估規(guī)程》(DB45/T382-2006)附錄G 礦山地表移動(dòng)與變形值的預(yù)計(jì)及參數(shù)求取方法中介紹的方法進(jìn)行計(jì)算。

據(jù)礦山設(shè)計(jì)地下開采情況、可能形成的采空區(qū)的分布特征及規(guī)模，對(duì)礦山所設(shè)計(jì)開采的礦體進(jìn)行地表移動(dòng)與變形值預(yù)計(jì)。根據(jù)礦山以往資料及開采設(shè)計(jì)，將各礦體不同開采中段、開采礦房參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。采用《建設(shè)項(xiàng)目地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估規(guī)程》(廣西壯族自治區(qū)地方標(biāo)準(zhǔn)DB45/T382-2006)附錄G中的相關(guān)公式，將各參數(shù)代入公式對(duì)本礦山采空區(qū)地表移動(dòng)與變形值進(jìn)行計(jì)算如下：

(1)

(2)

下沉系數(shù)：q=0.5×(0.9+P)

(3)

主角影響角正切：

tanβ=(D-0.003 2H)(1-0.003 8α)

(4)

(5)

水平移動(dòng)系數(shù)：b=0.3×(1+0.008 6α)

(6)

最大下沉值(mm/m)：

(7)

(8)

(9)

最大水平移動(dòng)值(mm):εcm=b·wcm

(10)

最大水平變形值(mm/m):

(11)

按上述公式及計(jì)算方法，計(jì)算得各礦體各中段采空區(qū)地表移動(dòng)與變形值計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1、表2。

4 礦山地表移動(dòng)與變形值計(jì)算計(jì)算成果評(píng)述

按《土地復(fù)墾方案編制實(shí)務(wù)》(2011年7月)沉陷土地破壞程度分級(jí)參考標(biāo)準(zhǔn)中林地破壞程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表3。

參照表3，從本礦山開采地面變形參數(shù)計(jì)算結(jié)果表可知：

A1-1號(hào)礦體：+600 m中段各計(jì)算值對(duì)應(yīng)為輕度；+612 m中段最大水平變形值達(dá)中度，其余計(jì)算值對(duì)應(yīng)輕度；+645 m中段最大傾斜值及水平變形值達(dá)中度，其余計(jì)算值對(duì)應(yīng)輕度。

表1 A1-1號(hào)礦體采空區(qū)地面沉陷地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)計(jì)算結(jié)果

表2 A2-1號(hào)礦體采空區(qū)地面沉陷地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)計(jì)算結(jié)果

表3 林地、草地破壞程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

注：附加傾斜指受采礦沉陷影響而增加的傾斜(坡度)；任何一項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)即認(rèn)為土地破壞達(dá)到該破壞等級(jí)。

A2-1號(hào)礦體：+630 m、+645 m中段最大傾斜值及水平變形值均達(dá)中度，其余計(jì)算值對(duì)應(yīng)輕度。

據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，預(yù)測(cè)評(píng)估礦山采礦過(guò)程引發(fā)采空區(qū)地面沉陷的可能性大，山頂附近無(wú)永久建筑物，下沉值不大，均為輕度，主要對(duì)植被、地形地貌造成影響，局部形成高度不大的坡坎，如防治不及時(shí)也可能由于地面局部下沉變形引發(fā)小規(guī)?；?、地面裂縫?？傮w上對(duì)周邊環(huán)境危害程度小，危險(xiǎn)性中等。

由于地面沉陷區(qū)位于山體斜坡地段，變形主要以水平移動(dòng)為主，下沉值不大，總體上對(duì)地表植被及土地資源破壞影響不大，不會(huì)影響土壤結(jié)構(gòu)及性質(zhì)，對(duì)現(xiàn)有植被破壞不大，故地下采空地面沉陷區(qū)不列為土地資源破壞區(qū)。沉陷區(qū)范圍內(nèi)只需要填補(bǔ)裂縫、局部邊坎適當(dāng)調(diào)整地形坡度。

5 結(jié)語(yǔ)

“金山銀山不如綠水青山”，環(huán)境保護(hù)、環(huán)境治理已上升到了國(guó)策的高度。礦山開采本是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支撐環(huán)節(jié)，不可或缺。因此，將礦山開采和礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理有機(jī)地統(tǒng)一起來(lái)，這個(gè)便是今后礦山企業(yè)工作的一個(gè)新常態(tài)。要做好礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理工作，礦山開采前期評(píng)估是重要的一環(huán)。對(duì)于地下開采的礦山，地表破壞面積相對(duì)露天開采的礦山小了很多，但由于地下采空區(qū)的存在，采空區(qū)影響范圍內(nèi)的地表移動(dòng)及變形成為了評(píng)估工作的一個(gè)重點(diǎn)。本文所述礦山便是一典型的地下開采礦山，而采空區(qū)影響范圍內(nèi)分布有農(nóng)田耕地及散落民居，地下采空區(qū)的影響評(píng)價(jià)顯得尤為重要，該礦山采空區(qū)影響范圍內(nèi)的地表移動(dòng)變形的計(jì)算及評(píng)估為具有一定的代表性，對(duì)相似礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理的評(píng)估工作具有一定的借鑒意義。