某地下礦采區(qū)測量及開采對地面影響

賀躍光，熊 莎，赫天沛

（1.長沙理工大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院，湖南 長沙 410004；2.寧夏回族自治區(qū)國土測繪院，寧夏 銀川 750021）

某石膏礦礦區(qū)面積0.273 5km2，礦區(qū)內(nèi)為剝蝕構(gòu)造地貌，地形起伏平緩，地表主要為農(nóng)田和民房，相對高差50m，地貌呈現(xiàn)顯著剝蝕殘丘現(xiàn)象。區(qū)內(nèi)地表水發(fā)育，水塘星羅棋布，礦區(qū)外圍北部有河流經(jīng)過，切割區(qū)內(nèi)所有地層，河寬20～55m，為常年性河流，最大流速為66.81m3/s。為判定開采對地面建筑物的影響，通過測量礦區(qū)井下開采平面圖、礦區(qū)地表平面圖及礦區(qū)井上井下對照圖，并對其安全性進(jìn)行分析。

1 礦山開采及測量工作

1.1 礦山地質(zhì)條件及開采現(xiàn)狀

礦區(qū)出露地層由新到老分布有第四系、下第三系、三疊系下統(tǒng)大冶組、二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M、二疊系下統(tǒng)當(dāng)沖組、棲霞組及石炭系中上統(tǒng)狐天群。礦區(qū)構(gòu)造較簡單，區(qū)域內(nèi)新構(gòu)造運動不強烈，石膏礦賦存于下第三系地層中與伏地層不整合接觸。自上而下分6層，第2層（Ⅱ）和第3層（Ⅲ）為石膏層，其中Ⅱ石膏層為開采石膏層，厚度34.49～56.90m，平 均45.14m，其 中 可 開 采 利 用 厚 度2.99～12.47m，平均6.74m。

該礦礦體賦存于下第三系含膏巖系內(nèi)，礦層直接頂、底板為砂巖、砂質(zhì)泥巖。礦體產(chǎn)狀較穩(wěn)定，傾角10°～23°，礦體呈層狀、似層狀，巖石較完整。但頂板泥質(zhì)巖石受水浸泡變軟，易發(fā)生冒頂事故。由于地質(zhì)構(gòu)造簡單、礦巖中等穩(wěn)定，一般無需支護(hù)，但泥質(zhì)巖石一旦受水浸泡，巖石變軟易冒落掉塊。

礦地形坡度不大，相對高差較小，植被不發(fā)育，地表主要為水田，地表水徑流排泄條件不好。礦井上部民房較多，礦層頂板巖層為紅色粉砂巖，抗風(fēng)化能力弱，遇水易軟化，脫水后易成粘土，開采時必需留一定厚度的硬石膏作為護(hù)頂層，防止地面開裂及地面塌陷［1－2］。

礦山采用斜井開拓，房柱法從上至下、由南向北后退式開采順序，設(shè)計生產(chǎn)能力9萬t/a，礦山現(xiàn)建有主、副兩條斜井（分別稱為二號井、一號井），主井井口標(biāo)高為＋256.83m，落底標(biāo)高＋152.95m，風(fēng)井井口標(biāo)高＋254.09m，落底標(biāo)高＋136.21m，延伸井落底標(biāo)高為＋92.43m。主、副斜井相距約300m，井筒穿過礦層，為保護(hù)主、副井，在其兩側(cè)各留20m保安礦柱。

1.2 井下及地面測量

為研究開采對地表影響，通過測量工作獲得礦區(qū)井下開采平面圖、礦區(qū)地表平面圖及礦區(qū)井上井下對照圖。其中地面測量的圖根控制使用Trimble 5800GPS接收機進(jìn)行GPS RTK作業(yè)，采用兩個起算點數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)校正，布設(shè)地面圖根控制點和近井控制點。碎部測量使用Leica TS－06 2″全站儀進(jìn)行，測繪測區(qū)內(nèi)地物地貌，并記錄房屋類型及結(jié)構(gòu)資料。

井下控制測量使用Leica TS－06 2″全站儀，從一號井井口近井點出發(fā)，布設(shè)附合全站儀三維導(dǎo)線至二號井井口近井點，導(dǎo)線全長560m，導(dǎo)線平面全長閉合差0.043m，相對精度為1/13 000，高程閉合差0.024m，均滿足相應(yīng)規(guī)范要求［3－4］。

利用井下控制測量所獲圖根控制點，測定一號井、二號井的各巷道、各臨時封閉和永久封裝的采空區(qū)，間隔均勻測定各特征點頂板、底板高程與平面位置。內(nèi)業(yè)使用cass 7.0成圖軟件繪制成圖?，F(xiàn)場實際測量的采場現(xiàn)狀為：

1）＋154m中段：礦房跨度一般為7～8m，最小跨度5m，最大跨度為15.8m（217號采場）。采場高度一般為7～13m，最小為4m，個別點高達(dá)19.7m（210號采場），最高達(dá)22.1m（225號采場），超過設(shè)計回采高度。綜合分析采場結(jié)構(gòu)實測參數(shù)和地質(zhì)資料，上述兩處石膏護(hù)頂層留設(shè)厚度不足。

2）＋137m中段：礦房跨度一般為8～10m，最小跨度7m，個別采場最大跨度達(dá)14m（112號采場），采場高度一般為7～9m，最小為5.5m，最高15m（107號采場）。

3）二號井東北部208采場、209采場、210采場、211采場出現(xiàn)部分越界，221采場略有越界。

此外，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，目前該礦井下采空區(qū)大部分未填充或封閉，局部采場回采結(jié)束后進(jìn)行了簡易封閉。

2 開采對地面的影響

以礦柱支撐頂板的房柱法開采留下的采空區(qū)，其對地面民房影響主要是頂板和礦柱兩個基本因素。當(dāng)?shù)V柱穩(wěn)定性滿足安全要求時，如果采場頂板暴露面積過大，頂板將會失穩(wěn)，產(chǎn)生采場冒頂或整體筒狀冒落，引起地表局部塌陷［5］。根據(jù)實測結(jié)果，分析安全開采深度和采空區(qū)穩(wěn)定性，并對采場頂板穩(wěn)定性、護(hù)頂層穩(wěn)定性、礦柱穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

2.1 預(yù)計安全開采深度

石膏礦體采出后，在采空區(qū)周圍巖體中發(fā)生較為復(fù)雜的移動和變形，移動穩(wěn)定后的頂板巖體按其破壞的程度，分為3個不同的開采影響帶：冒落帶（垮落帶）、裂隙帶和彎曲帶。根據(jù)開采現(xiàn)狀，計算其上覆巖層的導(dǎo)水裂隙帶高度加上一定的保護(hù)層厚度，為頂板防水安全厚度［6－8］。

2.1.1 單層開采預(yù)計安全開采深度

1）冒落帶高度。在礦體傾角小于巖塊的自然安息角時，冒落帶高度為

式中：M為開采法線厚度；α為礦體傾角；K為碎脹系數(shù)。

2）裂隙帶高度。冒落帶以上為裂隙帶，其高度

現(xiàn)場實測采場高度一般為7～13m，210采場高度達(dá)19.7m，最高達(dá)22.1m（225采場）。計算相應(yīng)的冒、裂帶總高度如表1所示。

數(shù)據(jù)表明，由于頂板為砂巖，若不控制礦房寬度，210采場開采厚度19.7m，充分采動時頂板巖層的最大冒、裂帶總厚度高度達(dá)122.5m，而開采厚度19.7m處地表為魚塘，標(biāo)高約＋250m，對應(yīng)采場頂板標(biāo)高＋172.1m，底板標(biāo)高＋152.4m，采空區(qū)上方覆蓋巖層與表土的總厚度78m，小于計算冒、裂帶總厚度；225采場開采厚度22.1m，充分采動時頂板巖層的冒、裂帶總厚度高度達(dá)124.3m，地表標(biāo)高約＋251m，對應(yīng)采場頂板標(biāo)高＋173.3m，底板標(biāo)高＋151.1mm，采空區(qū)上方覆蓋巖層與表土的總厚度78m，小于計算冒、裂帶總厚度（見表1）。上述兩處一旦發(fā)生頂板冒落，易導(dǎo)致裂隙帶連通魚塘底部，產(chǎn)生嚴(yán)重安全隱患。

表1 計算冒、裂帶總高度 m

2.1.2 多層開采預(yù)計安全開采深度

礦山存在上下兩層開采的采場，當(dāng)下層礦體的冒落帶接觸到或完全進(jìn)入上層礦體范圍內(nèi)時，上層礦體的導(dǎo)水裂縫帶最大高度采用本層礦體的厚度計算，下層礦體的導(dǎo)水裂縫帶最大高度，則應(yīng)采用上、下層礦體的綜合開采厚度計算，取其中標(biāo)高最高者為兩層礦體的導(dǎo)水裂縫帶最大高度［8］。計算上、下層礦體的綜合開采厚度為

式中：M1為上層礦厚度；M2為下層礦厚度；h1－2為上、下層礦之間的法線距離；y2為下層礦的冒高與采厚之比。

由于層間的夾層厚度一般為6～10m，最大10m，最小4m。111采場與203采場對應(yīng)區(qū)域，h1－2＝4m，求得MZ1－2＝17.4m。由式（2）計算裂隙帶高度85m。由于采區(qū)地表標(biāo)高為＋252m，其覆蓋巖層與表土的總厚度為86m，小于計算的冒、裂帶總厚度120.6m，一旦發(fā)生頂板冒落，將產(chǎn)生嚴(yán)重安全隱患。因此，需進(jìn)行采場頂板穩(wěn)定性評價。

2.2 采場頂板穩(wěn)定性

房柱法開采的石膏礦山采空區(qū)，當(dāng)?shù)V柱穩(wěn)定性滿足安全要求，而采場頂板暴露面積過大，或者由于留設(shè)護(hù)頂?shù)V層厚度不足或被破壞，頂板將會失穩(wěn)，產(chǎn)生采場冒頂或整體筒狀冒落，引起地表局部塌陷［9－10］。用太沙基地壓理論計算采場跨度與頂板臨界深度結(jié)果如表2所示。

表2 采場跨度與頂板臨界深度 m

由于目前該礦已采場的跨度一般為7～10m，最大跨度為15.7m。根據(jù)前述采空區(qū)頂板覆巖厚度分析，采空區(qū)頂板距地表78m，采場頂板覆巖厚度大于其臨界深度，頂板穩(wěn)定性好。

用Barton極限跨度分析法結(jié)合工程地質(zhì)調(diào)查與巖體質(zhì)量評價對采空區(qū)（采場、巷道）的極限跨度（頂板允許寬度）計算該礦最大無支護(hù)跨度為11m。根據(jù)現(xiàn)場測量該礦采場跨度一般為7～10m，最大達(dá)15m。如其中二號井水平的217采場寬度為15.5m，一號井水平的109采場寬度為15.7m，超過最大無支護(hù)跨度11m，采場頂板存在局部失穩(wěn)的安全隱患。

2.3 護(hù)頂層厚度

石膏上覆蓋巖石一般為導(dǎo)水、易風(fēng)化、崩落的砂巖和泥質(zhì)砂巖。礦山采用留設(shè)一定厚度的石膏護(hù)頂層既能起到隔水作用，又能起支撐頂板、防止砂巖和泥質(zhì)砂巖直接暴露風(fēng)化后冒落的作用。根據(jù)跨越巷道的“伏薩爾梁”概念，當(dāng)改變采場結(jié)構(gòu)參數(shù)時，護(hù)頂層穩(wěn)定性的主要影響為護(hù)頂層頂板中心位移增加及護(hù)頂層被壓縮破壞。當(dāng)?shù)V山按設(shè)計開采，采場寬度為8m時，頂板留設(shè)有2m以上厚度石膏護(hù)頂層時，護(hù)頂層穩(wěn)定［11－12］。

目前采場寬度一般為7～10m，當(dāng)采場寬度為10m時，頂板留設(shè)2.5m以上厚度石膏護(hù)頂層時，護(hù)頂層穩(wěn)定。當(dāng)采場高度達(dá)14m時，該采場需留設(shè)3m以上厚度護(hù)頂層方能確保護(hù)頂層穩(wěn)定。

根據(jù)現(xiàn)場實測，210采場高度達(dá)19.7m，225采場高度達(dá)22.1m，超過設(shè)計回采最大高度，根據(jù)采場現(xiàn)場實測結(jié)構(gòu)參數(shù)和地質(zhì)資料，礦山存在石膏護(hù)頂層厚度不足（是否滿足留設(shè)3m以上厚度護(hù)頂層）的安全隱患，需對上述頂板進(jìn)行探頂驗證，并在今后開采過程中，嚴(yán)格按設(shè)計開采，嚴(yán)禁超高開采，并按要求留設(shè)足夠的護(hù)頂層。

2.4 礦柱穩(wěn)定性

礦柱不僅用于維護(hù)礦房的穩(wěn)定，也用于隔離大面積空場與保護(hù)井巷、地表及建筑物的安全。從維護(hù)采場穩(wěn)定性方面考慮，礦柱間距應(yīng)小于極限跨度，礦柱本身橫斷面尺寸應(yīng)滿足強度要求。如果某個礦柱尺寸過小，一旦被壓垮，勢必造成采場實際跨度過大而導(dǎo)致冒頂，與此同時，覆巖壓力轉(zhuǎn)移到其它相鄰礦柱上，也可能引起礦柱破壞，并產(chǎn)生連鎖反應(yīng)［13］。

根據(jù)該礦硬石膏單軸抗壓強度實驗，取石膏礦抗壓強度44.21MPa，上覆巖層容重28kN/m3，目前采空區(qū)分布在＋154m、＋137m水平，地表標(biāo)高為＋255m，由于留設(shè)的條形礦柱需要長期負(fù)載以保護(hù)頂板的穩(wěn)定性，容許的安全系數(shù)應(yīng)大于2.0，根據(jù)各開采參數(shù)下條形礦柱安全系數(shù)計算，表明目前該礦＋154m、＋137m水平留設(shè)的礦柱的穩(wěn)定性滿足安全要求。

3 結(jié)束語

對該礦地下開采區(qū)測量及其對地面建筑影響研究認(rèn)為：2號井東北部的208、209、210、211采場出現(xiàn)部分越界現(xiàn)象；210采場高度達(dá)19.7m，225采場高度最高達(dá)22.1m，超過設(shè)計回采最大高度，存在石膏護(hù)頂層厚度不足的安全隱患，需要采取防護(hù)措施；采場跨度為7～10m的地段，采場頂板能保持穩(wěn)定，即使局部冒落，也不會波及到地表。但是二號井水平的217場測量采場寬度為15.5m，一號井水平的109采場測量采場寬度為15.7m，超過了最大無支護(hù)跨度11m，采場頂板存在局部失穩(wěn)的安全隱患。一旦失穩(wěn)有可能波及地表，對地面民房有影響；目前該礦＋154m、＋137m水平留設(shè)的礦柱穩(wěn)定性滿足安全要求。為了確保地面建筑安全，同時建議進(jìn)行地表移動監(jiān)測。

［1］孫超，薄景山，劉紅帥，等.采空區(qū)地表沉降影響因素研究［J］.吉林大學(xué)學(xué)報：地球科學(xué)版，2009（3）：98－102.

［2］賀躍光.大型建筑物荷載作用下空區(qū)地表活化機理及工程應(yīng)用問題研究［D］.長沙：中南大學(xué)，1993.

［3］譚志祥，鄧喀中.采動區(qū)建筑物動態(tài)移動變形規(guī)律模擬研究［J］.西安科技大學(xué)學(xué)報，2006（3）：349－352.

［4］楊化超，鄧喀中，楊國東，等.礦山條帶開采相似材料模型變形測量［J］.吉林大學(xué)學(xué)報：地球科學(xué)版，2007（01）：190－194.

［5］張成良，侯克鵬，李克鋼.開采引起上覆公路地表沉降與變形的數(shù)值分析［J］.巖土力學(xué)，2008（S1）：635－639.

［6］杜國棟，李曉，韓現(xiàn)民.充填采礦法引起的地表變形數(shù)值模擬研究［J］.金屬礦山，2008（1）：39－43..

［7］黃俊，王衛(wèi)軍，王林，等.急傾斜煤層充填開采的數(shù)值模擬［J］.礦業(yè)工程研究，2010（3）：16－19.

［8］繆協(xié)興，劉衛(wèi)群，陳占清.采動巖體滲流理論［M］.北京：科學(xué)出版社，2004.

［9］王新民，柯愈賢，胡威，等.天轉(zhuǎn)地下開采地表沉陷預(yù)計及安全性分析［J］.科技導(dǎo)報，2012（30），25：27－31.

［10］穆滿根，汪吉林，吳圣林.多層復(fù)雜采空區(qū)上建筑物穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2009（4）：98－102.

［11］曹輝，張佳琳.煤礦采空區(qū)充填工藝及進(jìn)展［J］.中國煤炭，2009（3）：57－60.

［12］張蕊，姜振泉，姜春露，等.韓橋煤礦井田采空區(qū)地面建筑地基穩(wěn)定性研究［J］.煤炭工程，2011（4）：61－63.

［13］鄭彬，郭文兵，桑培淼.我國開采沉陷動態(tài)過程的研究現(xiàn)狀與展望［J］.現(xiàn)代礦業(yè)，2009（3）：12－14.