某金屬礦山采空區(qū)安全評估方法探索與應用

于文龍，趙旭陽

（中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津300222）

近些年來，由于礦產資源的過度開采，在很多地區(qū)留下了大量沒有處理的采空區(qū)， 一定程度上給礦山安全生產留下隱患， 而采空區(qū)引起的覆巖塌陷及地表移動往往給附近居民造成災難性后果， 嚴重危險人民的生命財產安全。

2018年遷西縣漢兒莊鄉(xiāng)某山體突然塌陷形成巨大塌坑， 塌坑邊緣距水工建筑物最近水平距離21.80m，塌坑成橢圓形，軸向尺寸為83.60m×51.40m，邊緣高程235～265m，靠副壩側較低，塌坑邊緣山體表面2～5m有不規(guī)則裂縫，時有松土、塊石跌落，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

1 開采概況及影響分析

礦區(qū)所處大地構造體系為陰山東西向復雜構造帶與新華夏系交接地帶， 具有四個比較明顯的構造帶，即東西向構造帶、北東向構造帶、北北東向構造帶和扭動構造帶。 礦區(qū)內地層呈單斜構造。 構造簡單，偶見小揉皺，對礦體無破壞現象。 該礦區(qū)出露的地層主要為太古界遷西群變質巖及第四系覆蓋層。礦區(qū)地下水主要由第四系孔隙潛水層和基巖風化裂隙含水層及構造裂隙含水層組成。

該鐵礦礦區(qū)內共有四條礦體，分別是I，II，III，Ml號礦體。礦體賦存太古界遷西群三屯營組片麻巖中，呈層狀，礦體產狀基本與圍巖一致，屬太古界海相沉積生成后來經區(qū)域變質作用， 使礦石發(fā)生明顯的變質觀象，為沉積變質鐵礦，屬鞍山式鐵礦。 礦體總體走向近東西向，傾向北，傾角70°～80°。

1.1 “三帶理論”

礦體被開采后，會引起圍巖的原始應力變化，當圍巖能夠承受的應力超過其極限強度時， 就會發(fā)生位移、開裂、斷裂直至破碎冒落。 巖層按自身破壞程度的大小，通?？梢詣澐譃槿龓В嚎迓鋷?、裂隙帶、彎曲帶［1］（如圖1）。

圖1 采空區(qū)覆巖影響帶分布示意圖

1.1.1 垮落帶

又稱冒落帶，礦體被開采后，采空區(qū)頂板覆巖發(fā)生離層、斷裂、垮落入空腔內部的巖層移動區(qū)域。 垮落帶的形成主要是由于采空區(qū)覆巖在自重作用下發(fā)生法向彎曲， 當彎曲程度導致巖層拉應力超過抗拉強度時，采空區(qū)覆巖發(fā)生破壞，巖體石塊剝離滾落，堆積在采空區(qū)空腔內。

1.1.2 裂隙帶

又稱斷裂帶，裂隙帶位于垮落帶之上，這部分巖層會產生斷裂和裂縫，但仍保持原來層狀，隨著采空區(qū)范圍的逐漸擴大，裂隙帶會因不能承受上覆巖體自重而發(fā)生大斷裂，失去承載力，從而向上發(fā)展到地表。同時，裂隙帶具有一定導水性，若裂隙帶周邊恰好有地下水存在，那么采空區(qū)工作面的滲漏量會很大。

1.1.3 彎曲帶

彎曲帶整體移動帶， 是指裂隙帶頂部至地表巖層的統(tǒng)稱。豎直范圍內，彎曲帶上部一般為軟弱巖層和表土層，可能出現少數離層，彎曲帶各點的下沉變形值相差不大。

礦體被采出，兩幫巖層切落冒頂，采空區(qū)上覆巖層由于應力得到釋放，“三帶”會在豎直方向下沉，引起地表移動變形。

礦區(qū)內地表為丘陵地帶，但高差不大，現取地表平均高程為250m。 礦體厚度取平均厚度3.1m。

冒裂帶高度公式如式（1）：

垮落帶公式如式（2）：

式中 M為采厚（m）；h為開采階段垂高；Hm為垮落帶；Hli為冒裂帶。

依據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷巖柱留設與壓煤開采規(guī)程》（2017版） 計算垮落帶及冒裂帶成果如表1。

表1 計算成果單位：m

根據表1計算成果分析，冒裂帶高度不會與上部強風化巖體發(fā)生聯系。鑒于鐵礦開采方式、開采面積與煤礦有較大區(qū)別，采用《建筑物、水體、鐵路及主要井巷巖柱留設與壓煤開采規(guī)程》（2017版） 經驗公式計算冒裂帶高度是保守且安全的。 “三帶理論”方法在在我國應用范圍較廣，具有豐富的工程經驗，但該經驗公式也存在一定不足， 公式只考慮了采空埋置深度與開采厚度， 沒有考慮圍巖物理力學性質及風化程度和不利節(jié)理裂隙對圍巖穩(wěn)定的影響， 可定性評價采空區(qū)上部冒裂帶與地表的聯通情況。

1.2 巖石移動帶理論

金屬礦山的沉陷具有不連續(xù)性，且金屬礦山的塌陷具有突發(fā)性，所以金屬礦山的塌陷預測往往難以把握。 影響采空區(qū)圍巖移動的主要因素為巖石性質、礦體傾角、開采深度、采空區(qū)規(guī)模等［2］。 在這種背景情況下，工程類比法不失是一種較為切實可行的方法。

巖石移動角的大小與許多因素有關， 主要是巖石性質、地質構造、礦體厚度、礦體傾角、開采深度、采礦方法等。一般是應用類比法，參照類似條件下礦山的實際資料及礦山設計報告選用的參數， 并綜合考慮本礦的具體條件選用結合該鐵礦實際地質情況、圍巖強度、礦體埋藏深度和開采工藝對其地表移動規(guī)律進行研究。 綜合考慮以上報告及礦山實測資料，確定地表移動參數如下：巖石移動角為上盤65°，下盤70°，端部按70°，第四系沉積層移動角45°。

通過移動角繪制鐵礦全部開采情況下， 地表沉降影響范圍， 剖面采用該金屬礦山設計報告附圖資料，采空區(qū)地表沉陷范圍如圖2。

圖2 計算采空區(qū)地表沉陷范圍

巖石移動帶理論是目前被行業(yè)認可且在金屬礦山設計中被廣泛采用的方法，該方法應用普遍，具有較多的工程經驗， 同時通過該方法可清晰直觀地計算出巖石沉降范圍線，繪制于平面圖之上直觀明了，但移動角和邊界角測量需要較長工作周期。

1.3 數值模擬方法

有限元模擬范圍的確定基于圣維南原理。 計算模型的幾何尺寸大致為礦區(qū)開挖體最大尺寸的3～5倍。 根據該鐵礦儲量核實報告、開發(fā)利用方案、潘家口水庫相關資料及現場勘察成果， 初步了解該鐵礦采區(qū)范圍的地層、礦脈分布等地質情況及巷道分布，結合目前開采情況、采區(qū)范圍、庫區(qū)和副壩，以采礦區(qū)北部邊界延伸至庫區(qū)， 建立包括整個采礦區(qū)范圍及采深在內的數值計算模型。 模型東西長1200m，南北寬500m，以-100m高程為模型底板。 各主采礦脈及間距、巷道進行了一定程度的概化，考慮采區(qū)地質構造條件，走馬哨斷層經過采區(qū)，在脖子梁附近破碎帶寬度不超過5～7m，以5m寬度建立斷層概化模型。 概化數值模型如圖3。

圖3 數值模擬工程地質模型示意圖

考慮計算機模擬速度及模擬結果的精確性，因此在礦脈及采空區(qū)位置處的網格劃分應適當加密，而待開采礦脈部分則相應變稀。 在此基礎上生成有限差分網格，其中開挖部分采用空單元模擬。模型中共劃分了2139928個單元，394438個節(jié)點，如圖4。

圖4 有限差分網格劃分示意圖

結合巖石試驗、巖體力學計算分析、塌陷坑反演分析及巖體質量分類分析等， 提出有關巖體物理力學參數建議值如表2。

表2 鐵礦采空區(qū)基本物理力學參數

根據上述采空區(qū)的模型建立以及計算參數的選擇， 計算成果中采空區(qū)剖面豎直位移云圖如圖5，豎直位移云圖如圖6，水平（Y方向）位移云圖如圖7。

圖5 V剖面豎直位移云圖

圖6 豎直位移云圖

圖7 水平（Y方向）位移云圖

開采后沉降變形區(qū)范圍及變形量明顯增大，地表形成的沉降區(qū)范圍大于采空區(qū)范圍， 沉降邊緣區(qū)地表位移顯現水平位移和垂向位移復合特征， 以水平拉張變形為主，變形區(qū)域邊緣已逐漸延伸至庫區(qū)，在長期變形條件下， 可能導致地表及巖體內部出現一定程度的裂縫，會促進庫區(qū)水體向采空區(qū)滲流。

通過移動角計算方法和數值模擬法分別得到了鐵礦開采引發(fā)的地表移動范圍，由已計算結果可知，對比10mm沉降范圍，在現狀條件下，兩種方法所得沉降中心基本一致，數值模擬沉降范圍略大。

2 結語

結合某金屬礦山采空區(qū)工程實例，分析上覆巖層移動對地表建筑物的影響評價方法， 初步得出利用“三帶理論” 可定性評價采空區(qū)的變形破壞是否會發(fā)展到地表，利用巖石移動帶評價方法，能定性分析采空區(qū)在地表的沉陷范圍，但不能確定對地表建筑物所處位置的沉降量大小，只能初步判斷是否會對建筑物產生影響，采用數值模擬結合以上兩種方法可科學有效地對采空區(qū)地表影響范圍進行定性、定量評價。 但目前金屬礦山采空區(qū)地表沉陷范圍及對地表建筑物影響評價方法尚不完善，還有待進一步研究。