金屬礦山地下開采對地表建筑物影響分析研究

龐 磊

(西北有色勘測工程公司，陜西 西安 710054)

近年來，隨著國家金屬礦山的大規(guī)模開發(fā)利用，給工礦企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益，但是，與此同時，這也給地方生態(tài)環(huán)境和當(dāng)?shù)鼐用竦纳钤斐闪藝?yán)重的影響，造成了工礦企業(yè)發(fā)展與地方利益的矛盾。通過對大量事故的分析研究，我國金屬礦山地下開采活動引發(fā)的采空區(qū)塌陷地質(zhì)災(zāi)害比較嚴(yán)重，這給工礦企業(yè)及當(dāng)?shù)氐木用裆?、財產(chǎn)造成了重大損失[1，2]。在國內(nèi)外，目前煤礦企業(yè)已經(jīng)對采空區(qū)引發(fā)的地表塌陷和巖石移動范圍進(jìn)行預(yù)測，以及相關(guān)采礦活動對地表建筑物和構(gòu)筑物的損害影響進(jìn)行評價等方面做了大量的研究工作，得出了許多可供參考的經(jīng)驗與成果[3]。然而，金屬礦山的開采，由于其地質(zhì)發(fā)育條件和開采方式、方法等與煤礦開采不盡相同，那么，基于煤礦開采研究的地表變形移動規(guī)律和相關(guān)預(yù)測成果理論一般很難完全應(yīng)用于金屬礦山。研究金屬礦山地下開采對地表建筑物的影響和預(yù)測，妥善化解企地矛盾就顯得十分必要。

本文結(jié)合工程實(shí)例，介紹了“三帶理論”、塌陷角和巖石移動角等理論在分析評價金屬礦山地下開采對地表建筑物影響的應(yīng)用，定性和定量分析了地下開采相關(guān)活動對地表建筑物的影響范圍，為妥善化解企地矛盾提供了技術(shù)依據(jù)。

1 影響評價方法研究

1.1 三帶理論

地下礦體在采出以后，在采空區(qū)周圍的巖體形成了復(fù)雜的移動和變形區(qū)域，巖(土)體變形移動破壞程度自下而上劃分為垮落帶、導(dǎo)水裂隙帶和彎曲下沉帶三帶[4](見圖1)，三帶的發(fā)育程度主要取決于礦體采出厚度、采礦工藝方法、巖層產(chǎn)狀和巖石性質(zhì)。

1)垮落帶。

由于受到礦體地下開采的影響，礦體頂部覆蓋的巖體應(yīng)力重分布，造成頂部巖體發(fā)生破碎垮塌的區(qū)域稱為垮落帶。垮落帶帶內(nèi)巖體通常以拱形垮塌的方式向上發(fā)展。當(dāng)垮塌的破碎巖石體積與采出礦石的體積相等時，垮塌停止發(fā)展，垮塌后破碎巖石起到了支撐上覆未崩落巖層作用[5]。垮落帶高度與礦體開采的厚度、垮塌巖石的碎脹性有關(guān)，同時還與礦體采動范圍、覆巖強(qiáng)度及采空區(qū)的充填狀況相關(guān)。

根據(jù)查閱相關(guān)規(guī)范并結(jié)合經(jīng)驗，當(dāng)?shù)V體的傾角小于巖塊的自然安息角時，垮落帶的高度H冒為：

(1)

其中，M為礦體開采的厚度，m；K為巖石的松散系數(shù)，按經(jīng)驗取值，無量綱；α為礦體巖層的傾角，(°)；H冒為垮落帶高度，m。

2)導(dǎo)水裂隙帶。

垮落帶上覆巖層中產(chǎn)生裂縫、斷裂和離層，但仍然保持原有的層狀結(jié)構(gòu)，該部分巖層稱為導(dǎo)水裂隙帶。導(dǎo)水裂隙帶雖然沒有垮落，但是由于產(chǎn)生了大量裂隙，使巖體內(nèi)部失去原有的整體性。導(dǎo)水裂隙帶的高度同所在地質(zhì)構(gòu)造、巖層性質(zhì)和開采方式等條件相關(guān)，通常導(dǎo)水裂隙帶高度比垮落帶高度較小，可得導(dǎo)水裂隙帶高H裂為：

H裂=H冒/(1～3)

(2)

其中，H裂為導(dǎo)水裂隙帶的高度，m。

3)彎曲下沉帶。

導(dǎo)水裂隙帶巖層產(chǎn)生裂縫、斷裂和離層后，引起上部巖層發(fā)生下沉彎曲變形現(xiàn)象，該部分巖層稱為彎曲下沉帶。該帶內(nèi)的巖層通常只在自重作用下發(fā)生法向的彎曲變形，不再引起破裂現(xiàn)象，所以該地帶內(nèi)的巖層能夠較好地保持原有的隔水和整體性能。彎曲下沉帶高度的確定與巖性相關(guān)，根據(jù)經(jīng)驗，當(dāng)巖層為硬質(zhì)巖且容易脆裂時，彎曲下沉帶高度為導(dǎo)水裂隙帶高度的3倍～5倍；當(dāng)巖體為軟質(zhì)巖且塑性較好時，約為導(dǎo)水裂隙帶高的數(shù)十倍。

1.2 變形角理論評價方法

采空區(qū)上方地表塌陷區(qū)邊界與采空區(qū)邊界之間的連線與水平面之間的外側(cè)夾角稱為塌陷角或陷落角，而隨采空塌陷之后的繼續(xù)變形，其最終變形邊界與采空區(qū)邊界連線與水平面外側(cè)夾角為移動變形角[6]。移動角和塌陷角是研究地下采礦引起地表移動變形規(guī)律的重要參數(shù)，利用移動角和塌陷角相關(guān)理論可以計算確定地表塌陷區(qū)和移動變形區(qū)的邊界范圍。礦山所在區(qū)域地層巖石的塌陷角和移動變形角可以根據(jù)現(xiàn)場探測、測試、理論分析、工程類比法和數(shù)值模擬等方法確定。對于項目周邊存在類似礦山，新的礦山在進(jìn)行地下開采設(shè)計時可按工程類比法確定塌陷角和移動變形角參數(shù)。應(yīng)用塌陷角和移動變形角理論確定地表塌陷區(qū)和移動變形區(qū)的影響范圍，如圖2所示。位于上述兩區(qū)范圍內(nèi)的建筑物可能遭到變形破壞。

1.3 爆破振動測試法

金屬礦山采礦作業(yè)多以地下爆破方式進(jìn)行，爆破振動對爆破作業(yè)區(qū)一定范圍內(nèi)的建(構(gòu))筑物將造成一定的影響。對于如何評價不同類型建(構(gòu))筑物受到爆破振動的影響，應(yīng)采用不同的安全判據(jù)和允許標(biāo)準(zhǔn)?！侗瓢踩?guī)程》給出了地面建筑物的爆破振動的安全允許標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)根據(jù)評價對象所在地點(diǎn)的峰值振動速度和主振頻率來評價不同類型建(構(gòu))筑物受到爆破振動的影響。

采用爆破振動測試方法實(shí)測爆破作業(yè)的爆破振動安全允許距離，可分析金屬礦山地下開采對地表建筑物影響。

1.4 數(shù)值模擬分析方法

近年來，數(shù)值模擬分析方法在工程實(shí)踐中得到了廣泛應(yīng)用[7]。Midas/GTS(Geotechnical and Tunnel analysis System)是巖土和隧道常用的分析軟件。文章采用Midas/GTS分析了巷道掘進(jìn)引起巖層移動對地表建筑物產(chǎn)生的影響。

2 工程實(shí)例

2.1 礦山開采與居民房屋概況[8]

某金礦位于陜西省南部秦嶺腹地，礦區(qū)有硬化公路與國道相接，交通較為便利。礦區(qū)屬秦嶺南麓之中—低山地區(qū)，山脈呈東西向展布，地勢北西高，東南低，海拔高度970 m～1 583.0 m，該區(qū)地貌分為低中山和溝谷地貌區(qū)。該礦開采方式為地下開采，采礦方法采用無底柱分段崩落法。

在采礦區(qū)范圍內(nèi)共居住38戶村民，村民房屋多為依山而建，土木結(jié)構(gòu)，承重山墻為土打墻，木質(zhì)立柱，木質(zhì)梁結(jié)構(gòu)。一般開間寬4.5 m～5 m，進(jìn)深7 m～8 m，檐口高3.2 m～7.5 m，墻厚0.4 m?；A(chǔ)為干砌石基礎(chǔ)，埋深0.6 m左右。調(diào)查期間，部分房屋存在裂縫。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，在村莊附近共存在3條水平探礦巷道，即1050，1110和1150巷道，巷道斷面尺寸為2.7 m×2.7 m，采用爆破掘進(jìn)，爆破方式為普通爆破，每次最大裝藥量約30 kg。采空區(qū)范圍主要涉及1080分段、1090分段、1100分段、1110分段、1120分段、1130分段、1140分段、1150分段和1160分段，采礦爆破方式為中深孔爆破，每次最大裝藥量約150 kg。

2.2 三帶理論分析評價

采用文中式(1)來估算垮落帶的計算高度。根據(jù)該金礦的開采設(shè)計方案，礦體的平均厚度為13.05 m，巖石松散系數(shù)取為1.50，礦層傾角為60°，則垮落帶的高度為52.2 m；根據(jù)式(2)，導(dǎo)水裂隙帶的高度為17.4 m～52.2 m，彎曲下沉帶的高度取為導(dǎo)水裂隙帶高度的5倍，則采空區(qū)形成彎曲下沉帶的高度在87.0 m～262.5 m之間。

將上述3帶確定的厚度相加，得到該金礦采空區(qū)變形帶的高度在156.6 m～366.9 m。采空區(qū)最低點(diǎn)高程為1 080 m，對應(yīng)地表高程在1 200 m左右，高差為120 m左右，可知該金礦采空區(qū)會引起地表一定范圍的變形破壞。

2.3 變形角理論分析評價

為評價采空區(qū)對附近居民的影響，在采空區(qū)邊界距居民房屋最近點(diǎn)的連線上布置剖面線，采用1.2節(jié)提供的方法計算分析采空區(qū)形成的塌陷區(qū)和巖石移動區(qū)范圍。根據(jù)該礦的現(xiàn)場觀測并結(jié)合工程經(jīng)驗，計算時，塌陷角與巖石移動角取值見表1。

表1 塌陷角與巖石移動角取值 (°)

根據(jù)表1塌陷角與巖石移動變形角參數(shù)，采用作圖法可確定采空區(qū)在地面產(chǎn)生的塌陷區(qū)與移動變形區(qū)影響范圍，見圖3。根據(jù)圖3可知，距離采空區(qū)最近的房屋到塌陷區(qū)邊界水平距離為83.0 m，到巖石移動區(qū)邊界水平距離為68.0 m。根據(jù)《采礦設(shè)計手冊》中關(guān)于保護(hù)級別的要求，該處民房屬于Ⅲ級保護(hù)等級，Ⅲ級保護(hù)對象的安全距離為10 m，可判定該金礦礦山地下開采活動引發(fā)的地表塌陷和移動變形不會對周邊民房造成破壞。

2.4 爆破振動影響測試評價

通過爆破振動測試可評價地下采礦爆破作業(yè)振動對礦區(qū)附近居民房屋的結(jié)構(gòu)的影響。根據(jù)現(xiàn)場情況，最終確定爆破點(diǎn)和測試點(diǎn)平面位置見圖4，爆破點(diǎn)信息見表2，測試點(diǎn)信息見表3，測試結(jié)果見表4。

表2 爆破點(diǎn)信息表

表3 測試點(diǎn)信息表

表4 測試結(jié)果匯總表

根據(jù)測試結(jié)果，結(jié)合爆破安全規(guī)程[9]可知，本次爆破振動測試中，C2，C3，C4，C5點(diǎn)位均是S1炮速度峰值最大，分別為0.072 cm/s，0.043 cm/s和0.088 cm/s，頻率在11 Hz～12 Hz，均小于爆破安全規(guī)程中的爆破振動安全允許標(biāo)準(zhǔn)。距離S1炮距離最近的C1點(diǎn)測得S1炮振動峰值加速度達(dá)到Ⅵ度的峰值加速度范圍，反復(fù)振動有可能對其建筑物造成一定影響。

2.5 數(shù)值模擬影響評價

根據(jù)圖5中的A—A′剖面建立了分析探礦巷道對居民房屋影響的模型，本模型長度為300 m，地表最高點(diǎn)高程為1 368 m，最低點(diǎn)為1 330 m，巷道水平分別為1 050 m，1 110 m和1 150 m，模型最底部高程取為1 085 m，探礦巷道硐室大小為2.7 m×2.7 m， 居民房屋所處位置為模型中地表上自左向右150 m～180 m處。模型網(wǎng)格劃分見圖5，模型計算巖土體物理力學(xué)參數(shù)見表5。

表5 巖土體物理力學(xué)參數(shù)表

經(jīng)過分析計算，給出了巷道掘進(jìn)引起巖層及地表的水平位移和垂直位移云圖，見圖6，圖7?？梢园l(fā)現(xiàn)，居民房屋所處地表最大水平位移2.51 mm，最大沉降值22.56 mm，最小沉降值為15.56 mm，沉降差為7.0 mm，傾斜為0.23 mm/m的水平應(yīng)變?yōu)?.08 mm/m，依據(jù)《采礦設(shè)計手冊(礦床開采卷下)》，水平應(yīng)變大于2 mm/m、傾斜大于3 mm/m時，對地表建筑物有影響，可以判斷探礦巷道掘進(jìn)引起的變形對居民房屋而言是安全的。

3 結(jié)語

通過分析金屬礦山地下開采對地表建筑物的影響評價方法，并結(jié)合陜西省南部秦嶺腹地某金礦工程實(shí)例進(jìn)行了分析與評價，得到了以下結(jié)論：

1)應(yīng)用“三帶理論”能夠定量計算采空區(qū)引發(fā)的變形帶高度，并定性判斷這種引發(fā)的變形破壞能否發(fā)展到地表，但不能確定采空區(qū)在地表引發(fā)沉陷變形影響范圍。

2)通過變形角評價方法可以確定采空區(qū)在地表引發(fā)沉陷變形的影響范圍，但不可以給出對地表建(構(gòu))筑物的影響程度。

3)運(yùn)用爆破振動測試可以實(shí)測獲得評價對象所在地點(diǎn)的峰值振動速度和主振頻率，定性評價出爆破振動對地表建(構(gòu))筑物的影響程度，但不能劃定對地表建(構(gòu))筑物的影響規(guī)模。

4)運(yùn)用數(shù)值模擬方法的計算結(jié)果與定性方法相結(jié)合， 可以有效地評價采空區(qū)沉陷對附近地表建筑物的影響程度。

綜上，采用多種分析評價方法，可以比較全面的評價金屬礦山地下開采對地表建筑物的影響效果，為妥善化解企地矛盾提供技術(shù)材料，同時也給礦山進(jìn)行開采設(shè)計提供理論依據(jù)。