甘肅青羊峽鉛鋅礦采空區(qū)穩(wěn)定性研究

劉天柱，逯 娟，侯 娜

（1.中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心甘肅總隊(duì)，甘肅 天水 741000；2.蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院地質(zhì)與珠寶學(xué)院，甘肅 蘭州 730001）

1 交通與位置

青羊峽鉛鋅礦位于甘肅省西和縣距城南20Km。地理坐標(biāo)為：東經(jīng)105°19′00″～105°22′00″，北緯33°51′00″～33°53′00″，行政區(qū)劃隸屬于西和縣十里鄉(xiāng)管轄。礦區(qū)位于西和縣城東南約20Km，有鄉(xiāng)級(jí)公路連通，新建十天高速公路從西和縣城西側(cè)通過(guò)，交通條件大大改善。礦區(qū)距隴海鐵路天水車站約121km，有國(guó)家三級(jí)公路相連，交通便利。

2 地質(zhì)特征

頁(yè)水河礦床東起頁(yè)水河西至滴水溝，東西長(zhǎng)約5km，呈北西西向展布。礦體密集地段在本礦區(qū)范圍東段。礦區(qū)內(nèi)出露地層主要為中泥盆統(tǒng)紅嶺山組(Dhl)和部分上泥盆雙狼溝組（Dsl）的一套以碳酸鹽為主夾千枚巖、板巖地層溝谷中見(jiàn)第四系沖積物。礦區(qū)中褶皺構(gòu)造十分發(fā)育，處于頁(yè)水河向斜與頁(yè)水河南野雞溝背斜之間的次級(jí)復(fù)式褶皺。

3 采礦區(qū)調(diào)查研究

3.1 礦區(qū)的礦產(chǎn)資源賦存情況

青羊峽鉛鋅礦采礦權(quán)東西長(zhǎng)1680m、南北寬約400m，共探明大小礦體30 多個(gè)，其中以1、4、12 號(hào)礦體規(guī)模較大，其余礦體多為單工程或單剖面見(jiàn)礦的小礦體，以紅嶺山組第四巖段（DhL4）為界，其下為12 號(hào)礦體，其上為1 號(hào)、4 號(hào)礦體。礦區(qū)以16 線（南家溝）為界分為東、西兩段，礦體互不相連，但含礦層位相對(duì)應(yīng)，1、4 號(hào)礦體實(shí)際為同一礦體，在西礦段稱為1 號(hào)礦體，東礦段為4 號(hào)礦體，根據(jù)資源儲(chǔ)量核實(shí)報(bào)告，目前1 號(hào)礦體及西礦段礦體已采完，東礦段1669m水平以上的4、12 號(hào)礦體也多已采空，主要保有資源量多位于1669m 水平以下[1]。

3.2 采場(chǎng)洞口廢渣的分布狀況

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和實(shí)地測(cè)量，青羊峽鉛鋅礦在以往開(kāi)采過(guò)程中共形成了4 處較大的礦石及棄碴堆場(chǎng)，堆場(chǎng)集中分布在16 線附近南溝溝谷中，部分堆場(chǎng)由于形成時(shí)間長(zhǎng)漸呈現(xiàn)較穩(wěn)固態(tài)，絕大多數(shù)均為隨意沿溝堆放，形成較陡峭的坡體坡角。

3.3 采空區(qū)的范圍及分布形態(tài)

3.3.1 采空區(qū)平面分布范圍

區(qū)內(nèi)采空區(qū)已采礦體以12 號(hào)礦體為主，該礦體在礦區(qū)西段呈向斜形態(tài)出現(xiàn)，向斜在15 線較為寬緩，南翼礦體向北，傾角交陡，多在70°左右，北翼傾向南，傾角緩，僅25°～28°，標(biāo)高在1740m 左右，而在0 線向斜緊閉，向斜南翼傾向北，傾角70°～75°，向斜北翼似向南傾角80°以上，有時(shí)甚至傾向北，傾角70°～75°，形成倒轉(zhuǎn)向斜。

從總體分布來(lái)看，西和青羊礦業(yè)有限責(zé)任公司上報(bào)的50 處礦房分布于23-80 線之間，根據(jù)區(qū)內(nèi)礦體分布及礦山開(kāi)采情況，將采空區(qū)分布以南溝（16 線）分為東坡、西坡兩個(gè)采區(qū)。其中西坡采空區(qū)主要分布在23-0 線1780m～1685m 標(biāo)高之間，長(zhǎng)約346m，寬約5m～91m，面積約0.0175km2；東坡采空區(qū)主要分布在24-80 線1736m～1570m 標(biāo)高之間，長(zhǎng)約725m，寬約9m～85m，面積約0.0340km2。

3.3.2 采空區(qū)剖面形態(tài)特征

從立面圖分布來(lái)看，青羊峽礦山采空區(qū)分布可以劃分為東西兩處采空區(qū)來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。

西采區(qū)采空區(qū)平面分布范圍主要在23-0 線，開(kāi)采中段主要有1780、1740、1700、1685 中段，根據(jù)各采礦中段采空區(qū)分布情況來(lái)看：1780m 中段以上形成礦房有5 個(gè)，編號(hào)為1780C01-1780C05，形成時(shí)間為1996年；1740m～1780m 中段之間形成的礦房有4 個(gè)，編號(hào)為1740C01-1740C04，形成時(shí)間為1995 年；1700m～1740m中段之間形成的礦房有4 個(gè)，編號(hào)為1700C01-1700C04，形成時(shí)間為1995 年；1685m～1700m 中段之間形成的礦房有2 個(gè)，編號(hào)1685C01、1685C02，形成時(shí)間為1996 年。

東采區(qū)采空區(qū)平面分布范圍主要在24-80 線，開(kāi)采中段主要有1710、1669、1643、1610、1570 中段，根據(jù)各采礦中段采空區(qū)的礦房分布情況來(lái)看：1735m～1710m 標(biāo)高之間形成的礦房有6 個(gè)，編號(hào)為1710C01-1710C06，形成時(shí)間為2003 年；1710m～1669m 標(biāo)高之間形成的礦房有14 個(gè)，編號(hào)1669C01-1669C14，形成之間2002-2010 年，該中段礦房較密集，連貫性較好，連續(xù)長(zhǎng)度在350m 左右；1669m～1643m 標(biāo)高之間形成的礦房有5個(gè)，編號(hào)為1643C01-1643C05，形成時(shí)間2003-2010年；1643m～1610m 標(biāo)高之間形成的礦房有6 個(gè)，編號(hào)為1610C01-1610CO6，形 成 時(shí) 間 為2009-2010 年；1610m～1570m 標(biāo)高之間形成礦房有4 個(gè)，分布比較集中，各礦房連續(xù)貫通較好，編號(hào)為1570C01-1570C04，形成時(shí)間為2007-2008 年。

4 采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

4.1 定性評(píng)價(jià)

本次采空區(qū)調(diào)查，在考慮西和青羊礦業(yè)有限責(zé)任公司青羊峽鉛鋅礦礦區(qū)登記范圍、采礦影響范圍及選礦廠、尾礦庫(kù)的分布和影響，確定評(píng)估區(qū)范圍1.176km2。

本次調(diào)查在評(píng)估區(qū)范圍內(nèi)企業(yè)上報(bào)的50 個(gè)礦房，調(diào)查未發(fā)現(xiàn)地表塌陷區(qū)。根據(jù)西和青羊礦業(yè)有限責(zé)任公司上報(bào)采空區(qū)情況，將上報(bào)礦房進(jìn)行投影，采空區(qū)地表投影分為2 處，均呈東西向條帶狀分布，其中西坡采空區(qū)主要分布在23-0 線1780-1685m 標(biāo)高之間，長(zhǎng)約346m，寬約5m～91m，面積約0.0175km2；東坡采空區(qū)主要分布在24-80 線1736m～1570m 標(biāo)高之間，長(zhǎng)約725m，寬約9m～85m，面積約0.0340km2。東西長(zhǎng)約343m～725m，南北寬18m～93m，圈定采空區(qū)地表投影面積約為0.052km2。

根據(jù)青羊峽鉛鋅礦提供的資料，該礦區(qū)上報(bào)的采空區(qū)平均采深為166m，計(jì)算得出T=415d，采空區(qū)終采時(shí)間均在5年以上，按終采時(shí)間確定采空區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定性等級(jí)判定這2 處采空區(qū)均為穩(wěn)定。

此次采空區(qū)地表調(diào)查發(fā)現(xiàn)，采空區(qū)地表連續(xù)變形，且多數(shù)處于地表移動(dòng)盆地中間區(qū)，地面有傾斜，按變形特征確定采空區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定性等級(jí)判定這2 處采空區(qū)均為基本穩(wěn)定。

根據(jù)“就高不就低”的原則，對(duì)于采空區(qū)的定性評(píng)價(jià)判定均為基本穩(wěn)定[2，3]。

4.2 定量評(píng)價(jià)（類比）

根據(jù)西和青羊礦業(yè)公司青羊峽鉛鋅礦礦體呈陡傾斜產(chǎn)出，厚度薄，礦體及上盤圍巖較穩(wěn)固、下盤圍巖穩(wěn)固性稍差以及地表允許陷落等特點(diǎn)，礦山開(kāi)采使用空?qǐng)鲂筒傻V法中的淺孔留礦法，開(kāi)采順序?yàn)樽韵露戏謱踊夭傻V房，使用淺孔崩落礦石方法回收。

青羊峽鉛鋅礦采礦權(quán)東西長(zhǎng)1680m、南北寬約400m 的范圍內(nèi)，共探明有大小礦體30 多個(gè)，其中以1、4、12 號(hào)礦體規(guī)模較大，其余礦體多為單工程或單剖面見(jiàn)礦的小礦體，以紅嶺山組第四巖段（DhL4）為界，其下為12 號(hào)礦體，其上為1 號(hào)、4 號(hào)礦體。礦區(qū)以16 線（南家溝）為界分為東、西兩段，礦體互不相連，但含礦層位相互對(duì)應(yīng)。

12 號(hào)主礦體在西礦段呈不連續(xù)的串珠狀、囊狀產(chǎn)出；礦體傾向北，傾角65-80°；礦體控制長(zhǎng)765m，厚0.61m～6.13m，平均3.10m，厚度變化系數(shù)僅34.4%，屬于厚度變化均勻類型。

1 號(hào)礦體位于西礦段，礦體多呈向斜形態(tài)分支出現(xiàn)，分 別 成 為1-1、1-2、1-3、13、14、15、16、17、18 等 礦體。向斜在15 線較為寬緩，南翼礦體傾向北，傾角較陡，多在70°左右。北翼傾向南，傾角緩，僅25°～28°，賦存標(biāo)高在1740m 左右。在0 線向斜緊閉，南翼傾向北，傾角70°～75°，北翼似向南傾，傾角80°以上，有時(shí)甚至傾向北，形成倒轉(zhuǎn)向斜。向斜軸傾向南，傾角陡，向斜向東傾伏。

4 號(hào)礦體賦存于東礦段，為隱伏礦體，屬向斜之南翼，相對(duì)穩(wěn)定，僅在淺部出現(xiàn)有分叉現(xiàn)象，礦體走向長(zhǎng)達(dá)650m。

依據(jù)礦體分布特征及上下盤圍巖的力學(xué)性質(zhì)和采用的采礦方法，擬定巖體的陷落角和移動(dòng)角分別為：

上盤：陷落角70°、移動(dòng)角65°；

下盤：陷落角70°、移動(dòng)角65°；

兩翼：陷落角75°、移動(dòng)角70°。

根據(jù)礦體特征及采空區(qū)分布特征，由公式

Wmax=m·q·cosα 計(jì)算地面塌陷最大下沉值。

Q——充分采動(dòng)下的下沉系數(shù)；本次計(jì)算取0.85；

m——礦層法線厚度（m）；本次計(jì)算取4m；

α——礦層傾角；本次計(jì)算取65°。

Wmax——最大下沉值（mm）；

根據(jù)上述公式Wmax=4000×0.85×cos65°，計(jì)算得出青羊峽鉛鋅礦的最大下沉值為1437mm。

4.2.1 引發(fā)地面塌陷移動(dòng)盆地范圍預(yù)測(cè)

根據(jù)移動(dòng)盆地地面影響區(qū)半徑預(yù)測(cè)計(jì)算公式：

r=H/tanΒ；

H——礦體開(kāi)采深度；

Β——開(kāi)采移動(dòng)角，根據(jù)青羊峽鉛鋅礦所處的區(qū)域以及巖性，下盤移動(dòng)角β=65°；上盤移動(dòng)角γ=65°；

根據(jù)各采空區(qū)分布狀況，分別計(jì)算出各點(diǎn)上盤、下盤影響半徑，以計(jì)算點(diǎn)為圓心，r 為半徑作圓，通過(guò)連接各圓外圍切點(diǎn)圈定出地面塌陷移動(dòng)盆地范圍。依述計(jì)算結(jié)果，預(yù)測(cè)地面沉陷范圍是在井田受采動(dòng)的影響范圍向外擴(kuò)大26.1m～111.9m 左右，圈定的兩處地表陷落范圍南北寬約80m～230m，東西長(zhǎng)約435m～820m，面積約為0.21km2。

4.2.2 引發(fā)地面塌陷地表最大變形值預(yù)測(cè)

最大傾斜值：

i0=Wmax/r=1437/26.1=55.06mm/m；

最大曲率值：

K0=1.52Wmax/r2=1.52×1437/26.12=3.21mm/m2；

最大水平移動(dòng)值：

U0=b·Wmax=0.4×1437=574.8mm；

最大水平變形值：

ε0=1.52·b·i0=1.52×0.4×55.06=33.48mm/m；

（注：b——水平移動(dòng)系數(shù)，一般取0.3～0.4，本次計(jì)算取0.4）。

根據(jù)《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》（GB51044-2014）中12.2.4 條的規(guī)定，按地表移動(dòng)變形確定場(chǎng)地穩(wěn)定性等級(jí)判定青羊峽鉛鋅礦上報(bào)的2 處采空區(qū)均為不穩(wěn)定狀態(tài)。

根據(jù)“就高不就低”的原則，結(jié)合定性評(píng)價(jià)和定量評(píng)價(jià)結(jié)論，對(duì)青羊峽鉛鋅礦上報(bào)的2 處采空區(qū)的穩(wěn)定性進(jìn)行綜合判定，判定該2 處采空區(qū)均為不穩(wěn)定狀態(tài)。

4.3 穩(wěn)定性分區(qū)

本次采空區(qū)影響范圍穩(wěn)定性分區(qū)，按“就高不就低”的原則，將礦山采空區(qū)影響范圍劃分為礦山采空區(qū)影響范圍不穩(wěn)定區(qū)、基本穩(wěn)定區(qū)和穩(wěn)定區(qū)。

4.3.1 礦山采空區(qū)影響范圍不穩(wěn)定區(qū)

不穩(wěn)定區(qū)主要為地表移動(dòng)盆地影響范圍，根據(jù)上、下盤移動(dòng)半徑作圓，然后連接各圓切點(diǎn)圈定地表移動(dòng)盆地范圍。最終圈定兩處采空區(qū)影響范圍不穩(wěn)定區(qū)范圍分別為以下兩點(diǎn)。

西坡采空區(qū)影響范圍不穩(wěn)定區(qū)西起23 線、東至7 線，范圍起止坐標(biāo)東經(jīng)105°20′04″～105°20′22″，北緯33°51′42″～33°51′49″；東西長(zhǎng)約435m，南北寬約95m～195m，面積約為0.065km2。

東坡采空區(qū)影響范圍不穩(wěn)定區(qū)西起32 線、東至80 線，范圍起止坐標(biāo)東經(jīng)105°20′29″～105°21′01″，北緯33°51′36″～33°51′44″；東西長(zhǎng)約820m，南北寬約80m～230m，面積約為0.145km2。

4.3.2 礦山采空區(qū)影響范圍基本穩(wěn)定區(qū)

基本穩(wěn)定區(qū)范圍是在不穩(wěn)定區(qū)域范圍向外擴(kuò)大100m圈定的，圈定的范圍西起23 線、東至80 線，范圍起止坐標(biāo)東經(jīng)105° 20′ 02″ ～105° 21′ 05″，北緯33°51′33″～33°51′52″；東西長(zhǎng)約1590m，南北寬約220m～402m，面積約為0.358km2。

4.3.3 礦山采空區(qū)影響范圍穩(wěn)定區(qū)

穩(wěn)定區(qū)范圍為除上述范圍以外的評(píng)估區(qū)范圍，范圍起止坐標(biāo)東經(jīng)105°20′02″～105°21′16″，北緯33°51′27″～33°51′55″；東西長(zhǎng)約1900m，南北寬約482m～787m，面積約為0.608km2。

5 防治措施建議

（1）現(xiàn)分布于不穩(wěn)定區(qū)內(nèi)的所有建筑物都要進(jìn)行搬遷，搬遷建筑物主要位于礦山開(kāi)采區(qū)內(nèi)南溝溝谷東側(cè)，主要為臨時(shí)住房及空壓機(jī)房等。同時(shí)在不穩(wěn)定區(qū)外圍5m 處拉設(shè)警戒線，其中在人員居住集中的地方設(shè)立防護(hù)網(wǎng)，基本穩(wěn)定區(qū)內(nèi)不允許再修建建筑物，已有建筑物有搬遷條件的建議搬遷。

（2）考慮到下部開(kāi)采活動(dòng)對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性的影響因素，在進(jìn)行下部礦體開(kāi)采時(shí)盡量采取繞道巷道掘進(jìn)，減輕垂直面上部荷載對(duì)下面支撐體的壓力,開(kāi)拓時(shí)避免與上部采空區(qū)垂直。

（3）建議在6#、8#這兩處棄碴堆前修筑攔碴墻，在5#棄碴堆下方為礦山居民建筑物，建議在此棄碴堆下方修筑攔碴墻，減少其對(duì)礦山居民生命財(cái)產(chǎn)的威脅。此外，開(kāi)采礦體西側(cè)的1570C1-1570C4 四處礦房建議回填。