礦山開(kāi)采對(duì)地表變形的影響研究

王燕平

（內(nèi)蒙古包頭鑫達(dá)黃金礦業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 包頭 014000）

當(dāng)前，礦產(chǎn)資源的需求量不斷增加，并且地下開(kāi)采的規(guī)模也逐漸擴(kuò)大，對(duì)于礦山巖層以及地表結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性造成十分嚴(yán)重的影響。在礦山開(kāi)采活動(dòng)開(kāi)始后，礦山頂板巖層的移動(dòng)和地表的沉陷會(huì)逐漸明顯，并且對(duì)于地表上的工程建設(shè)而言，也會(huì)造成不同程度的危害，這一現(xiàn)象已經(jīng)通過(guò)各個(gè)礦區(qū)開(kāi)采實(shí)踐得以驗(yàn)證[1]。本文開(kāi)展礦山開(kāi)采對(duì)地表變形的影響研究，為提高礦山開(kāi)采的安全性，并為降低開(kāi)采過(guò)程中對(duì)周圍環(huán)境的影響提供科學(xué)依據(jù)，本文開(kāi)展礦山開(kāi)采對(duì)地表變形的影響研究。

1 礦山開(kāi)采對(duì)地表變形的影響

1.1 引發(fā)地表沉陷

隨著礦山開(kāi)采的不斷推進(jìn)，礦體地下采空區(qū)域的面積以及高度都會(huì)隨之增加。采空區(qū)域大多分布在地表以下，在頂板結(jié)構(gòu)上的覆蓋巖石和巖土自身重力以及周圍圍巖的構(gòu)造應(yīng)力的作用下，常常會(huì)出現(xiàn)移動(dòng)變形問(wèn)題，隨著其移動(dòng)變形的幅度范圍不斷增加，最終造成地表出現(xiàn)嚴(yán)重的沉陷問(wèn)題產(chǎn)生。通過(guò)上述分析可知，礦山地表變形與礦山開(kāi)采有著密切的聯(lián)系，當(dāng)開(kāi)采的方式不同、礦體自身的地質(zhì)條件不同，都會(huì)造成礦山地表的變形程度和變形規(guī)律發(fā)生改變。

通常情況下，礦山的變形的影響因素主要包括：圍巖的構(gòu)造應(yīng)力、巖體內(nèi)摩擦角、圍巖容量、地下水運(yùn)動(dòng)等影響因素。

同時(shí)，礦體本身的賦存埋深條件主要影響礦山地表的塌陷形式，而沉陷盆地中心主要以沉降變形形式為主。

當(dāng)前，針對(duì)礦山地表沉陷主要集中在對(duì)其宏觀破壞特征的研究。通過(guò)對(duì)不同類型礦山進(jìn)行實(shí)地考察，并結(jié)合相應(yīng)物探技術(shù)得出，礦山開(kāi)采過(guò)程中，引起地表出現(xiàn)沉陷問(wèn)題呈現(xiàn)出的宏觀特征主要表現(xiàn)為：原巖應(yīng)力的大小決定了礦山地表水平方向上構(gòu)造應(yīng)力礦山地表最大下沉程度[2]。在自重應(yīng)力場(chǎng)環(huán)境范圍內(nèi)，開(kāi)展礦山開(kāi)采工作，會(huì)造成礦山地表周圍內(nèi)圈破壞，并在剪切力的作用下逐漸形成錯(cuò)斷臺(tái)階狀的破壞，從而造成地表出現(xiàn)沉陷問(wèn)題。表1為某礦山開(kāi)采活動(dòng)地表沉陷實(shí)例記錄表。

表1 某礦山開(kāi)采活動(dòng)地表沉陷實(shí)例記錄表

通過(guò)選取實(shí)際某礦山在開(kāi)采活動(dòng)過(guò)程中，地表沉陷的實(shí)例數(shù)據(jù)，針對(duì)彈性模量、內(nèi)聚力、采場(chǎng)尺寸等對(duì)地表沉陷的影響程度的分析得出：礦山開(kāi)采時(shí)，覆巖性質(zhì)當(dāng)中的距離是影響礦山地表沉陷的決定性因素；而采場(chǎng)實(shí)際尺寸大小，是影響礦山地表沉陷的主要因素；彈性模量對(duì)礦山地表沉陷有一定影響，但影響程度與上述內(nèi)聚力和采場(chǎng)尺寸，兩個(gè)因素相比較小。

1.2 提高地表巖層運(yùn)動(dòng)活躍程度

考慮到在具體礦山開(kāi)采過(guò)程中，被開(kāi)采的礦體在傾角上存在的不同對(duì)礦山地表變形可能造成一定影響，針對(duì)礦山開(kāi)采礦體傾斜角度對(duì)地表變形的影響進(jìn)行探究。針對(duì)五種不同傾斜角度的礦山礦體，對(duì)其現(xiàn)有開(kāi)采記錄中地表變化情況進(jìn)行采集。

根據(jù)自重應(yīng)力礦山開(kāi)采地表垂直地面方向上的位移隨礦體傾斜角度變化情況得出，在其他條件均不發(fā)生改變的情況下，當(dāng)?shù)V體的傾斜角度在45°～55°范圍內(nèi)時(shí)，地表的豎直方向上的沉降會(huì)隨著傾斜角度的增加而出現(xiàn)急劇增加的效果，同時(shí)傾斜角度在這一范圍內(nèi)的礦山地表豎直方向沉降與傾斜角度在55°～65°范圍內(nèi)的沉降量增加15.32%，同時(shí)是傾斜角度為85°及以上時(shí)地表沉降量的5.52倍。隨著礦山開(kāi)采礦體傾斜角度的不斷增加，上盤(pán)地表與下盤(pán)地表的巖層運(yùn)動(dòng)活躍變化程度一致，并且能夠呈現(xiàn)出明顯的對(duì)稱性，隨著礦體傾斜角度的不斷增加，地表巖層運(yùn)動(dòng)活躍變化幅度呈現(xiàn)出沿地表中心線上下盤(pán)對(duì)稱結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步分析得出，下盤(pán)地表受到礦山開(kāi)采活動(dòng)的影響，產(chǎn)生的地表巖層運(yùn)動(dòng)活躍程度與礦體的傾斜角度之間有著密切聯(lián)系，傾斜角度越大，則礦體越傾斜，下盤(pán)地表受到的影響也越大[3]。

同時(shí)，通過(guò)更進(jìn)一步探究得出，當(dāng)上盤(pán)地表受到開(kāi)采過(guò)程中礦體的傾斜角度，導(dǎo)致其地表巖層運(yùn)動(dòng)方向向左時(shí)，則下盤(pán)地表的巖層運(yùn)動(dòng)方向向右，同時(shí)此時(shí)圍巖的位移矢量會(huì)指向礦山開(kāi)采形成的采空區(qū)，并出現(xiàn)上盤(pán)地表巖層運(yùn)動(dòng)幅度大于下盤(pán)地表巖層運(yùn)動(dòng)幅度的現(xiàn)象產(chǎn)生。隨著傾斜角度的不斷減小，上盤(pán)地表巖層運(yùn)動(dòng)的增加率也會(huì)遠(yuǎn)大于下盤(pán)地表巖層運(yùn)動(dòng)的增加率。

因此，通過(guò)上述分析得出，礦山開(kāi)采過(guò)程中，礦體的不同傾斜角度會(huì)對(duì)礦山地表巖層的運(yùn)動(dòng)活躍程度造成一定影響，并且明顯對(duì)上盤(pán)地表巖層運(yùn)動(dòng)幅度影響程度更大，對(duì)下盤(pán)地表巖層運(yùn)動(dòng)幅度影響程度更小。

1.3 增加地表水平移動(dòng)量

通過(guò)上述論述，明確礦山開(kāi)采對(duì)礦山地表沉陷和垂直地面方向上的影響后，為進(jìn)一步探究礦山開(kāi)采對(duì)地表水平方向上移動(dòng)量的影響，選擇以五種不同開(kāi)采厚度的礦山作為研究對(duì)象，針對(duì)五種不同厚度的礦山開(kāi)采過(guò)程中，地表在水平方向上的移動(dòng)量變化情況進(jìn)行分析。在實(shí)際礦山開(kāi)采的過(guò)程中，確保其他開(kāi)采條件均不發(fā)生改變的情況下，對(duì)陡傾礦體進(jìn)行開(kāi)采。隨著礦山開(kāi)采礦體的厚度不斷增加，地表水平方向上的移動(dòng)量也不斷增加。當(dāng)開(kāi)采到厚度為200m時(shí)，地表水平方向上產(chǎn)生的移動(dòng)量是開(kāi)采到厚度為150m時(shí)的1.63倍，是開(kāi)采厚度為100m時(shí)的2.42倍。隨著開(kāi)采礦體的厚度不斷增加，上盤(pán)地表和下盤(pán)地表水平移動(dòng)量的變化趨勢(shì)是相同的，并且與地表巖層運(yùn)動(dòng)活躍程度變化相同，均呈現(xiàn)出逐漸明顯的對(duì)稱性，并且地表水平方向的移動(dòng)范圍也不斷擴(kuò)大。同時(shí)，當(dāng)開(kāi)采過(guò)程中開(kāi)采厚度不斷增加，無(wú)論是上盤(pán)地表結(jié)構(gòu)，還是下盤(pán)地表結(jié)構(gòu)，其產(chǎn)生的水平方向位移量的增加率都呈現(xiàn)出不斷提升的趨勢(shì)。并且，通過(guò)進(jìn)一步分析得出，當(dāng)上盤(pán)地表結(jié)構(gòu)水平方向移動(dòng)變形向左時(shí)，則下盤(pán)地表變形會(huì)向右，圍巖位移矢量仍然指向礦山開(kāi)采形成的采空區(qū)。地表水平方向上的移動(dòng)變化逐漸呈現(xiàn)出沒(méi)有規(guī)律的變化，而下盤(pán)地表水平方向上的移動(dòng)量呈現(xiàn)出“雙峰現(xiàn)象”，即水平移動(dòng)量先增加，后減少，再增加，再減少的變化趨勢(shì)。

2 結(jié)語(yǔ)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜開(kāi)采條件下，對(duì)礦山地表變化的進(jìn)一步了解，本文針對(duì)不同條件礦山開(kāi)展礦山開(kāi)采對(duì)地表變形的影響研究。

通過(guò)研究得出，礦山開(kāi)采不僅會(huì)造成地表出現(xiàn)沉陷問(wèn)題產(chǎn)生，同時(shí)還會(huì)從豎直方向和水平方向?qū)Φ乇砦灰魄闆r造成一定影響。

由于研究能力有限，在對(duì)上述內(nèi)容分析過(guò)程中，并沒(méi)有結(jié)合實(shí)際鉆孔監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)地表圍巖地質(zhì)構(gòu)造特征受礦山開(kāi)采影響進(jìn)行研究，因此無(wú)法得出頂板結(jié)構(gòu)上的覆巖層巖石質(zhì)量受礦山開(kāi)采的影響。

針對(duì)這一問(wèn)題，為實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山開(kāi)采方案的合理制定，在后續(xù)的研究中還將對(duì)此進(jìn)行更加深入研究，并結(jié)合多種分析手段和技術(shù)，例如灰色關(guān)聯(lián)分析法、GIS技術(shù)等，為礦山開(kāi)采的安全生產(chǎn)提供更多科學(xué)依據(jù)。