铁矿采空区影响范围分析

2013-12-16段伟强

中国矿业 2013年8期

段伟强

(华北有色工程勘察院有限公司，河北石家庄 050021)

矿山采矿分为露天开采和井下开采，井下开采形成的采空区会在地表造成地面沉降、塌陷、裂缝等地质灾害，严重影响采空区上部及邻近区域地表房屋、人员的安全。对于矿山开采方来说，采空区影响范围不能随意的扩大，这样会使得开采方开采的矿石量减少，赔偿保护费用增加；对于矿山区域内的村庄来说，采空区影响范围不能太小，这样容易造成财产损失，威胁村民的人身安全。如何合理有效确定采空区的影响范围，保证开采区域人民安全、财产不受损失，减少开采方的成本已经越来越受到重视。

1 解析法计算采空区影响范围

1.1 解析法假定条件及计算公式

采空区将在地表形成一定的变形和破坏，但变形的大小和发展延伸会如何发生移动和变形范围/程度有多大，这是一个非常复杂的问题。为了简化计算，一般做如下的假设：①上覆岩层、矿体和基岩为均质、各向不同性，不考虑岩层和矿体中的结构面，裂隙和软弱夹层的影响。②不考虑矿体底板基岩受力和变形对开采范围的影响。③考虑各采空区直接在矿体一翼。

满足上述三个假设条件之后，地表移动和变形主要集中在开采边界上方宽度为2R的范围内，主要影响范围边界与开采边界的直线与水平所成的夹角θ有关。

式中：R为影响半径(m)；H为上覆岩层厚度(m)；θ为岩层破裂角(°)。

采空区影响范围计算示意图如图1所示。

1.2 参数确定方法

1) 根据岩性确定。岩层破裂角与岩层的岩性有关，采空区上覆岩层的厚度也影响岩层的破裂角[1]。

式中：D为岩性影响系数；岩性坚硬0.7～1.25；中硬1.2～2.0；软弱：2.0～2.8。

2) 根据开采方式确定[2]。开采影响传播角与矿体开采角有关，实测资料表明，开采影响传播角与矿体开采角有如下关系。

α<45°时，θ=90°-0.68α

式中：α为矿体开采角度(°)。

3) 根据岩石破坏理论[1]。根据库伦-纳维尔破坏准则，可知岩体的剪切破坏面与水平面夹角为

式中φ为岩体内摩擦角(°)。

根据不同的已知条件，可以采用上述三种方法计算岩体的破裂角，当能同时满足上述三个条件时，在矿区场地允许的条件下，应尽量取三者中的较大值，同时结合该区域的经验值，确定采空区影响范围，确保矿区周边房屋、人员的安全。

图1 采空区影响范围计算示意图

2 数值模拟法

现场实际中，围岩受力状态千变万化，各处的应力状态都不相同，岩石结构又很复杂，其强度、弹性模量等力学性质随着岩性、围压、开采方式等条件的不同而发生变化，人工的解析法很难准确的对这些影响因素进行计算。随着计算机技术的发展，各种岩土工程数值模拟软件也飞速的发展，利用这些计算软件，可以较好的模拟矿山实际开采过程中围岩受力和位移情况。

3 工程实践

河北省武安市安丰铁矿位于武安市矿山镇白鹿寺村村南500m处，铁矿石主要存在于地下200左右的6个孤立的小盲矿体中。矿区范围内的地层简单，主要为表层的第四系碎石土和下部闪长岩层，深部钻孔揭露尚见奥陶系灰岩，灰岩呈补虏体产出，表层碎石土厚约2m。矿区内构造不发育，深部矿体开采过程中未见地下水。

由于安丰铁矿距离白鹿寺村较近，采用深部井巷开采形成的采空区是否影响村庄的安全成为当地政府和村民关心的问题。因此，武安市国土局委托华北有色工程勘察院有限公司进行采空区影响范围的界定和评估工作。

3.1 解析法确定影响范围

根据铁矿的勘探资料和井上井下对照图，结合现场的调查工作，确定了6个矿体覆盖层的厚度、矿体的倾角、矿体的形状参数(表1)。

表1 矿体参数

由于矿区内地质构造不发育，矿体开采过程中未遇见地下水，表层碎石土层仅有2m，下伏岩层均为闪长岩和灰岩，地层单一，该区域的采空区影响范围的计算可以采用式(1)的方法确定。

矿体上覆层均为闪长岩和奥陶系灰岩，属于中硬岩，在该区域内较为完整，节理裂隙不发育，根据室内试验参数和《工程地质手册》中的经验参数，取地层岩性影响系数d=1.5，岩体似内摩擦角φ=40°，采用上述三种计算方法分别计算出岩层破裂角(表2)。

表2 岩层破裂角θ(°)

表2中三种方法计算的岩层破裂角位于60°～75°之间，结合邯郸武安地区的工程实践，确定岩层破裂角θ=63°。

利用式(1)可以计算出采空区影响半径R(表3)。

根据地质勘探平面图和矿体平面投影图，把6个矿体的影响范围标示在图上，再依据每个矿体采空区的影响范围圈出最终整个矿区的采空区预测影响范围(图2)。

从图2中可以看出，各采空区位于不同的深度，形状尺寸各异，形成的影响范围也不同。3号采空区最靠近村庄，对白鹿寺村影响最大，经过计算，其形成的采空区影响范围边界远离村庄，对村庄没有影响。6个采空区最终形成的影响范围边界如图外围弧线所示，最南端距离村庄最近的房屋147m，不会对村庄产生影响。

表3 采空区影响半径R(m)

图2 采空区影响范围示意图

3.2 数值计算法确定影响范围

3.2.1 地层模型及参数

本次计算选取距离白鹿寺村最近的3号矿体采空区进行计算。根据现有的地质资料可知，本矿区地层主要以闪长岩为主，闪长岩为成矿母岩，奥陶系灰岩分布于矿区四周并被闪长岩所围限，而深部呈捕虏体存在于岩体中，表层为坡积的碎石土层。

参照以往的地质勘探资料，同时在现场实际取样进行实验室试验，结合地层岩体的完整程度和区域类似工程经验，对实验室取得的岩体参数进行折减采用，计算参数如表4所示[1]。

表4 数值计算岩石力学参数

3.2.2 开采应力变化分析

从图3中可以看出，该剖面上共有五个小矿体采空区，呈带状及透镜体存在，开采规模和范围均不大。在开采过程中，地层中的应力平衡将被破坏，随着时间的推移，岩层经过一系列复杂的变形，会形成新的应力平衡。

在没有开采之前，地层应力分布从上到下依次增大，与地层厚度成正比关系，只是在地层界线附近出现了应力变化区。这时地层中的应力主要是自重应力，自重应力与地层厚度和岩体容重成正比，符合一般地应力场分布规律(图4)。

图3 矿区地层模型

图4 未开采时地层应力分布图

在矿体开采时，地层中的应力平衡被破坏，开采结束后，地层应力重新达到了平衡状态。由图4可以看出，地层应力出现了拉应力区和压应力区。拉应力区出现在地表的碎石土层中，形成的拉应力已经使得破坏了碎石土的结构。这是因为地下形成了采空区，必然使得上层的岩层在自重应力的作用下有下降的趋势，形成了向下的拉应力，而碎石土层抗拉强度很低，不足以抵抗形成的拉应力，导致了碎石土层结构的破坏。在较大的采空区上部和下部形成了较低的压应力区，这是由于采空区造成了地层应力释放，减小了上部和下部的应力，在采空区的两端形成了应力集中区，其中最大主应力σ1方向基本上为洞周的切向方向，从洞体表面向岩体内，应力逐渐增大，这与我们现有的认识是一致的。地层形成应力的大小与采空区的形状、大小、工作面推进速度有关，也和矿层的埋深、厚度、倾角有关，从图5中可以看出，最大的采空区上部岩层从上到下应力均很小，地表形成了拉应力区，说明该采空区上覆岩层出现了较大规模的位移，应力得以释放，随着时间的推移，该区域采空区上覆岩层会出现坍塌，地表会形成塌陷坑，对地表影响较大。剩余四个小采空区的由于上覆岩层厚度大，强度较高，应力变化没有影响到地表，所以对地表没有影响。

3.2.3 确定采空区影响范围

《煤矿测量规程》中规定：煤矿地表位移超过50mm时，应该加密观测。《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中规定：砖混结构建筑物轻度损坏，小修即可恢复，其地表倾斜小于6mm/m，一般的砖混结构跨度不超过10m，地表的垂直沉降要小于60mm。综合参照上述规范要求，结合矿区特点，确定采空区地表沉降50mm范围为采空区影响范围，会对区域内的建筑物造成损伤和影响[2-5]。

在图6上明显的能看到，地表移动盆地形成了三个区：中间区(黑色区域)，内边缘区(灰色区域)，外边缘区(浅灰色区域)。地表总沉降最大值72mm，位于最大的采空区正上方区域，往两边地表沉降逐渐地减小，地层沉降在垂向上是由地表向地下采空区逐渐减小。

确定地表总沉降为50mm的范围边界，圈出采空区的影响范围，从图上可以看出，最大的采空区影响半径为166.7m，3号采空区影响范围为112.9m，数值计算的结果与解析法的结果一致，这是由于该地区的地层简单，区域内无断裂构造，岩层参数确定准确，影响采空区影响范围的因素简单，如果区域工

程地质、水文地质条件复杂时，简化的计算方法将不适用，可能和最终的结果有较大的误差，必须应用数值模拟计算方法，综合考虑各影响因素的作用，综合做出评估。