“三下”开采对古长城保护方案研究

2018-06-27姜桂鹏杨桂涛刘新刚

世界有色金属 2018年7期

姜桂鹏，杨桂涛，刘新刚

（甘肃省合作早子沟金矿有限责任公司，甘肃合作 747000）

20世纪90年代我国采矿业热潮兴起，个体民营企业泛滥，无序乱采现象严重，对古建筑、安全、环境等均不重视，造成采空区不处理、安全矿柱不规范、资源浪费、环境污染等各种严重问题。尤其对于古长城下方矿产资源的开发，缺少直接利益相关主体，民采私采个体户没有任何对古长城的保护措施，对古文物造成严重威胁。

本文以河北省某地下开采钼矿山，研究矿山开采时地表古长城保护方案。

1 项目概况

1.1 开采现状

上世纪九十年代，该区采矿热潮兴起，大都为个人或集体无序、无证开采，最多时达数十家，至2007年以前由十个民营企业采矿权人分别独立开采，不同的采区有交叉区域，有上下重叠同时开采区域，矿区上部地表建有明长城，在民采中未见有采取保护长城的措施。

涞源县境内长城建于明万历元年至四年，东起大庄苦壮石西，止于南马庄香炉石，全长130km，共有敌楼265座，城堡6座，大部分保存完整。1982年涞源县长城被河北省政府列为省级重点文物保护单位，2001年乌龙沟段长城被国务院列为全国重点文物保护单位[1]。

本矿区内长城位置及长城与矿体的相关关系示意图如图1所示。

1.2 矿区主要构造

矿区为一断块构造，矿区内褶皱、断层等形变构造，包体、顶垂体等侵入接触构造发育，其中顶垂体构造是控岩控矿构造。

顶垂体位于断块中南部，由五台群片麻岩、高于庄组、雾迷山组白云岩组成。南北长3.5km，东西宽1km～2km，面积4.6km2，总体形态为向中间变厚的船形体，为矿区基本控矿构造。主要断层统计见表1。

图1 长城与矿体位置相对关系图

1.3 矿岩体特征

矿体与围岩及夹石局部界线分明，一般靠化学分析确定。夹石分布与矿体产状基本一致，形态随矿体类型不同而异。

斑岩钼矿体围岩及夹石：顶板为矽卡岩锌钼矿体或蛇纹石、透辉石矽卡岩，底板为花岗岩、白岗岩或流纹斑岩，夹石为流纹斑岩[2]。

矽卡岩锌、钼矿体围岩及夹石：主矿体一般以透辉石矽卡岩、透辉透闪石矽卡岩、硅镁石矽卡岩为夹石，以蛇纹石化白云岩或矽卡岩为顶板，以透辉石矽卡岩、流纹斑岩或斑岩钼矿体为底板。小矿体的围岩多为蛇纹石化、铁锰碳酸盐化或大理岩化白云岩[3]。

片麻岩钼矿体围岩及夹石：底板主要为花岗岩、片麻岩，局部白岗岩。夹石均为片麻岩，多位于矿头呈楔形尖灭。顶板在23线以南为斑岩钼矿体，向北为蛇纹石化白云岩，至25线为黑云母化片麻岩。

表1 矿区断裂构造调查统计表

1.4 矿岩物理力学性质

通过岩石力学试验研究，获得矿体围岩的抗压强度指标，试验结果见表2。

表2 矿体围岩抗压强度指标

从岩石单轴抗压强度指标可以看出，除部分片麻岩和矿体外，一般岩石抗压强度大，稳定性较好，有利于矿山开采过程中岩体工程的开挖和稳定维护工作。同时，稳定的岩石、岩体条件对地表构、建筑物的安全也是十分重要的因素。

2 长城保护原则

根据河北省政府《关于进一步加强长城保护管理工作的通知》的精神，以及《中华人民共和国文物保护法》、《长城保护条例》等有关的法律、法规，涞源县政府对境内长城保护制定了相关保护原则，其中与地下矿山资源开采相关内容包括：

（1）长城（包括墙体、城堡、关隘、烽火台、敌楼等）两侧各50米为重点保护范围，两侧在各延伸100米为保护控制地带。

（2）严禁在长城保护范围内及控制地带内进行开矿、采石、挖砂、架设安装与长城保护无关的设施设备、开挖药材、搬石捉蝎、圈养牛羊、放牧等生产活动，未经文物管理部门逐级审批，任何单位和个人不得在保护范围和控制地带内审批从事上述活动和修建任何设施[4]。

3 地下采空区上覆岩层稳定性分析

影响采空区顶板稳定的因素很多，内因有顶板厚度及完整程度、空区跨度及形态、岩体强度及产状、裂隙状况及空区充填情况；外因有荷载大小、作用次数和时间、温度、湿度等。近年来，在该领域内的研究取得较大进展，目前已有一些对采空区稳定性分析评价的定量和半定量方法，其核心内容是力学模型、数学模型及计算方法的研究。这些研究成果对了解和掌握地下矿山开采岩石顶板的稳定性及地表塌陷和岩移的预测和评价提供了指导依据，特别是对“三下”开采中地表构、建筑物的安全保护具有现实的指导意义[5]。

3.1 顶板稳定性估算法

采空区失稳垮塌的机制是顶板岩体垮落，矿体在采空后，其顶板岩块abcd因G重力的作用而下沉，两边的楔形体abm和cdn也对其施以水平压力P。因此，在ab和cd两个面上又受到因P 的作用而产生的摩阻力F 的抵抗。力学计算模型如图2所示。

取采空区单位长度为计算单元体，则巷道单位长度顶板压力Q 为：

式中：B 为采空区宽度；γ为上覆岩层的容重；h1为采空区顶板到地表的高度。P为楔形体abm和cdn作用在ab或cd面上的主压应力；φ为岩体内摩擦角。

当P 取其最大值时：

由上式可知，当h1达到某一定深度时，顶板上方岩层恰好能保持平衡而不塌陷，此时Q 值等于零，这时的h1称为临界深度h0：

用临界深度h0（或采空区塌陷高度）可粗略地评价顶板的稳定性。当h1h0时，顶板基本稳定，采空区不会塌陷到地表。

取矿体开采矿房的跨度为15m，岩石内摩擦角为34º，计算得到采空区顶板岩层的临界高度为78.7m。

3.2 采空区上部地基稳定性估算

在采空区上建有构、建筑物时，可按下式近似验算地基的稳定性，设建筑物基底单位压力为R，则作用在采空区顶板上的压力为：

当h1达到一定深度，使得Q=0，即顶板岩层恰好保持自然平衡，此时岩层的临界深度为：

当h1h0时，地基基本稳定。

取矿体开采矿房的跨度为15m，岩石内摩擦角为34º，岩体容重为27KN/m3，地表长城基底荷载按200KPa计算。将上述参数代入式8，计算空区顶板的临界高度为85.5m。

3.3 “三带”理论对顶板稳定性的分析

传统的表征岩层和地表移动理论，常用冒落带、裂隙带、弯曲下沉带来表述。三带发育程度主要取决于采出厚度、采矿方法、开采深度、岩层倾角及岩石性质。金属矿山三带的发育高度没有确切的计算公式，按照煤矿开采的“三带”理论特性：

（1）冒落带：空区顶板岩石在自重作用下产生拉应力而开裂冒落，形成冒落带。在冒落带岩层断裂成块状，岩块之间缝隙大且多，在这一层岩层已完全破坏。该冒落带的形成，可保证上部岩层的移动比较平缓。对于沉积岩顶板，水平和缓倾斜矿体，冒落带高度一般为矿体采出厚度的2～4倍。

（2）裂隙带：在冒落带上面的岩体，随着冒落带岩石的压实而下沉，引起弯曲，弯曲过大就导致岩层发生断裂、错动和离层，岩体的内部结构已不同程度的破坏，这就是裂隙带的特点。裂隙带的高度一般与冒落带相近。裂隙带的岩体分裂成岩块，但不垮落。每个岩块几乎不改变在空间上的位置，岩体非完全松散体，仍具有一定的自承能力。离采空区越远，弯曲越小，裂缝也越小。

（3）弯曲下沉带：在裂隙带之上，岩体通常不破裂而只发生弯曲变形。在弯曲带岩层基本呈整体下沉趋势，破坏轻微，岩体保持自身的完整性，岩层整体及内部结构未被扰动，其移动过程是连续而有规律的。弯曲带往往达到地表，地表变形过大而开裂形成的裂缝，通常在一定的深度闭合，这与裂缝带达到地表的情况在本质上是不同的。松散可塑性的岩石，弯曲很大而不破坏。坚硬岩石也会发生一定限度的弯曲。

冒落带、裂隙带的高度主要与煤层采厚、矿体倾角、覆岩岩性、顶板管理方法等因素有关，根据45个矿山开采的观测结果统计得出，在矿体倾角小于55º的情况下，冒落带高度Hm计算的经验公式为：

表3 冒落带高度计算的经验公式

当煤层倾角大于55º时，，式中Hl为裂隙带高度。

裂隙带高度计算，根据我国27个煤矿200余个钻孔实测资料的统计结果，得出在正常地质构造和充分采动的条件下，矿体倾角小于55º的情况下，计算不同岩体裂隙带最大高度的经验公式见表4。

表4 裂隙带高度计算经验公式

表中：M 为矿体的法线厚度；h为开采垂高。

依据经验公式，按照单中段40m高度采空区计算，空区顶板冒落高度为37.5m～42.5m，裂隙带高度为80m左右。

按照以上不同方法的分析，当矿体采用空场法开采，且回采后对采空区不采取处理措施的话，采空区顶板上方不稳定岩层的厚度至少达到80m，甚至其上120m处的岩层也会出现断裂、离层等破坏现象，因此对于存在需要保护的地表构、建筑物时，需选用合理的采矿方法和采取必要的空区处理措施。

4 长城下采空区充填处理保护措施

由于该矿区已进行了数年的民采活动，形成大量空区。开采范围为1300m、1090m两个水平中段，地表长城标高为1400m左右，最低处海拔标高约为1360m，距上部开采中段水平的底标高仅60m左右。本次研究对古长城采取如下处理方案：

（1）1300m以上矿体停止开采，资源整合后，该中段以上矿体不作为可回采资源。对遗留的采空区实施胶结充填处理，保证在1300m水平和长城之间形成一个稳固的坚实顶板。充填范围不小于岩体的滑移圈范围，以岩体移动角65º计，充填范围分别为不小于长城外墙侧壁128m，即在长城底部采空区最小充填跨度不小于276m（长城自身宽度按20m计）。充填范围简图如图2所示。

（2）1090m水平已采空区须及早进行充填处理，防止空区顶板出现垮塌。根据图2计算模型，计算求得该中段充填区最小跨度范围为472m。

图2 地下开采岩移示意图

充填法是保证地表建筑安全的最有效的采矿方法，尽管采用充填法不能完全阻止岩体的变形和移动，但可以防止岩层大的变形和变形速率，同时在均匀微量沉降的情况下，地表建筑的安全性不会受到威胁，从而达到保护地表的目的。

5 爆破措施

由于矿体赋存深度较浅，在开采中爆破产生的震动对长城的安全存在不利影响，表5为我国和德国（DIN4150）爆破规程规定的对建筑物的标准。

表5 爆破安全允许振速

一般情况下，爆破频率可参照硐室爆破＜20HE，深孔爆破10HE ~60HE ，浅孔爆破40HE ~100HE 。

从表中可以看出，振速是衡量爆破地震效应大小的基本物理量，同时还考虑了振动频率的作用。参照国内外的相关规定，考虑长城的重要性和社会价值，建议在开采中采用高频的浅孔爆破措施，取安全允许振速不大于0.5cm/s，且减少单孔装药量，降低单孔爆破当量，切实保证古长城的安全。

我国在工程爆破领域也进行了适应各种要求的试验研究工作，1992年长沙矿山研究院针对特殊矿山开采的要求进行了减震爆破的试验研究工作。采用孔内分段装药，孔内、孔外微差爆破方式，进行了震动质点速度的测试。单孔装药量在275kg~350kg时，爆破质点震动速度试验结果为：距爆破中心60m~155m，震速为1.10cm/s~0.03cm/s，中心距离80m~10m，震速为0.62cm/s~0.21cm/s。因此选用单孔装药量≤300kg，距爆破中心≥100m时，该种减震爆破方案完全能够满足对地表古长城的安全保护要求。

6 监测措施

变形监测是掌握监测对象动态变化的有效技术手段之一，通过实时的跟踪监测，可以掌握地表建筑物的变形特征、随时间的变化规律以及地基沉降变形与开采深度、开采方法、围岩性质等因素的相关关系。

目前，较为常用的地表变形监测装置主要有两类：一类是常规监测设备如水准仪、电子经纬仪、全站仪等，另一类是GPS监测系统。

鉴于长城保护的重要社会意义，建议在矿区长城段采用GPS监测系统。监测点应在长城两侧按照矿体分布进行网状布设，分别布置3排地表位移监测点，各排监测点距长城墙体外侧的距离分别为2m、50m、100m，对政府规定的长城保护的控制带范围进行有效监测，距长城墙体2m距离的监测点间距设置为50，其余两排测点间距设置为100m。采用卫星空间定位系统的监测精度达到±3mm，完全能够满足长期变形监测的需要，共布置监测点124个，确保长城的安全保护工作。