段偉強(qiáng)

(華北有色工程勘察院有限公司，河北 石家莊 050021)

礦山采礦分為露天開采和井下開采，井下開采形成的采空區(qū)會(huì)在地表造成地面沉降、塌陷、裂縫等地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重影響采空區(qū)上部及鄰近區(qū)域地表房屋、人員的安全。對(duì)于礦山開采方來(lái)說(shuō)，采空區(qū)影響范圍不能隨意的擴(kuò)大，這樣會(huì)使得開采方開采的礦石量減少，賠償保護(hù)費(fèi)用增加；對(duì)于礦山區(qū)域內(nèi)的村莊來(lái)說(shuō)，采空區(qū)影響范圍不能太小，這樣容易造成財(cái)產(chǎn)損失，威脅村民的人身安全。如何合理有效確定采空區(qū)的影響范圍，保證開采區(qū)域人民安全、財(cái)產(chǎn)不受損失，減少開采方的成本已經(jīng)越來(lái)越受到重視。

1 解析法計(jì)算采空區(qū)影響范圍

1.1 解析法假定條件及計(jì)算公式

采空區(qū)將在地表形成一定的變形和破壞，但變形的大小和發(fā)展延伸會(huì)如何發(fā)生移動(dòng)和變形范圍/程度有多大，這是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，一般做如下的假設(shè)：①上覆巖層、礦體和基巖為均質(zhì)、各向不同性，不考慮巖層和礦體中的結(jié)構(gòu)面，裂隙和軟弱夾層的影響。②不考慮礦體底板基巖受力和變形對(duì)開采范圍的影響。③考慮各采空區(qū)直接在礦體一翼。

滿足上述三個(gè)假設(shè)條件之后，地表移動(dòng)和變形主要集中在開采邊界上方寬度為2R的范圍內(nèi)，主要影響范圍邊界與開采邊界的直線與水平所成的夾角θ有關(guān)。

式中：R為影響半徑(m)；H為上覆巖層厚度(m)；θ為巖層破裂角(°)。

采空區(qū)影響范圍計(jì)算示意圖如圖1所示。

1.2 參數(shù)確定方法

1) 根據(jù)巖性確定。巖層破裂角與巖層的巖性有關(guān)，采空區(qū)上覆巖層的厚度也影響巖層的破裂角[1]。

式中：D為巖性影響系數(shù)；巖性堅(jiān)硬0.7～1.25；中硬1.2～2.0；軟弱：2.0～2.8。

2) 根據(jù)開采方式確定[2]。開采影響傳播角與礦體開采角有關(guān)，實(shí)測(cè)資料表明，開采影響傳播角與礦體開采角有如下關(guān)系。

α<45°時(shí)，θ=90°-0.68α

式中：α為礦體開采角度(°)。

3) 根據(jù)巖石破壞理論[1]。根據(jù)庫(kù)倫-納維爾破壞準(zhǔn)則，可知巖體的剪切破壞面與水平面夾角為

式中φ為巖體內(nèi)摩擦角(°)。

根據(jù)不同的已知條件，可以采用上述三種方法計(jì)算巖體的破裂角，當(dāng)能同時(shí)滿足上述三個(gè)條件時(shí)，在礦區(qū)場(chǎng)地允許的條件下，應(yīng)盡量取三者中的較大值，同時(shí)結(jié)合該區(qū)域的經(jīng)驗(yàn)值，確定采空區(qū)影響范圍，確保礦區(qū)周邊房屋、人員的安全。

圖1 采空區(qū)影響范圍計(jì)算示意圖

2 數(shù)值模擬法

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際中，圍巖受力狀態(tài)千變?nèi)f化，各處的應(yīng)力狀態(tài)都不相同，巖石結(jié)構(gòu)又很復(fù)雜，其強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)性質(zhì)隨著巖性、圍壓、開采方式等條件的不同而發(fā)生變化，人工的解析法很難準(zhǔn)確的對(duì)這些影響因素進(jìn)行計(jì)算。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，各種巖土工程數(shù)值模擬軟件也飛速的發(fā)展，利用這些計(jì)算軟件，可以較好的模擬礦山實(shí)際開采過(guò)程中圍巖受力和位移情況。

3 工程實(shí)踐

河北省武安市安豐鐵礦位于武安市礦山鎮(zhèn)白鹿寺村村南500m處，鐵礦石主要存在于地下200左右的6個(gè)孤立的小盲礦體中。礦區(qū)范圍內(nèi)的地層簡(jiǎn)單，主要為表層的第四系碎石土和下部閃長(zhǎng)巖層，深部鉆孔揭露尚見奧陶系灰?guī)r，灰?guī)r呈補(bǔ)虜體產(chǎn)出，表層碎石土厚約2m。礦區(qū)內(nèi)構(gòu)造不發(fā)育，深部礦體開采過(guò)程中未見地下水。

由于安豐鐵礦距離白鹿寺村較近，采用深部井巷開采形成的采空區(qū)是否影響村莊的安全成為當(dāng)?shù)卣痛迕耜P(guān)心的問(wèn)題。因此，武安市國(guó)土局委托華北有色工程勘察院有限公司進(jìn)行采空區(qū)影響范圍的界定和評(píng)估工作。

3.1 解析法確定影響范圍

根據(jù)鐵礦的勘探資料和井上井下對(duì)照?qǐng)D，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)查工作，確定了6個(gè)礦體覆蓋層的厚度、礦體的傾角、礦體的形狀參數(shù)(表1)。

表1 礦體參數(shù)

由于礦區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造不發(fā)育，礦體開采過(guò)程中未遇見地下水，表層碎石土層僅有2m，下伏巖層均為閃長(zhǎng)巖和灰?guī)r，地層單一，該區(qū)域的采空區(qū)影響范圍的計(jì)算可以采用式(1)的方法確定。

礦體上覆層均為閃長(zhǎng)巖和奧陶系灰?guī)r，屬于中硬巖，在該區(qū)域內(nèi)較為完整，節(jié)理裂隙不發(fā)育，根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)參數(shù)和《工程地質(zhì)手冊(cè)》中的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，取地層巖性影響系數(shù)d=1.5，巖體似內(nèi)摩擦角φ=40°，采用上述三種計(jì)算方法分別計(jì)算出巖層破裂角(表2)。

表2 巖層破裂角θ(°)

表2中三種方法計(jì)算的巖層破裂角位于60°～75°之間，結(jié)合邯鄲武安地區(qū)的工程實(shí)踐，確定巖層破裂角θ=63°。

利用式(1)可以計(jì)算出采空區(qū)影響半徑R(表3)。

根據(jù)地質(zhì)勘探平面圖和礦體平面投影圖，把6個(gè)礦體的影響范圍標(biāo)示在圖上，再依據(jù)每個(gè)礦體采空區(qū)的影響范圍圈出最終整個(gè)礦區(qū)的采空區(qū)預(yù)測(cè)影響范圍(圖2)。

從圖2中可以看出，各采空區(qū)位于不同的深度，形狀尺寸各異，形成的影響范圍也不同。3號(hào)采空區(qū)最靠近村莊，對(duì)白鹿寺村影響最大，經(jīng)過(guò)計(jì)算，其形成的采空區(qū)影響范圍邊界遠(yuǎn)離村莊，對(duì)村莊沒(méi)有影響。6個(gè)采空區(qū)最終形成的影響范圍邊界如圖外圍弧線所示，最南端距離村莊最近的房屋147m，不會(huì)對(duì)村莊產(chǎn)生影響。

表3 采空區(qū)影響半徑R(m)

圖2 采空區(qū)影響范圍示意圖

3.2 數(shù)值計(jì)算法確定影響范圍

3.2.1 地層模型及參數(shù)

本次計(jì)算選取距離白鹿寺村最近的3號(hào)礦體采空區(qū)進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)現(xiàn)有的地質(zhì)資料可知，本礦區(qū)地層主要以閃長(zhǎng)巖為主，閃長(zhǎng)巖為成礦母巖，奧陶系灰?guī)r分布于礦區(qū)四周并被閃長(zhǎng)巖所圍限，而深部呈捕虜體存在于巖體中，表層為坡積的碎石土層。

參照以往的地質(zhì)勘探資料，同時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際取樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，結(jié)合地層巖體的完整程度和區(qū)域類似工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)室取得的巖體參數(shù)進(jìn)行折減采用，計(jì)算參數(shù)如表4所示[1]。

表4 數(shù)值計(jì)算巖石力學(xué)參數(shù)

3.2.2 開采應(yīng)力變化分析

從圖3中可以看出，該剖面上共有五個(gè)小礦體采空區(qū)，呈帶狀及透鏡體存在，開采規(guī)模和范圍均不大。在開采過(guò)程中，地層中的應(yīng)力平衡將被破壞，隨著時(shí)間的推移，巖層經(jīng)過(guò)一系列復(fù)雜的變形，會(huì)形成新的應(yīng)力平衡。

在沒(méi)有開采之前，地層應(yīng)力分布從上到下依次增大，與地層厚度成正比關(guān)系，只是在地層界線附近出現(xiàn)了應(yīng)力變化區(qū)。這時(shí)地層中的應(yīng)力主要是自重應(yīng)力，自重應(yīng)力與地層厚度和巖體容重成正比，符合一般地應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律(圖4)。

圖3 礦區(qū)地層模型

圖4 未開采時(shí)地層應(yīng)力分布圖

在礦體開采時(shí)，地層中的應(yīng)力平衡被破壞，開采結(jié)束后，地層應(yīng)力重新達(dá)到了平衡狀態(tài)。由圖4可以看出，地層應(yīng)力出現(xiàn)了拉應(yīng)力區(qū)和壓應(yīng)力區(qū)。拉應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)在地表的碎石土層中，形成的拉應(yīng)力已經(jīng)使得破壞了碎石土的結(jié)構(gòu)。這是因?yàn)榈叵滦纬闪瞬煽諈^(qū)，必然使得上層的巖層在自重應(yīng)力的作用下有下降的趨勢(shì)，形成了向下的拉應(yīng)力，而碎石土層抗拉強(qiáng)度很低，不足以抵抗形成的拉應(yīng)力，導(dǎo)致了碎石土層結(jié)構(gòu)的破壞。在較大的采空區(qū)上部和下部形成了較低的壓應(yīng)力區(qū)，這是由于采空區(qū)造成了地層應(yīng)力釋放，減小了上部和下部的應(yīng)力，在采空區(qū)的兩端形成了應(yīng)力集中區(qū)，其中最大主應(yīng)力σ1方向基本上為洞周的切向方向，從洞體表面向巖體內(nèi)，應(yīng)力逐漸增大，這與我們現(xiàn)有的認(rèn)識(shí)是一致的。地層形成應(yīng)力的大小與采空區(qū)的形狀、大小、工作面推進(jìn)速度有關(guān)，也和礦層的埋深、厚度、傾角有關(guān)，從圖5中可以看出，最大的采空區(qū)上部巖層從上到下應(yīng)力均很小，地表形成了拉應(yīng)力區(qū)，說(shuō)明該采空區(qū)上覆巖層出現(xiàn)了較大規(guī)模的位移，應(yīng)力得以釋放，隨著時(shí)間的推移，該區(qū)域采空區(qū)上覆巖層會(huì)出現(xiàn)坍塌，地表會(huì)形成塌陷坑，對(duì)地表影響較大。剩余四個(gè)小采空區(qū)的由于上覆巖層厚度大，強(qiáng)度較高，應(yīng)力變化沒(méi)有影響到地表，所以對(duì)地表沒(méi)有影響。

3.2.3 確定采空區(qū)影響范圍

《煤礦測(cè)量規(guī)程》中規(guī)定：煤礦地表位移超過(guò)50mm時(shí)，應(yīng)該加密觀測(cè)?！督ㄖ铩⑺w、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》中規(guī)定：磚混結(jié)構(gòu)建筑物輕度損壞，小修即可恢復(fù)，其地表傾斜小于6mm/m，一般的磚混結(jié)構(gòu)跨度不超過(guò)10m，地表的垂直沉降要小于60mm。綜合參照上述規(guī)范要求，結(jié)合礦區(qū)特點(diǎn)，確定采空區(qū)地表沉降50mm范圍為采空區(qū)影響范圍，會(huì)對(duì)區(qū)域內(nèi)的建筑物造成損傷和影響[2-5]。

在圖6上明顯的能看到，地表移動(dòng)盆地形成了三個(gè)區(qū)：中間區(qū)(黑色區(qū)域)，內(nèi)邊緣區(qū)(灰色區(qū)域)，外邊緣區(qū)(淺灰色區(qū)域)。地表總沉降最大值72mm，位于最大的采空區(qū)正上方區(qū)域，往兩邊地表沉降逐漸地減小，地層沉降在垂向上是由地表向地下采空區(qū)逐漸減小。

確定地表總沉降為50mm的范圍邊界，圈出采空區(qū)的影響范圍，從圖上可以看出，最大的采空區(qū)影響半徑為166.7m，3號(hào)采空區(qū)影響范圍為112.9m，數(shù)值計(jì)算的結(jié)果與解析法的結(jié)果一致，這是由于該地區(qū)的地層簡(jiǎn)單，區(qū)域內(nèi)無(wú)斷裂構(gòu)造，巖層參數(shù)確定準(zhǔn)確，影響采空區(qū)影響范圍的因素簡(jiǎn)單，如果區(qū)域工

程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件復(fù)雜時(shí)，簡(jiǎn)化的計(jì)算方法將不適用，可能和最終的結(jié)果有較大的誤差，必須應(yīng)用數(shù)值模擬計(jì)算方法，綜合考慮各影響因素的作用，綜合做出評(píng)估。

圖5 采空區(qū)地層應(yīng)力分布圖

圖6 總沉降位移圖

4 小結(jié)

本文通過(guò)實(shí)際的工程案例，對(duì)采空區(qū)影響范圍的確定方法進(jìn)行了分析研究，得出以下結(jié)論。

1) 采空區(qū)影響范圍大小與礦層形態(tài)、巖石巖性、大地構(gòu)造和開采方法有關(guān)。

2) 通過(guò)假設(shè)計(jì)算條件，簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，合理確定計(jì)算參數(shù)，提出了一種比較簡(jiǎn)單的影響范圍確定方法，為快速估算影響范圍奠定基礎(chǔ)。

3) 利用數(shù)值計(jì)算軟件，驗(yàn)證了簡(jiǎn)化計(jì)算方法的正確性和適用范圍。

[1]常士驃，張?zhí)K民.工程地質(zhì)手冊(cè)[M].第4版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2006.

[2]金連生、牟金鎖.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱與壓煤采礦規(guī)程[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2000.

[3]煤礦測(cè)量規(guī)程(2011版)(中國(guó))[S].2011.

[4]JGJ8-2007，建筑變形測(cè)量規(guī)范(中國(guó))[S].2007.

[5]GB50007-2012，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范(中國(guó))[S].2012.