張士虎

(湖北省地質(zhì)調(diào)查院，湖北武漢 430034)

0 引言

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，每年都有大量高速公路、鐵路、水庫(kù)、機(jī)場(chǎng)、高壓輸電線路、高層樓宇等建設(shè)工程項(xiàng)目需要設(shè)計(jì)和開工建設(shè)，這些工程相當(dāng)一部分位于礦產(chǎn)資源分布區(qū)，因而涉及到工程壓覆礦產(chǎn)資源的問(wèn)題。同時(shí)，礦產(chǎn)資源開采后，工程下方和周緣地帶將出現(xiàn)采空區(qū)，給工程的安全帶來(lái)一定隱患。因此，為了保證工程在建設(shè)中和建成后的安全，就要對(duì)工程項(xiàng)目進(jìn)行壓覆礦產(chǎn)資源的評(píng)價(jià);如果工程項(xiàng)目建成后所發(fā)揮的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益超過(guò)被壓覆礦產(chǎn)資源的價(jià)值，就需要對(duì)被壓覆礦產(chǎn)資源進(jìn)行估算。估算的準(zhǔn)則是以工程的安全為前提、以壓覆的礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量最少為原則。本文試圖引入“巖層移動(dòng)角”這個(gè)概念，根據(jù)不同礦床，選擇合適的巖層移動(dòng)角，進(jìn)而合理確定工程項(xiàng)目在平面方向和垂線方向上的壓覆范圍，進(jìn)行建設(shè)項(xiàng)目壓覆礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量的估算，從而對(duì)建設(shè)工程壓覆的礦產(chǎn)資源進(jìn)行合理的評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)保護(hù)礦產(chǎn)資源和工程建設(shè)項(xiàng)目安全的目的。

1 巖層移動(dòng)角的概念及影響因素

1.1 巖層移動(dòng)角的概念

地下礦產(chǎn)的開采，因采空區(qū)的形成必然要引起礦體周圍巖層及地表巖層的移動(dòng)和變形。巖層移動(dòng)是在采空區(qū)中，因地應(yīng)力的瞬間釋放而引起采空區(qū)周圍直至地表的巖層發(fā)生移動(dòng)、變形和破壞的現(xiàn)象與過(guò)程。巖層移動(dòng)波及到地表謂之地表移動(dòng)，采空區(qū)上方塌陷波及到地表可形成地表移動(dòng)盆地(又稱地表塌陷盆地)。移動(dòng)盆地主要表現(xiàn)形式為地表下沉、傾斜、水平變形與移動(dòng)。移動(dòng)盆地的大小與采礦方法、礦體厚度、礦體埋深以及地表荷載、積水等有關(guān)。當(dāng)?shù)乇碜畲笙鲁林挡辉匐S著采空區(qū)的增大而增加時(shí)，稱為充分采動(dòng)。移動(dòng)角則是在充分或者接近充分采動(dòng)的條件下，移動(dòng)盆地主斷面上，地表最外的臨界變形點(diǎn)和采空區(qū)邊界點(diǎn)連線與水平線在礦體一側(cè)的夾角。移動(dòng)角按類別可分為:沿礦體走向方向移動(dòng)角δ、沿下山方向(運(yùn)輸大巷向下方向)移動(dòng)角β、沿上山方向(運(yùn)輸大巷向上方向)移動(dòng)角γ，以及急傾斜礦體底板移動(dòng)角λ等。

1.2 巖石抗壓強(qiáng)度的影響

礦體覆巖(圍巖)的抗壓強(qiáng)度(堅(jiān)硬程度)是影響巖層移動(dòng)角大小的重要因素。礦體覆巖(圍巖)大致可以分為三類［1］:①堅(jiān)硬巖石類，如砂巖、碳酸鹽巖、中酸性花崗—閃長(zhǎng)巖類、鐵礦石、硅石、基性輝綠巖等，單向抗壓強(qiáng)度一般＞60 MPa;②中等硬巖類，如裂隙發(fā)育的較堅(jiān)硬的砂巖與碳酸鹽巖、鐵礦石，單向抗壓強(qiáng)度一般30～60 MPa;③軟弱巖土類，如裂隙發(fā)育的頁(yè)巖、煤層、泥灰?guī)r、黃土、砂質(zhì)粘土等，單向抗壓強(qiáng)度多 ＜30 MPa。一般來(lái)講，礦體上覆巖層較堅(jiān)硬的，巖層移動(dòng)角大;上覆巖層較軟弱的，巖層移動(dòng)角小，可導(dǎo)致地表塌陷的范圍也就大［2］。

1.3 開采深度的影響

根據(jù)一些大、中型礦區(qū)的地表移動(dòng)、變形的實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)，礦體的開采深度與地表的移動(dòng)、變形呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即開采深度愈大，地表的變形量就愈小，亦即移動(dòng)角就愈大。據(jù)朱劉娟等人研究，開采深度增大至500～1 100 m，走向方向與下山方向的移動(dòng)角，比埋藏較淺(350 m以內(nèi))的礦體，其移動(dòng)角可普遍增大3°～7°。

1.4 礦體厚度的影響

礦體厚度與地表的移動(dòng)變形量呈正相關(guān)關(guān)系，即礦體厚度愈大，則開采后形成的采空區(qū)愈大，其采空區(qū)上方一旦塌陷并波及到地表后，在地表形成的移動(dòng)盆地就愈寬，變形量就增大，形成的巖層移動(dòng)角變小。

2 巖層移動(dòng)角的參數(shù)值

2.1 礦體埋深＜500m的礦區(qū)巖層移動(dòng)角一般參數(shù)值

據(jù)中國(guó)20余個(gè)大—中型煤礦區(qū)200多組地表移動(dòng)、變形數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，當(dāng)?shù)V體底部埋深在350 m以內(nèi)、礦體傾角α＜50°、礦體圍巖為堅(jiān)硬巖層時(shí)，沿走向方向的移動(dòng)角δ與上山方向(運(yùn)輸大巷向上方向)的移動(dòng)角γ為75°～80°，下山方向(運(yùn)輸大巷向下方向)的移動(dòng)角β一般為礦體傾角α的函數(shù)，即β=δ－k×α(k的系數(shù)一般取0.7～0.8)。當(dāng)?shù)V體圍巖為中硬巖層時(shí)，沿走向方向的移動(dòng)角δ與上山方向的移動(dòng)角γ為70°～75°，下山方向的移動(dòng)角為 β=δ－(0.6～0.7)×α。當(dāng)?shù)V體圍巖為較軟弱的巖層時(shí)，沿走向方向的移動(dòng)角δ與上山方向的移動(dòng)角γ為60°～70°，下山方向的移動(dòng)角為 β=δ－(0.3～0.5)×α。

依據(jù)巖石的抗壓強(qiáng)度、礦體埋深、礦體傾角，并根據(jù)有關(guān)規(guī)范，現(xiàn)將礦體埋深在350 m以內(nèi)、礦體傾角＜50°的條件下的巖層移動(dòng)角列于表1中，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需根據(jù)各礦區(qū)的巖石堅(jiān)硬程度等礦床地質(zhì)條件進(jìn)行綜合判定。

對(duì)于礦體埋深在350～500 m、傾角＞60°的礦體，選擇移動(dòng)角時(shí)可以參考。

表1 按圍巖抗壓強(qiáng)度劃分的地表移動(dòng)一般參數(shù)綜合表Table 1 Comprehensive table of general parameters

2.2 礦體埋深＞500m的礦區(qū)巖層移動(dòng)角一般參數(shù)值

礦體埋深以及開采深度＞500 m的礦區(qū)，其巖層移動(dòng)角的變化特點(diǎn)，相關(guān)規(guī)程與技術(shù)規(guī)范目前尚無(wú)明確的統(tǒng)計(jì)結(jié)論。朱劉娟、陳俊杰等在詳細(xì)研究了煤礦區(qū)深部開采條件下，巖層在走向方向上與傾向方向上的移動(dòng)、變化后發(fā)現(xiàn):開采深度愈大，地表巖層的移動(dòng)、變形愈小，即巖層的移動(dòng)角愈大，并給出了下列移動(dòng)角參數(shù)值(表2)，這些參數(shù)可作為在進(jìn)行壓覆礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)時(shí)移動(dòng)角取值的參考。

表2中數(shù)據(jù)僅適用于礦體傾角在30°～60°的礦區(qū)。對(duì)于礦體傾角＜30°的礦區(qū)，在選擇移動(dòng)角參數(shù)值時(shí)可酌情減小2°～7°;對(duì)于礦體傾角＞60°的礦區(qū)，在選擇移動(dòng)角參數(shù)值時(shí)可酌情增大1°～5°。

2.3 松散層移動(dòng)角一般參數(shù)值

第四紀(jì)松散沉積層中的移動(dòng)角一般較小(表1)。當(dāng)含水較強(qiáng)、厚度＜40 m時(shí)，移動(dòng)角可采用40°～45°;當(dāng)松散層含水弱、厚度＞40 m時(shí)，由于其沉積層硬度、密實(shí)度較高，移動(dòng)角可采用45°～50°。

表2 不同開采深度下基巖移動(dòng)角參數(shù)表Table 2 Parameter list of displacement angle of bed rock in differentmining depth

表1、表2是由20余個(gè)礦區(qū)200余組觀測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)計(jì)算、驗(yàn)證獲得的礦體在不同地質(zhì)條件下的巖層移動(dòng)角參數(shù)值。工程建設(shè)項(xiàng)目在預(yù)可行研究階段遇到采空區(qū)時(shí)，常采用避讓的辦法予以繞行。在進(jìn)行建設(shè)項(xiàng)目的壓覆評(píng)價(jià)時(shí)，一般都是對(duì)未開采的礦區(qū)進(jìn)行壓覆資源儲(chǔ)量的估算，故都沒(méi)有巖層移動(dòng)、變形的觀測(cè)數(shù)據(jù)。因此，對(duì)被壓覆礦區(qū)的移動(dòng)角參數(shù)的取值，可按“類比法”原則，根據(jù)表1、表2中列出的參數(shù)，結(jié)合被壓覆礦區(qū)具體的礦床地質(zhì)條件如礦體傾角、圍巖抗壓強(qiáng)度等合理地選定。

3 壓覆范圍確定及實(shí)例

3.1 工程保護(hù)范圍的確定

工程的保護(hù)范圍是指工程本身用地范圍的邊界向外一定寬度內(nèi)不允許采礦的范圍。已經(jīng)發(fā)布實(shí)施的關(guān)于各類工程的管理、保護(hù)的法規(guī)、條例等，基本都明確規(guī)定了工程的保護(hù)范圍。這是確定每一個(gè)工程項(xiàng)目壓覆礦產(chǎn)資源范圍的主要依據(jù)，必須嚴(yán)格遵守。比如在《公路安全保護(hù)條例》中明確規(guī)定公路工程用地外緣起向外100 m。再如水利樞紐工程，在《湖北省水庫(kù)管理辦法》中，其保護(hù)范圍規(guī)定為主壩兩端各200 m、禁腳地以外100 m等。

此外，有的工程類型可能同時(shí)受到2部以上法規(guī)的約束。例如在《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》中，高速公路的保護(hù)范圍(也稱:圍護(hù)帶)寬度規(guī)定為20 m，但在前述的《公路安全保護(hù)條例》中，保護(hù)范圍為公路用地外緣起向外100 m。對(duì)于這些不同的規(guī)定，應(yīng)依據(jù)取“最大值”的原則，取100 m為其保護(hù)范圍，而不必用《公路安全保護(hù)條例》中規(guī)定的100 m寬度，再加上《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》中規(guī)定的20 m寬度，作為公路工程的保護(hù)范圍。因?yàn)?00 m寬的保護(hù)范圍已經(jīng)超出了后者煤礦開采要求的在工程周圍設(shè)立“20 m圍護(hù)帶”的標(biāo)準(zhǔn)。另?yè)?jù)付寶祥研究，當(dāng)煤礦體傾角23°、埋深在153m時(shí)，依據(jù)移動(dòng)角計(jì)算，省級(jí)公路中心線兩側(cè)沿礦體傾斜方向的保護(hù)范圍水平寬度為94(沿礦體傾斜方向向下方向、上山方向)～97 m(沿礦體傾斜方向向上方向、下山方向)［3］。說(shuō)明依據(jù)取“最大值”原則，采用100m的保護(hù)范圍是適宜的，可最大限度地減少壓覆的資源儲(chǔ)量，同時(shí)也可保證公路工程的安全。

3.2 工程壓覆范圍的確定

工程的壓覆范圍是在估算壓覆資源儲(chǔ)量時(shí)的平面計(jì)算范圍，它一般大于保護(hù)范圍的寬度。

對(duì)于保護(hù)范圍寬度＜200 m的工程，應(yīng)運(yùn)用巖層移動(dòng)角來(lái)計(jì)算工程項(xiàng)目在平面上的壓覆寬度，以增大工程在平面上的保護(hù)范圍寬度。在這個(gè)寬度之下，礦體作為保安礦柱永久保留下來(lái)，不被開采，以防止工程下方出現(xiàn)采空區(qū)時(shí)對(duì)工程帶來(lái)的危害。

壓覆寬度常用作圖法—垂直剖面法來(lái)確定，即先作出工程沿礦體傾向方向和沿走向方向上的剖面圖，根據(jù)剖面上的水平寬度，再作出工程在平面上的壓覆寬度和長(zhǎng)度的平面圖，這就獲取了工程壓覆資源儲(chǔ)量在平面上的具體計(jì)算范圍;壓覆深度的確定，在剖面圖中，由礦體的埋深或者開采深度來(lái)確定。

對(duì)于保護(hù)范圍寬度＞200 m的工程(指工程占地范圍的外側(cè))，加上工程占地面積的寬度要＞400 m，其保護(hù)范圍已經(jīng)足夠?qū)捔?，故可不必用巖層移動(dòng)角的方法再來(lái)計(jì)算壓覆寬度，可直接用保護(hù)范圍與工程占地面積的總寬度代替壓覆寬度。

3.3 實(shí)例

3.3.1 礦體上方工程壓覆范圍的確定

圖1 鐵礦體上方G151號(hào)鐵塔壓覆寬度示意圖Fig.1 Schematic diagram of overburden pressure width about No.G151

五峰—巴東500 kV輸電線路工程穿越五峰縣龍角壩鐵礦區(qū)，G151號(hào)鐵塔位于泥盆紀(jì)寫經(jīng)寺組的鮞狀磁鐵礦層之上(圖1)。鐵塔底部塔基長(zhǎng)、寬各為15 m，塔基四周的保護(hù)范圍(寬度)為20 m。塔基外緣與礦體走向基本平行，鐵礦體傾角α=18°～25°，礦體在塔基下埋深約80 m(圖1，A－B沿傾斜方向剖面圖)，礦體圍巖為弱風(fēng)化的砂質(zhì)頁(yè)巖、泥質(zhì)灰?guī)r，巖石抗壓強(qiáng)度35～40 MPa，屬較堅(jiān)硬類型。根據(jù)前述表1中的移動(dòng)角參數(shù)，取γ=δ=70°，β=δ－kα=70－(0.6×20)=58°;依據(jù)塔基占地范圍及向外的保護(hù)總寬度55 m(塔基寬度15 m，塔基兩側(cè)的保護(hù)寬度各為20 m)、地形高度、礦體埋深、礦體傾角(取最大傾角25°)、上山移動(dòng)角γ和下山移動(dòng)角β數(shù)據(jù)，作A－B沿礦體傾斜方向剖面圖，得移動(dòng)角與礦體的m、n兩個(gè)交點(diǎn)(m、n點(diǎn)為計(jì)算壓覆資源儲(chǔ)量的垂直深度)，在圖中可求出交點(diǎn)m、n間的水平寬度為121 m(圖1，A－B沿傾斜方向剖面圖);再依據(jù)塔基中心點(diǎn)向外的保護(hù)總寬度、地形高度、礦體埋深和沿礦體走向方向移動(dòng)角δ數(shù)據(jù)，作CD沿礦體走向方向剖面圖(圖1，C－D沿走向方向剖面圖)，連接與圖1內(nèi)A－B剖面中的m及n點(diǎn)(作水平連線)，得 e、f、h、g四個(gè)交點(diǎn);最后將塔基建筑區(qū)占地面積加保護(hù)范圍(寬度)作一四邊形(圖1，右側(cè)平面圖)，按 C －D 剖面圖中 e、f、h、g四個(gè)點(diǎn)的實(shí)際間距，作鐵塔壓覆范圍平面圖，求得的圖形為一梯形。圖1右圖中，其走向方向水平寬度為96(e－f間寬度)～140 m(h－g間寬度)，傾向方向水平寬為64 m+57 m=121 m(A－B點(diǎn)間寬度，即m－n點(diǎn)間寬度)。依據(jù)這一平面梯形面積及m、n點(diǎn)的壓覆深度，即可計(jì)算出被G151號(hào)輸電鐵塔壓覆的鐵礦資源儲(chǔ)量。

圖中h－g點(diǎn)間的寬度比f(wàn)－e點(diǎn)間的寬度要大，這是由于hg一線位于礦體的傾向方向，且礦體在該部位(m點(diǎn))埋深為最大的緣故。

此外，在實(shí)際工作中會(huì)遇到工程的長(zhǎng)軸方向與巖層(或者礦體)走向斜交的現(xiàn)象(圖2)，對(duì)此應(yīng)首先將工程外框校正成與巖層(或礦體)走向一致的理想狀態(tài):即先作出工程的efgh實(shí)際走向的長(zhǎng)方形;再過(guò)efgh四個(gè)角，作平行巖層走向及傾向的平行線，得e'f'g'h'矩形，此時(shí)原工程由原來(lái)的NE40°走向已經(jīng)與南—北走向的巖層形成了平行狀態(tài);再依據(jù)圖1中A－B、CD剖面的作圖方法，并根據(jù)工程保護(hù)范圍的寬度及根據(jù)表1、表2中礦體的埋深、傾角、圍巖強(qiáng)度等條件，選定恰當(dāng)?shù)囊苿?dòng)角，最后計(jì)算出工程在平面上的長(zhǎng)、寬壓覆范圍。

圖2 與巖層(礦體)走向斜交的工程邊框校正示意圖Fig.2 Schematic diagram of frame correction

3.3.2 礦體外圍工程壓覆范圍的確定

工程設(shè)計(jì)中往往要采取避讓的辦法，將工程的保護(hù)范圍全部或者部分避開礦體分布區(qū)。對(duì)于部分避開的工程，仍要涉及到對(duì)壓覆寬度的計(jì)算問(wèn)題(圖3)。滬蓉高速公路峽口隧道，垂直于巖層走向方向穿過(guò)下堡坪煤礦區(qū)，與煤層走向的南部尖滅端相距90 m，煤層的傾角45°，煤層范圍在縱投影圖上為ache四點(diǎn)所圍的長(zhǎng)方形，隧道北側(cè)g點(diǎn)的路面高程為224 m，礦山允許開采的最低—最高標(biāo)高是200～300 m，《公路安全保護(hù)條例》中規(guī)定的保護(hù)范圍為公路兩側(cè)各100 m，則隧道沿煤層走向在水平方向上僅壓覆了13 m寬的煤礦體。煤礦體圍巖為砂質(zhì)頁(yè)巖、泥巖，且斷裂較發(fā)育，遇地下水易軟化，屬軟巖類型。根據(jù)表1的移動(dòng)角參數(shù)，則沿走向方向移動(dòng)角δ的取值為65°，由隧道北側(cè)g點(diǎn)(隧道的底板)向北100 m(工程保護(hù)范圍邊界)至n點(diǎn)，作65°的移動(dòng)角交于200 m高程的最低開采標(biāo)高水平線，計(jì)算出其壓覆寬度為11 m(m－n點(diǎn)寬度)，則隧道沿走向方向的水平壓覆寬度應(yīng)確定為100m加上11 m共計(jì)為111 m(圖3)。由于煤礦層未延伸至隧道建筑區(qū)，故隧道在煤層傾向方向上的壓覆寬度，只能以煤層的200～300 m開采標(biāo)高在地表的投影范圍作為隧道工程在礦體傾斜方向上的壓覆寬度。

圖3 峽口隧道橫斷面與下堡坪礦區(qū)煤層走向縱投影圖Fig.3 Longitudinal profile of coal seam strike

由于煤層走向方向與隧道北側(cè)的保護(hù)寬度只有13 m的重疊區(qū)，可用煤層在走向方向的尖滅端f點(diǎn)，驗(yàn)算一下上述壓覆寬度的合理性:由隧道北側(cè)87 m處的f點(diǎn)(可采煤層的邊界)作65°移動(dòng)角(圖3)，向下交于200 m開采高程及100 m的水平壓覆寬度端點(diǎn)o點(diǎn)，向上交于d點(diǎn)，即由圖3可見，在300 m的最大允許開采高程線上，仍然有53 m的安全寬度，可以保護(hù)隧道由底板向上至76 m的垂直范圍內(nèi)，不受巖層變形、移動(dòng)的影響;在f點(diǎn)，距離隧道北側(cè)(g點(diǎn))亦有87 m的安全距離。這個(gè)驗(yàn)算表明，以f點(diǎn)作移動(dòng)角，取100 m作為隧道的壓覆寬度，工程的安全仍然是有保障的，但考慮到必須滿足法規(guī)《公路安全保護(hù)條例》的要求，故采用111 m的壓覆寬度，相應(yīng)會(huì)更合理一些。

3.3.3 陡傾斜礦體工程壓覆范圍的確定

對(duì)于傾角＞60°的陡傾斜礦體，由于礦體在平面上的投影面積小，可建議在工程的設(shè)計(jì)上用空中跨越的辦法通過(guò)礦區(qū)，不直接壓覆資源儲(chǔ)量，使分布于工程下方的礦體仍然可以開采利用。

由圖4所示，龍坪礦區(qū)鐵礦層出露地表，礦體厚0.9～1.77 m，傾角 78°～82°，礦體底端埋深 190 m。五峰—巴東500 kV輸電線路工程垂直礦層走向方向穿越該鐵礦區(qū)，3號(hào)鐵礦層在地表距離162號(hào)輸電線路鐵塔315 m;4號(hào)鐵礦層距離輸電線路161號(hào)鐵塔130 m，礦體圍巖為弱風(fēng)化的砂質(zhì)頁(yè)巖、泥質(zhì)灰?guī)r，抗壓強(qiáng)度35～40 MPa，屬較堅(jiān)硬類型。由于礦體為陡傾斜產(chǎn)出，故選用跨越方法通過(guò)礦區(qū)，使日后礦山的開采不影響輸電工程的安全。

圖4 五峰—巴東500 kV輸電線路跨越巴東縣龍坪鐵礦區(qū)162、161號(hào)鐵塔與鐵礦層相對(duì)位置剖面圖Fig.4 Relative position profile of No.161 and No.162 tower and iron ore bed in Longping iron ore district

為滿足以上要求，就必須在礦體的頂板及底板確定一個(gè)巖層移動(dòng)角(由于是預(yù)測(cè)的最小移動(dòng)角，故也稱巖層移動(dòng)休止角)，即工程設(shè)計(jì)的選址部位必須是在這個(gè)角度控制的可能塌陷的范圍之外。據(jù)前述表1與表2中移動(dòng)角參數(shù)值，以經(jīng)驗(yàn)類比法，取移動(dòng)角為70°，用作圖法在礦區(qū)地層剖面上選取A、B、C、D、E和F六個(gè)點(diǎn)(圖4)，在Fe3礦體底端E點(diǎn)作70°角(E點(diǎn)為礦山將來(lái)的1 630 m最低開采水平)，向上交于A點(diǎn)，A點(diǎn)距Fe3礦體地表露頭150 m，即為鐵礦開采后采空區(qū)在地表的水平移動(dòng)(塌陷)寬度。3號(hào)鐵礦層在橫斷面上從地表至地下1 630 m最低開采水平，理論上可形成的采空面積為800 m2(垂深200 m×寬4 m)。筆者假定礦體開采后，前期在開采區(qū)的上部(D點(diǎn)之上)形成了漏斗狀的采空塌陷，D點(diǎn)基本處于陡傾斜礦體的中間部位，D、K318(探槽)、B三點(diǎn)組成的三角形斷面面積達(dá)3 225 m2，是Fe3礦體全部采空面積800 m2的4倍，因此，三角形斷面部位的巖層在發(fā)生變形、移動(dòng)塌陷后，足可以充滿D－E點(diǎn)之間垂高約100 m的采空區(qū)。另外，A－D點(diǎn)連線與水平線的夾角為55°，A、D、K318(探槽)三點(diǎn)組成的三角形斷面面積約6 380 m2，約是Fe3礦體全部橫斷面采空面積800 m2的8倍，可以推斷Fe3礦體底端(E點(diǎn))70°的移動(dòng)角，將是巖層移動(dòng)的休止角，在地表由A點(diǎn)至礦體出露點(diǎn)可形成寬150 m的巖層移動(dòng)、變形帶(地表塌陷帶)，在帶內(nèi)不可布設(shè)工程(圖4)。

礦體底板傾斜線與水平線的交角，又稱為急傾斜礦體底板移動(dòng)角，常用“λ”表示。在Fe4礦體底板底端F點(diǎn)作70°角(圖4)，向上交于C點(diǎn)，C點(diǎn)距Fe4礦體地表露頭20 m，由于該底板下方無(wú)采空區(qū)使巖層產(chǎn)生移動(dòng)、變形，故20 m寬度即為鐵礦開采后礦體底板巖層可能水平移動(dòng)(塌陷)的寬度，在范圍內(nèi)亦不可布設(shè)工程(圖4)。

以上分析可見，當(dāng)161號(hào)鐵塔距Fe4礦體地表露頭水平距離＞20 m時(shí)工程是安全的;當(dāng)162號(hào)鐵塔距Fe3礦體地表露頭水平距離＞150 m時(shí)，工程是安全的，以此可用于指導(dǎo)工程的設(shè)計(jì)、施工。

圖4中162號(hào)與161號(hào)鐵塔，就是根據(jù)礦區(qū)資料和礦體的產(chǎn)出特征，向設(shè)計(jì)單位提出鐵塔的選址部位后經(jīng)修改、確定后的輸電線路鐵塔布設(shè)方案。

3.3.4 零星剩余資源儲(chǔ)量的處理

一般來(lái)說(shuō)，礦床的資源儲(chǔ)量被工程壓覆后剩余的儲(chǔ)量可以繼續(xù)開采。但是，對(duì)于礦床邊部的儲(chǔ)量計(jì)算塊段或者與周圍的儲(chǔ)量計(jì)算塊段不相連的塊段，可能由于工程壓覆地段的分割而成為“孤島”。要開采這部分零星礦體，需要重新開掘巷道并增大運(yùn)輸距離，其開采成本遠(yuǎn)大于礦石當(dāng)前的市場(chǎng)價(jià)值，這對(duì)礦山企業(yè)是虧損的。因此，對(duì)這一部分處于壓覆范圍之外呈“孤島”狀的零星礦體，也應(yīng)作為工程壓覆資源，一并進(jìn)行壓覆資源儲(chǔ)量的估算。

4 采礦方法的選擇

合理的采礦方法是工程建成后的安全保障。雖然對(duì)每一項(xiàng)建設(shè)工程都選擇合適的巖層移動(dòng)角，并在工程下方設(shè)置保護(hù)礦柱，用永久保留礦(巖)層的辦法來(lái)保護(hù)工程建成后的安全，但還是或多或少留有安全隱患。因?yàn)槊總€(gè)礦區(qū)的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件和礦石的回采方法不盡相同，都直接影響到工程下方保護(hù)礦(巖)柱的完整性。因此，對(duì)于分布在建設(shè)工程下方或者兩側(cè)的礦床，應(yīng)使用“充填采礦法”采礦。這種方法，對(duì)作跨越式設(shè)計(jì)的工程尤其重要。充填采礦法目前在較多的大、中型礦山中被廣泛利用［4］，這種方法是用充填料(如圍巖廢石、尾礦渣)對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填，并要克服充填物在采空區(qū)內(nèi)不接頂現(xiàn)象(充填物與開采區(qū)頂板之間留有空隙)，必要時(shí)還可用水泥對(duì)其充填料進(jìn)行膠結(jié)、密實(shí)，以提高充填體的強(qiáng)度。由于充填體在采空區(qū)的存在，使得采空區(qū)內(nèi)圍巖的臨空面消失，可有效控制地壓，阻止圍巖的崩落、移動(dòng)和地表下沉，以此來(lái)避免地表和地下建筑工程的變形和破壞。

用充填法采礦，由于開采的礦體圍巖多被用來(lái)充填采空區(qū)，這在很大程度上減少了礦區(qū)地面廢石、尾礦渣的堆放，減少了滑坡、泥石流等次生地質(zhì)災(zāi)害以及水污染發(fā)生的幾率，也是保護(hù)礦山地質(zhì)環(huán)境與生態(tài)環(huán)境的積極措施。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)巖層移動(dòng)角是移動(dòng)盆地主斷面上，地表最外的臨界變形點(diǎn)和采空區(qū)邊界點(diǎn)的連線與水平線在礦體一側(cè)的夾角，按類別主要可分為沿礦體走向方向移動(dòng)角δ、沿下山方向(運(yùn)輸大巷向下方向)移動(dòng)角β、沿上山方向(運(yùn)輸大巷向上方向)移動(dòng)角γ三種。表1中移動(dòng)角參數(shù)值適用于礦體底端埋深＜350 m、礦體傾角＜50°的礦床。對(duì)于礦體底部埋深在350～500 m、傾角＞60°的礦體，亦可參考。表2中移動(dòng)角數(shù)據(jù)適用于礦體埋深及開采深度＞500 m、礦體傾角在30°～60°的礦區(qū)，對(duì)于礦體傾角＜30°或者＞60°的礦區(qū)，在選擇移動(dòng)角參數(shù)值時(shí)可酌情參考。

對(duì)于第四紀(jì)松散沉積區(qū)移動(dòng)角的參數(shù)值可根據(jù)土體的厚度、含水性等因素結(jié)合表1進(jìn)行綜合確定。

(2)建設(shè)工程項(xiàng)目的保護(hù)范圍(保護(hù)寬度)，不同類型的工程，均有相關(guān)的法律法規(guī)規(guī)定。對(duì)于保護(hù)寬度＜200 m的工程，從工程建成后的安全角度考慮，須根據(jù)礦區(qū)的礦體產(chǎn)出特征，選取合適的巖層移動(dòng)角，用“垂直剖面法”計(jì)算工程的壓覆寬度和深度，然后依據(jù)計(jì)算出建設(shè)工程項(xiàng)目壓覆的礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量。

(3)當(dāng)一個(gè)工程同時(shí)受到兩部以上法規(guī)、規(guī)范約束的時(shí)候，依據(jù)取“最大值”的原則選最大的一個(gè)“保護(hù)范圍”數(shù)據(jù)，并用“垂直剖面法”求出工程的壓覆寬度與深度，進(jìn)行壓覆礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量的估算。這樣，即滿足了與該工程相對(duì)應(yīng)的各部法規(guī)、規(guī)范的技術(shù)要求，又合理地保護(hù)和最大限度地利用了礦產(chǎn)資源。

(4)在對(duì)建設(shè)工程下方及周緣的礦體進(jìn)行開采時(shí)，應(yīng)采用“充填采礦法”進(jìn)行采礦。對(duì)采礦形成的采空區(qū)及時(shí)進(jìn)行充填，并不在采空區(qū)頂部留下空置區(qū)，以防止工程的下方與周緣出現(xiàn)巖層移動(dòng)、變形與地面塌陷，切實(shí)保護(hù)礦山地質(zhì)環(huán)境與建設(shè)工程的安全。

致謝:本文初稿完成后，吳傳榮教授級(jí)高級(jí)工程師進(jìn)行了詳細(xì)審閱并提出了寶貴意見，在此深表感謝!

［1］國(guó)家煤炭工業(yè)局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2000.

［2］朱劉娟，陳俊杰，等.深部開采條件下走向與傾向移動(dòng)角關(guān)系研究［J］.中國(guó)礦業(yè)，2006，15(5):57 －59.

［3］付寶祥.公路兩側(cè)煤礦開采對(duì)公路的危害及公路煤柱設(shè)計(jì)要點(diǎn)淺析［J］.黑龍江交通科技，2008，172(6):12 －14.

［4］趙海軍，馬鳳山，等.充填法開采引起地表移動(dòng)、變形和破壞的過(guò)程分析與機(jī)理探討［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2008，30(5):670 －675.