鐵礦采空區影響范圍分析

段偉強

(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會在地表造成地面沉降、塌陷、裂縫等地質災害，嚴重影響采空區上部及鄰近區域地表房屋、人員的安全。對于礦山開采方來說，采空區影響范圍不能隨意的擴大，這樣會使得開采方開采的礦石量減少，賠償保護費用增加；對于礦山區域內的村莊來說，采空區影響范圍不能太小，這樣容易造成財產損失，威脅村民的人身安全。如何合理有效確定采空區的影響范圍，保證開采區域人民安全、財產不受損失，減少開采方的成本已經越來越受到重視。

1 解析法計算采空區影響范圍

1.1 解析法假定條件及計算公式

采空區將在地表形成一定的變形和破壞，但變形的大小和發展延伸會如何發生移動和變形范圍/程度有多大，這是一個非常復雜的問題。為了簡化計算，一般做如下的假設：①上覆巖層、礦體和基巖為均質、各向不同性，不考慮巖層和礦體中的結構面，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開采范圍的影響。③考慮各采空區直接在礦體一翼。

滿足上述三個假設條件之后，地表移動和變形主要集中在開采邊界上方寬度為2R的范圍內，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。

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(°)。

采空區影響范圍計算示意圖如圖1所示。

1.2 參數確定方法

1) 根據巖性確定。巖層破裂角與巖層的巖性有關，采空區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；巖性堅硬0.7～1.25；中硬1.2～2.0；軟弱：2.0～2.8。

2) 根據開采方式確定[2]。開采影響傳播角與礦體開采角有關，實測資料表明，開采影響傳播角與礦體開采角有如下關系。

α<45°時，θ=90°-0.68α

式中：α為礦體開采角度(°)。

3) 根據巖石破壞理論[1]。根據庫倫-納維爾破壞準則，可知巖體的剪切破壞面與水平面夾角為

式中φ為巖體內摩擦角(°)。

根據不同的已知條件，可以采用上述三種方法計算巖體的破裂角，當能同時滿足上述三個條件時，在礦區場地允許的條件下，應盡量取三者中的較大值，同時結合該區域的經驗值，確定采空區影響范圍，確保礦區周邊房屋、人員的安全。

圖1 采空區影響范圍計算示意圖

2 數值模擬法

現場實際中，圍巖受力狀態千變萬化，各處的應力狀態都不相同，巖石結構又很復雜，其強度、彈性模量等力學性質隨著巖性、圍壓、開采方式等條件的不同而發生變化，人工的解析法很難準確的對這些影響因素進行計算。隨著計算機技術的發展，各種巖土工程數值模擬軟件也飛速的發展，利用這些計算軟件，可以較好的模擬礦山實際開采過程中圍巖受力和位移情況。

3 工程實踐

河北省武安市安豐鐵礦位于武安市礦山鎮白鹿寺村村南500m處，鐵礦石主要存在于地下200左右的6個孤立的小盲礦體中。礦區范圍內的地層簡單，主要為表層的第四系碎石土和下部閃長巖層，深部鉆孔揭露尚見奧陶系灰巖，灰巖呈補虜體產出，表層碎石土厚約2m。礦區內構造不發育，深部礦體開采過程中未見地下水。

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是否影響村莊的安全成為當地政府和村民關心的問題。因此，武安市國土局委托華北有色工程勘察院有限公司進行采空區影響范圍的界定和評估工作。

3.1 解析法確定影響范圍

根據鐵礦的勘探資料和井上井下對照圖，結合現場的調查工作，確定了6個礦體覆蓋層的厚度、礦體的傾角、礦體的形狀參數(表1)。

表1 礦體參數

由于礦區內地質構造不發育，礦體開采過程中未遇見地下水，表層碎石土層僅有2m，下伏巖層均為閃長巖和灰巖，地層單一，該區域的采空區影響范圍的計算可以采用式(1)的方法確定。

礦體上覆層均為閃長巖和奧陶系灰巖，屬于中硬巖，在該區域內較為完整，節理裂隙不發育，根據室內試驗參數和《工程地質手冊》中的經驗參數，取地層巖性影響系數d=1.5，巖體似內摩擦角φ=40°，采用上述三種計算方法分別計算出巖層破裂角(表2)。

表2 巖層破裂角θ(°)

表2中三種方法計算的巖層破裂角位于60°～75°之間，結合邯鄲武安地區的工程實踐，確定巖層破裂角θ=63°。

利用式(1)可以計算出采空區影響半徑R(表3)。

根據地質勘探平面圖和礦體平面投影圖，把6個礦體的影響范圍標示在圖上，再依據每個礦體采空區的影響范圍圈出最終整個礦區的采空區預測影響范圍(圖2)。

從圖2中可以看出，各采空區位于不同的深度，形狀尺寸各異，形成的影響范圍也不同。3號采空區最靠近村莊，對白鹿寺村影響最大，經過計算，其形成的采空區影響范圍邊界遠離村莊，對村莊沒有影響。6個采空區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，不會對村莊產生影響。

表3 采空區影響半徑R(m)

圖2 采空區影響范圍示意圖

3.2 數值計算法確定影響范圍

3.2.1 地層模型及參數

本次計算選取距離白鹿寺村最近的3號礦體采空區進行計算。根據現有的地質資料可知，本礦區地層主要以閃長巖為主，閃長巖為成礦母巖，奧陶系灰巖分布于礦區四周并被閃長巖所圍限，而深部呈捕虜體存在于巖體中，表層為坡積的碎石土層。

參照以往的地質勘探資料，同時在現場實際取樣進行實驗室試驗，結合地層巖體的完整程度和區域類似工程經驗，對實驗室取得的巖體參數進行折減采用，計算參數如表4所示[1]。

表4 數值計算巖石力學參數

3.2.2 開采應力變化分析

從圖3中可以看出，該剖面上共有五個小礦體采空區，呈帶狀及透鏡體存在，開采規模和范圍均不大。在開采過程中，地層中的應力平衡將被破壞，隨著時間的推移，巖層經過一系列復雜的變形，會形成新的應力平衡。

在沒有開采之前，地層應力分布從上到下依次增大，與地層厚度成正比關系，只是在地層界線附近出現了應力變化區。這時地層中的應力主要是自重應力，自重應力與地層厚度和巖體容重成正比，符合一般地應力場分布規律(圖4)。

圖3 礦區地層模型

圖4 未開采時地層應力分布圖

在礦體開采時，地層中的應力平衡被破壞，開采結束后，地層應力重新達到了平衡狀態。由圖4可以看出，地層應力出現了拉應力區和壓應力區。拉應力區出現在地表的碎石土層中，形成的拉應力已經使得破壞了碎石土的結構。這是因為地下形成了采空區，必然使得上層的巖層在自重應力的作用下有下降的趨勢，形成了向下的拉應力，而碎石土層抗拉強度很低，不足以抵抗形成的拉應力，導致了碎石土層結構的破壞。在較大的采空區上部和下部形成了較低的壓應力區，這是由于采空區造成了地層應力釋放，減小了上部和下部的應力，在采空區的兩端形成了應力集中區，其中最大主應力σ1方向基本上為洞周的切向方向，從洞體表面向巖體內，應力逐漸增大，這與我們現有的認識是一致的。地層形成應力的大小與采空區的形狀、大小、工作面推進速度有關，也和礦層的埋深、厚度、傾角有關，從圖5中可以看出，最大的采空區上部巖層從上到下應力均很小，地表形成了拉應力區，說明該采空區上覆巖層出現了較大規模的位移，應力得以釋放，隨著時間的推移，該區域采空區上覆巖層會出現坍塌，地表會形成塌陷坑，對地表影響較大。剩余四個小采空區的由于上覆巖層厚度大，強度較高，應力變化沒有影響到地表，所以對地表沒有影響。

3.2.3 確定采空區影響范圍

《煤礦測量規程》中規定：煤礦地表位移超過50mm時，應該加密觀測。《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》中規定：磚混結構建筑物輕度損壞，小修即可恢復，其地表傾斜小于6mm/m，一般的磚混結構跨度不超過10m，地表的垂直沉降要小于60mm。綜合參照上述規范要求，結合礦區特點，確定采空區地表沉降50mm范圍為采空區影響范圍，會對區域內的建筑物造成損傷和影響[2-5]。

在圖6上明顯的能看到，地表移動盆地形成了三個區：中間區(黑色區域)，內邊緣區(灰色區域)，外邊緣區(淺灰色區域)。地表總沉降最大值72mm，位于最大的采空區正上方區域，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逐漸減小。

確定地表總沉降為50mm的范圍邊界，圈出采空區的影響范圍，從圖上可以看出，最大的采空區影響半徑為166.7m，3號采空區影響范圍為112.9m，數值計算的結果與解析法的結果一致，這是由于該地區的地層簡單，區域內無斷裂構造，巖層參數確定準確，影響采空區影響范圍的因素簡單，如果區域工

程地質、水文地質條件復雜時，簡化的計算方法將不適用，可能和最終的結果有較大的誤差，必須應用數值模擬計算方法，綜合考慮各影響因素的作用，綜合做出評估。

圖5 采空區地層應力分布圖

圖6 總沉降位移圖

4 小結

本文通過實際的工程案例，對采空區影響范圍的確定方法進行了分析研究，得出以下結論。

1) 采空區影響范圍大小與礦層形態、巖石巖性、大地構造和開采方法有關。

2) 通過假設計算條件，簡化計算過程，合理確定計算參數，提出了一種比較簡單的影響范圍確定方法，為快速估算影響范圍奠定基礎。

3) 利用數值計算軟件，驗證了簡化計算方法的正確性和適用范圍。

[1]常士驃，張蘇民.工程地質手冊[M].第4版.北京：中國建筑工業出版社，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程[M].北京：煤炭工業出版社，2000.

[3]煤礦測量規程(2011版)(中國)[S].2011.

[4]JGJ8-2007，建筑變形測量規范(中國)[S].2007.

[5]GB50007-2012，建筑地基基礎設計規范(中國)[S].2012.