礦山地質環境中移動盆地范圍劃定方法研究

肖　億，吳劍鋒

（1.南京大學地球科學與工程學院，江蘇南京210093；2.江西省地礦局九○一地質大隊，江西萍鄉337000）

礦山地質環境中移動盆地范圍劃定方法研究

肖億*1，2，吳劍鋒1

（1.南京大學地球科學與工程學院，江蘇南京210093；2.江西省地礦局九○一地質大隊，江西萍鄉337000）

運用概率積分法計算巖層移動角，并以此定量評估移動盆地范圍。研究成果對進一步提高礦山地質環境保護與恢復治理方案編制工作以及礦山地質環境保護等方面有重要指導意義。

礦山地質環境；定量評估；概率積分法；移動盆地

1　任務由來

礦山地質環境保護與治理恢復方案是依據礦產資源開發利用方案和采礦地質環境條件，分析預測采礦活動可能引發或加劇的地質環境問題及其危害，評估礦山建設和生產可能造成的礦山地質環境影響，提出礦山地質環境保護和治理恢復技術措施，并做出總體部署和安排。涉及的范圍包括采礦登記范圍和采礦活動可能影響到的范圍。其中礦山地質環境影響的評估精度要求：一級評估以定量為主；二級評估為定量與定性結合；三級評估以定性為主。評估的因素是多方面的，主要是針對礦山地質災害來評估和劃分；其中危害性最大、造成地質環境影響范圍最廣、影響時效最久的是由礦山開采引起的地面塌陷、地裂縫形成的地表移動盆地。而目前移動盆地范圍的劃定是以礦山開采邊界上巖層移動角的經驗值來半定量劃分（以圖1為例）。

圖1　以移動角經驗值65°來劃分移動盆地范圍

評估過程中，對地表移動盆地的范圍劃定不甚合理，主要是以巖層移動角的經驗值來劃定，這種評估方法不甚合理，人為主觀影響因素較大，往往容易造成評估結果的不確定性。而移動盆地不合理的范圍劃定，使得地表的建筑物和生產設施處于移動盆地范圍內而產生變形破壞，不僅給礦山造成巨大的經濟損失，而且對礦山的安全生產構成巨大的威脅。

礦山開采必然引起地表下沉，由于開采礦層引起的地表移動規律和預測理論一般不能直接用于地下礦床開采，也很難用某一種或幾種方法準確地預測未來移動盆地的地表沉陷，甚至不可能。移動盆地巖層移動角的選取問題十分復雜，其數值的影響因素是多方面的，而各因素對地表移動盆地的影響程度又不盡相同。本文通過對實際工作中大量的礦山恢復治理方案的編制和分析總結，采用概率積分法計算出巖層走向移動角，劃分礦山地表移動盆地范圍，對決定煤礦地表移動盆地的巖層移動角的定量評估進行了探索研究。

2　以概率積分法來劃定移動盆地范圍

概率積分法是把在采動影響下的上覆巖層看作是隨機介質流動的小單元，通過小單元之間的移動表達式來研究地表移動變形。概率積分法的巖層移動角計算公式中，反映煤礦地質條件所用的基本參數共有5個，即下沉系數q、主要影響角正切tanβ、拐點移動距s、水平移動系數b和開采影響傳播角θ。正確確定上述參數，是提高地表移動和變形值預計精度的前提。

（1）下沉系數q。下沉系數q一般是反映充分采動條件下地表最大下沉值與采厚關系的一個度量。充分采動時，地表最大下沉值Wcm與礦層法線采厚M在鉛垂方向投影長度的比值稱下沉系數。

當下沉系數q為充分采動條件下的下沉系數時，下沉系數與綜合評價系數有如下關系：

（2）主要影響角正切tanβ。地表的移動和變形主要集中在開采邊界上方寬度為2r的范圍內。連接主要影響范圍邊界點與開采邊界的直線與水平線的夾角為主要影響角。

tanβ值隨巖性、開采深度和傾角的綜合關系式為：

式中：D——巖性影響系數，其數值與綜合評價系數有關；

H——開采深度；

α——礦層傾角。

巖性綜合評價系數P與系數D的對應關系見表1。

（3）開采影響傳播角θ。在充分采動或者接近充分采動條件下，計算開采邊界（考慮了拐點的移動距）與下沉曲線拐點的連線與水平線之間的在下山方向所夾的角稱為開采影響傳播角。

開采影響傳播角θ與礦層傾角α有著密切的關系，其關系如下：

（4）拐點移動距。地表下沉盆地邊緣區正曲率（拉伸變形）和負曲率（壓縮變形）的轉折點在地表的投影稱為拐點。

表1　巖性綜合評價系數P與系數D的對應關系

拐點移動距與巖性、回采區段尺寸、采深和鄰區開采的影響有關。當回采區段尺寸達到充分采動時，它趨于定值，非充分采動條件下的值小于充分采動條件下的移動距。一般堅硬、中硬、軟弱覆巖的拐點移動距分別為0.358H、0.177H和0.029H。

（5）水平移動系數b。水平移動系數是指充分采動時，最大水平移動值與最大下沉值之比。覆巖的巖性對b系數的影響很小，主要隨礦體傾角的變化而變化。

式中：b0——開采傾斜礦體走向方向的水平移動參數；

bc--開采水平礦體充分采動的水平移動參數，bc= 0.3；

α——礦層傾角。

（6）走向方向影響半徑r。根據下式確定走向影響半徑r：

（7）移動邊界X。考慮到測量誤差，采用下沉50mm確定移動角。因此根據下式得到移動邊界X：

（8）走向移動角β。走向平均有效長度Lx：礦體按中段可布礦塊驗證生產能力計算表，加權平均得到。

邊界距離L∶L為礦體邊界在地表的投影到移動邊界的距離。

根據β=arctan（H/ L）求得β。最后以β作為巖層移動角劃定采空移動盆地范圍。

3　概率積分法的實例應用

以江西省萍鄉市躍進煤礦移動盆地現狀評估中的巖層移動角確定為例。

3.11線剖面采動移動角的確定

（1）下沉系數的確定。由于該礦區沒有對巖石應力進行監測，依據《三下采煤規程》中萍鄉市安源煤系礦山所獲得的下沉系數的取值范圍為0.4～0.7。躍進煤礦為走向長壁分層開采采煤法，全部垮落法管理頂板，回采工作面采用放炮落煤，單體液壓支柱支護。綜合考慮，確定下沉系數為0.6。

（2）綜合影響系數p的確定。根據公式（2），p與下沉系數的關系式，其中，q=0.6，因此，p=0.3。

（3）主要影響角正切的確定。已知巖性系數是中硬，查表1得D=1.26；參照1線、可得開采深度H= 140m，礦層傾角α=30°；tgβ=（1.26+0.0032×140）（1-0.0038×30）=1.51。

（4）走向方向影響半徑的確定。根據公式（6），其中，H=140，tgβ=1.51，r=93m。

（5）最大沉降量的確定。根據公式（1），其中q= 0.6，m=2.06m，α=30°，Wmax=q·m·cosα=1071（mm）。

（6）移動邊界X的確定。考慮測量誤差，采用下沉50mm確定移動角。根據公式（7），計算得到，0.0784= π/2-（X/r·0.4522），最終可得，X/r=3.3，因此X= 307m。

（7）走向移動角的確定。主要針對+235m中段采礦時所確定的移動角。

走向平均有效長度Lx；按照開發利用方案提供數據，加權平均得到，+235m走向的平均有效長度為：290m。

邊界距離L；L為礦體邊界在地表的投影到移動邊界的距離。根據公式（8），L=162m。

根據β=arctan（H/L），其中H=140m，L=162，因此β=43.8°

所以1線剖面采動移動角取43.8°。1線剖面以43.8°移動角定量劃定移動盆地范圍見圖2。

圖2　1線剖面以43.8°移動角定量劃定移動盆地范圍

3.22線剖面采動移動角的確定

2線剖面中q=0.6，p=0.3，m=2.06m，α=30°，開采深度H=80m，走向的平均有效長度為：270m。用上述計算方法求得β=39.7°。2線剖面以39.7°移動角定量劃定移動盆地范圍見圖3。

3.3采空移動盆地的確定

利用1線、2線剖面和現采空范圍，估算未來礦區采空移動盆地范圍面積約為741738m2。

4　結論與討論

（1）礦山開采巖層移動角的定量評估方法多樣，利用概率積分法對礦層開采引起的地表移動與變形的預計，是一種針對地表移動盆地穩定后的定量評估，尤其適用于礦山地質環境保護與恢復治理方案的移動盆地范圍的確定。本文結合工程實際，運用概率積分法計算出煤礦開采的巖層移動角，使得采空移動盆地范圍的劃定更加精確。

（2）與傳統的半定量分析方法相比，采用的概率積分法定量評估方法考慮的因素較為全面，由此獲得的評估結果更加合理、切合實際，這對指導環境保護與恢復治理安全順利實施、進一步提高礦山地質環境保護與恢復治理方案編制的工作質量以及礦山地質環境保護與恢復治理等方面有重要指導意義。

（3）采用概率積分法作為常用沉陷預計方法自有其優越性，但其不能表現地層內部的巖體的移動變形情況，對于地層復雜、深部開采等區域的預測精度不足。地表移動主要取決于井下開采以及上覆巖層的巖性，然而，影響上覆巖層的動態移動特性的因素是極為復雜的，尤其是地質構造復雜、開采深度較大的礦山，無論在理論定義還是在分析手段上都有待我們以后進一步探討更加完善的范圍劃定方法。

圖3　2線剖面以39.7°移動角定量劃定移動盆地范圍

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1004-5716（2016）03-0113-04

2015-12-08

2015-12-09

肖億（1984-），男（漢族），江西萍鄉人，工程師，現從事巖土工程勘察與礦山地質環境保護與恢復治理方案編制技術工作。