“三下”開采對古長城保護方案研究

姜桂鵬，楊桂濤，劉新剛

（甘肅省合作早子溝金礦有限責任公司，甘肅 合作 747000）

20世紀90年代我國采礦業熱潮興起，個體民營企業泛濫，無序亂采現象嚴重，對古建筑、安全、環境等均不重視，造成采空區不處理、安全礦柱不規范、資源浪費、環境污染等各種嚴重問題。尤其對于古長城下方礦產資源的開發，缺少直接利益相關主體，民采私采個體戶沒有任何對古長城的保護措施，對古文物造成嚴重威脅。

本文以河北省某地下開采鉬礦山，研究礦山開采時地表古長城保護方案。

1 項目概況

1.1 開采現狀

上世紀九十年代，該區采礦熱潮興起，大都為個人或集體無序、無證開采，最多時達數十家，至2007年以前由十個民營企業采礦權人分別獨立開采，不同的采區有交叉區域，有上下重疊同時開采區域，礦區上部地表建有明長城，在民采中未見有采取保護長城的措施。

淶源縣境內長城建于明萬歷元年至四年，東起大莊苦壯石西，止于南馬莊香爐石，全長130km，共有敵樓265座，城堡6座，大部分保存完整。1982年淶源縣長城被河北省政府列為省級重點文物保護單位，2001年烏龍溝段長城被國務院列為全國重點文物保護單位[1]。

本礦區內長城位置及長城與礦體的相關關系示意圖如圖1所示。

1.2 礦區主要構造

礦區為一斷塊構造，礦區內褶皺、斷層等形變構造，包體、頂垂體等侵入接觸構造發育，其中頂垂體構造是控巖控礦構造。

頂垂體位于斷塊中南部，由五臺群片麻巖、高于莊組、霧迷山組白云巖組成。南北長3.5km，東西寬1km～2km，面積4.6km2，總體形態為向中間變厚的船形體，為礦區基本控礦構造。主要斷層統計見表1。

圖1 長城與礦體位置相對關系圖

1.3 礦巖體特征

礦體與圍巖及夾石局部界線分明，一般靠化學分析確定。夾石分布與礦體產狀基本一致，形態隨礦體類型不同而異。

斑巖鉬礦體圍巖及夾石：頂板為矽卡巖鋅鉬礦體或蛇紋石、透輝石矽卡巖，底板為花崗巖、白崗巖或流紋斑巖，夾石為流紋斑巖[2]。

矽卡巖鋅、鉬礦體圍巖及夾石：主礦體一般以透輝石矽卡巖、透輝透閃石矽卡巖、硅鎂石矽卡巖為夾石，以蛇紋石化白云巖或矽卡巖為頂板，以透輝石矽卡巖、流紋斑巖或斑巖鉬礦體為底板。小礦體的圍巖多為蛇紋石化、鐵錳碳酸鹽化或大理巖化白云巖[3]。

片麻巖鉬礦體圍巖及夾石：底板主要為花崗巖、片麻巖，局部白崗巖。夾石均為片麻巖，多位于礦頭呈楔形尖滅。頂板在23線以南為斑巖鉬礦體，向北為蛇紋石化白云巖，至25線為黑云母化片麻巖。

表1 礦區斷裂構造調查統計表

1.4 礦巖物理力學性質

通過巖石力學試驗研究，獲得礦體圍巖的抗壓強度指標，試驗結果見表2。

表2 礦體圍巖抗壓強度指標

從巖石單軸抗壓強度指標可以看出，除部分片麻巖和礦體外，一般巖石抗壓強度大，穩定性較好，有利于礦山開采過程中巖體工程的開挖和穩定維護工作。同時，穩定的巖石、巖體條件對地表構、建筑物的安全也是十分重要的因素。

2 長城保護原則

根據河北省政府《關于進一步加強長城保護管理工作的通知》的精神，以及《中華人民共和國文物保護法》、《長城保護條例》等有關的法律、法規，淶源縣政府對境內長城保護制定了相關保護原則，其中與地下礦山資源開采相關內容包括：

（1）長城（包括墻體、城堡、關隘、烽火臺、敵樓等）兩側各50米為重點保護范圍，兩側在各延伸100米為保護控制地帶。

（2）嚴禁在長城保護范圍內及控制地帶內進行開礦、采石、挖砂、架設安裝與長城保護無關的設施設備、開挖藥材、搬石捉蝎、圈養牛羊、放牧等生產活動，未經文物管理部門逐級審批，任何單位和個人不得在保護范圍和控制地帶內審批從事上述活動和修建任何設施[4]。

3 地下采空區上覆巖層穩定性分析

影響采空區頂板穩定的因素很多，內因有頂板厚度及完整程度、空區跨度及形態、巖體強度及產狀、裂隙狀況及空區充填情況；外因有荷載大小、作用次數和時間、溫度、濕度等。近年來，在該領域內的研究取得較大進展，目前已有一些對采空區穩定性分析評價的定量和半定量方法，其核心內容是力學模型、數學模型及計算方法的研究。這些研究成果對了解和掌握地下礦山開采巖石頂板的穩定性及地表塌陷和巖移的預測和評價提供了指導依據，特別是對“三下”開采中地表構、建筑物的安全保護具有現實的指導意義[5]。

3.1 頂板穩定性估算法

采空區失穩垮塌的機制是頂板巖體垮落，礦體在采空后，其頂板巖塊abcd因G重力的作用而下沉，兩邊的楔形體abm和cdn也對其施以水平壓力P。因此，在ab和cd兩個面上又受到因P 的作用而產生的摩阻力F 的抵抗。力學計算模型如圖2所示。

取采空區單位長度為計算單元體，則巷道單位長度頂板壓力Q 為 ：

式中：B 為采空區寬度；γ為上覆巖層的容重；h1為采空區頂板到地表的高度。P為楔形體abm和cdn作用在ab或cd面上的主壓應力；φ為巖體內摩擦角。

當P 取其最大值時：

由上式可知，當h1達到某一定深度時，頂板上方巖層恰好能保持平衡而不塌陷，此時Q 值等于零，這時的h1稱為臨界深度h0：

用臨界深度h0（或采空區塌陷高度）可粗略地評價頂板的穩定性。當h1h0時，頂板基本穩定，采空區不會塌陷到地表。

取礦體開采礦房的跨度為15m，巖石內摩擦角為34o，計算得到采空區頂板巖層的臨界高度為78.7m。

3.2 采空區上部地基穩定性估算

在采空區上建有構、建筑物時，可按下式近似驗算地基的穩定性，設建筑物基底單位壓力為R，則作用在采空區頂板上的壓力為：

當h1達到一定深度，使得Q=0，即頂板巖層恰好保持自然平衡，此時巖層的臨界深度為：

當h1h0時，地基基本穩定。

取礦體開采礦房的跨度為15m，巖石內摩擦角為34o，巖體容重為27KN/m3，地表長城基底荷載按200KPa計算。將上述參數代入式8，計算空區頂板的臨界高度為85.5m。

3.3 “三帶”理論對頂板穩定性的分析

傳統的表征巖層和地表移動理論，常用冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶來表述。三帶發育程度主要取決于采出厚度、采礦方法、開采深度、巖層傾角及巖石性質。金屬礦山三帶的發育高度沒有確切的計算公式，按照煤礦開采的“三帶”理論特性：

（1）冒落帶：空區頂板巖石在自重作用下產生拉應力而開裂冒落，形成冒落帶。在冒落帶巖層斷裂成塊狀，巖塊之間縫隙大且多，在這一層巖層已完全破壞。該冒落帶的形成，可保證上部巖層的移動比較平緩。對于沉積巖頂板，水平和緩傾斜礦體，冒落帶高度一般為礦體采出厚度的2～4倍。

（2）裂隙帶：在冒落帶上面的巖體，隨著冒落帶巖石的壓實而下沉，引起彎曲，彎曲過大就導致巖層發生斷裂、錯動和離層，巖體的內部結構已不同程度的破壞，這就是裂隙帶的特點。裂隙帶的高度一般與冒落帶相近。裂隙帶的巖體分裂成巖塊，但不垮落。每個巖塊幾乎不改變在空間上的位置，巖體非完全松散體，仍具有一定的自承能力。離采空區越遠，彎曲越小，裂縫也越小。

（3）彎曲下沉帶：在裂隙帶之上，巖體通常不破裂而只發生彎曲變形。在彎曲帶巖層基本呈整體下沉趨勢，破壞輕微，巖體保持自身的完整性，巖層整體及內部結構未被擾動，其移動過程是連續而有規律的。彎曲帶往往達到地表，地表變形過大而開裂形成的裂縫，通常在一定的深度閉合，這與裂縫帶達到地表的情況在本質上是不同的。松散可塑性的巖石，彎曲很大而不破壞。堅硬巖石也會發生一定限度的彎曲。

冒落帶、裂隙帶的高度主要與煤層采厚、礦體傾角、覆巖巖性、頂板管理方法等因素有關，根據45個礦山開采的觀測結果統計得出，在礦體傾角小于55o的情況下，冒落帶高度Hm計算的經驗公式為：

表3 冒落帶高度計算的經驗公式

當煤層傾角大于55o時，，式中Hl為裂隙帶高度。

裂隙帶高度計算，根據我國27個煤礦200余個鉆孔實測資料的統計結果，得出在正常地質構造和充分采動的條件下，礦體傾角小于55o的情況下，計算不同巖體裂隙帶最大高度的經驗公式見表4。

表4 裂隙帶高度計算經驗公式

表中：M 為礦體的法線厚度；h為開采垂高。

依據經驗公式，按照單中段40m高度采空區計算，空區頂板冒落高度為37.5m～42.5m，裂隙帶高度為80m左右。

按照以上不同方法的分析，當礦體采用空場法開采，且回采后對采空區不采取處理措施的話，采空區頂板上方不穩定巖層的厚度至少達到80m，甚至其上120m處的巖層也會出現斷裂、離層等破壞現象，因此對于存在需要保護的地表構、建筑物時，需選用合理的采礦方法和采取必要的空區處理措施。

4 長城下采空區充填處理保護措施

由于該礦區已進行了數年的民采活動，形成大量空區。開采范圍為1300m、1090m兩個水平中段，地表長城標高為1400m左右，最低處海拔標高約為1360m，距上部開采中段水平的底標高僅60m左右。本次研究對古長城采取如下處理方案：

（1）1300m以上礦體停止開采，資源整合后，該中段以上礦體不作為可回采資源。對遺留的采空區實施膠結充填處理，保證在1300m水平和長城之間形成一個穩固的堅實頂板。充填范圍不小于巖體的滑移圈范圍，以巖體移動角65o計，充填范圍分別為不小于長城外墻側壁128m，即在長城底部采空區最小充填跨度不小于276m（長城自身寬度按20m計）。充填范圍簡圖如圖2所示。

（2）1090m水平已采空區須及早進行充填處理，防止空區頂板出現垮塌。根據圖2計算模型，計算求得該中段充填區最小跨度范圍為472m。

圖2 地下開采巖移示意圖

充填法是保證地表建筑安全的最有效的采礦方法，盡管采用充填法不能完全阻止巖體的變形和移動，但可以防止巖層大的變形和變形速率，同時在均勻微量沉降的情況下，地表建筑的安全性不會受到威脅，從而達到保護地表的目的。

5 爆破措施

由于礦體賦存深度較淺，在開采中爆破產生的震動對長城的安全存在不利影響，表5為我國和德國（DIN4150）爆破規程規定的對建筑物的標準。

表5 爆破安全允許振速

一般情況下，爆破頻率可參照硐室爆破＜20HE，深孔爆破10HE ~60HE ，淺孔爆破40HE ~100HE 。

從表中可以看出，振速是衡量爆破地震效應大小的基本物理量，同時還考慮了振動頻率的作用。參照國內外的相關規定，考慮長城的重要性和社會價值，建議在開采中采用高頻的淺孔爆破措施，取安全允許振速不大于0.5cm/s，且減少單孔裝藥量，降低單孔爆破當量，切實保證古長城的安全。

我國在工程爆破領域也進行了適應各種要求的試驗研究工作，1992年長沙礦山研究院針對特殊礦山開采的要求進行了減震爆破的試驗研究工作。采用孔內分段裝藥，孔內、孔外微差爆破方式，進行了震動質點速度的測試。單孔裝藥量在275kg~350kg時，爆破質點震動速度試驗結果為：距爆破中心60m~155m，震速為1.10cm/s~0.03cm/s，中心距離80m~10m，震速為0.62cm/s~0.21cm/s。因此選用單孔裝藥量≤300kg，距爆破中心≥100m時，該種減震爆破方案完全能夠滿足對地表古長城的安全保護要求。

6 監測措施

變形監測是掌握監測對象動態變化的有效技術手段之一，通過實時的跟蹤監測，可以掌握地表建筑物的變形特征、隨時間的變化規律以及地基沉降變形與開采深度、開采方法、圍巖性質等因素的相關關系。

目前，較為常用的地表變形監測裝置主要有兩類：一類是常規監測設備如水準儀、電子經緯儀、全站儀等，另一類是GPS監測系統。

鑒于長城保護的重要社會意義，建議在礦區長城段采用GPS監測系統。監測點應在長城兩側按照礦體分布進行網狀布設，分別布置3排地表位移監測點，各排監測點距長城墻體外側的距離分別為2m、50m、100m，對政府規定的長城保護的控制帶范圍進行有效監測，距長城墻體2m距離的監測點間距設置為50，其余兩排測點間距設置為100m。采用衛星空間定位系統的監測精度達到±3mm，完全能夠滿足長期變形監測的需要，共布置監測點124個，確保長城的安全保護工作。

7 結語

（1） 明確古長城受保護標準，通過分析采空區頂板穩定性、采空區上部地基穩定性，以及“三帶”理論計算對頂板穩定性的影響范圍，確定出三帶理論指導指標。

（2） 提出充填保護措施，并指出參考指標。

（3） 提出爆破安全參考標準，計算具體爆破參數。

（4） 根據古長城保護方案，提出監測措施。

[1]李文秀，山區公路下采礦巖體移動影響問題，西部探礦工程，2004.06.

[2]王春光，上覆巖層冒落帶和裂隙帶高度的確定，露天采礦技術，2013.03.

[3]黃慶享，夏小剛，采動巖層與地表移動的“四帶”劃分研究，采礦與安全工程學報，2016.05.

[4]李連崇，唐春安，梁正召，考慮巖體碎脹效應的采場覆巖冒落規律分析，巖土力學，2010.11.

[5]萬戰勝，楊鋒，馮振華，采空區建設場地穩定性評價判據探討，西南公路，2016.03.