金屬礦山地下開采對地表建筑物影響分析研究

龐 磊

(西北有色勘測工程公司，陜西 西安 710054)

近年來，隨著國家金屬礦山的大規模開發利用，給工礦企業帶來巨大的經濟效益，但是，與此同時，這也給地方生態環境和當地居民的生活造成了嚴重的影響，造成了工礦企業發展與地方利益的矛盾。通過對大量事故的分析研究，我國金屬礦山地下開采活動引發的采空區塌陷地質災害比較嚴重，這給工礦企業及當地的居民生命、財產造成了重大損失[1，2]。在國內外，目前煤礦企業已經對采空區引發的地表塌陷和巖石移動范圍進行預測，以及相關采礦活動對地表建筑物和構筑物的損害影響進行評價等方面做了大量的研究工作，得出了許多可供參考的經驗與成果[3]。然而，金屬礦山的開采，由于其地質發育條件和開采方式、方法等與煤礦開采不盡相同，那么，基于煤礦開采研究的地表變形移動規律和相關預測成果理論一般很難完全應用于金屬礦山。研究金屬礦山地下開采對地表建筑物的影響和預測，妥善化解企地矛盾就顯得十分必要。

本文結合工程實例，介紹了“三帶理論”、塌陷角和巖石移動角等理論在分析評價金屬礦山地下開采對地表建筑物影響的應用，定性和定量分析了地下開采相關活動對地表建筑物的影響范圍，為妥善化解企地矛盾提供了技術依據。

1 影響評價方法研究

1.1 三帶理論

地下礦體在采出以后，在采空區周圍的巖體形成了復雜的移動和變形區域，巖(土)體變形移動破壞程度自下而上劃分為垮落帶、導水裂隙帶和彎曲下沉帶三帶[4](見圖1)，三帶的發育程度主要取決于礦體采出厚度、采礦工藝方法、巖層產狀和巖石性質。

1)垮落帶。

由于受到礦體地下開采的影響，礦體頂部覆蓋的巖體應力重分布，造成頂部巖體發生破碎垮塌的區域稱為垮落帶。垮落帶帶內巖體通常以拱形垮塌的方式向上發展。當垮塌的破碎巖石體積與采出礦石的體積相等時，垮塌停止發展，垮塌后破碎巖石起到了支撐上覆未崩落巖層作用[5]?？迓鋷Ц叨扰c礦體開采的厚度、垮塌巖石的碎脹性有關，同時還與礦體采動范圍、覆巖強度及采空區的充填狀況相關。

根據查閱相關規范并結合經驗，當礦體的傾角小于巖塊的自然安息角時，垮落帶的高度H冒為：

(1)

其中，M為礦體開采的厚度，m；K為巖石的松散系數，按經驗取值，無量綱；α為礦體巖層的傾角，(°)；H冒為垮落帶高度，m。

2)導水裂隙帶。

垮落帶上覆巖層中產生裂縫、斷裂和離層，但仍然保持原有的層狀結構，該部分巖層稱為導水裂隙帶。導水裂隙帶雖然沒有垮落，但是由于產生了大量裂隙，使巖體內部失去原有的整體性。導水裂隙帶的高度同所在地質構造、巖層性質和開采方式等條件相關，通常導水裂隙帶高度比垮落帶高度較小，可得導水裂隙帶高H裂為：

H裂=H冒/(1～3)

(2)

其中，H裂為導水裂隙帶的高度，m。

3)彎曲下沉帶。

導水裂隙帶巖層產生裂縫、斷裂和離層后，引起上部巖層發生下沉彎曲變形現象，該部分巖層稱為彎曲下沉帶。該帶內的巖層通常只在自重作用下發生法向的彎曲變形，不再引起破裂現象，所以該地帶內的巖層能夠較好地保持原有的隔水和整體性能。彎曲下沉帶高度的確定與巖性相關，根據經驗，當巖層為硬質巖且容易脆裂時，彎曲下沉帶高度為導水裂隙帶高度的3倍～5倍；當巖體為軟質巖且塑性較好時，約為導水裂隙帶高的數十倍。

1.2 變形角理論評價方法

采空區上方地表塌陷區邊界與采空區邊界之間的連線與水平面之間的外側夾角稱為塌陷角或陷落角，而隨采空塌陷之后的繼續變形，其最終變形邊界與采空區邊界連線與水平面外側夾角為移動變形角[6]。移動角和塌陷角是研究地下采礦引起地表移動變形規律的重要參數，利用移動角和塌陷角相關理論可以計算確定地表塌陷區和移動變形區的邊界范圍。礦山所在區域地層巖石的塌陷角和移動變形角可以根據現場探測、測試、理論分析、工程類比法和數值模擬等方法確定。對于項目周邊存在類似礦山，新的礦山在進行地下開采設計時可按工程類比法確定塌陷角和移動變形角參數。應用塌陷角和移動變形角理論確定地表塌陷區和移動變形區的影響范圍，如圖2所示。位于上述兩區范圍內的建筑物可能遭到變形破壞。

1.3 爆破振動測試法

金屬礦山采礦作業多以地下爆破方式進行，爆破振動對爆破作業區一定范圍內的建(構)筑物將造成一定的影響。對于如何評價不同類型建(構)筑物受到爆破振動的影響，應采用不同的安全判據和允許標準?！侗瓢踩幊獭方o出了地面建筑物的爆破振動的安全允許標準，應根據評價對象所在地點的峰值振動速度和主振頻率來評價不同類型建(構)筑物受到爆破振動的影響。

采用爆破振動測試方法實測爆破作業的爆破振動安全允許距離，可分析金屬礦山地下開采對地表建筑物影響。

1.4 數值模擬分析方法

近年來，數值模擬分析方法在工程實踐中得到了廣泛應用[7]。Midas/GTS(Geotechnical and Tunnel analysis System)是巖土和隧道常用的分析軟件。文章采用Midas/GTS分析了巷道掘進引起巖層移動對地表建筑物產生的影響。

2 工程實例

2.1 礦山開采與居民房屋概況[8]

某金礦位于陜西省南部秦嶺腹地，礦區有硬化公路與國道相接，交通較為便利。礦區屬秦嶺南麓之中—低山地區，山脈呈東西向展布，地勢北西高，東南低，海拔高度970 m～1 583.0 m，該區地貌分為低中山和溝谷地貌區。該礦開采方式為地下開采，采礦方法采用無底柱分段崩落法。

在采礦區范圍內共居住38戶村民，村民房屋多為依山而建，土木結構，承重山墻為土打墻，木質立柱，木質梁結構。一般開間寬4.5 m～5 m，進深7 m～8 m，檐口高3.2 m～7.5 m，墻厚0.4 m?；A為干砌石基礎，埋深0.6 m左右。調查期間，部分房屋存在裂縫。

根據現場調查，在村莊附近共存在3條水平探礦巷道，即1050，1110和1150巷道，巷道斷面尺寸為2.7 m×2.7 m，采用爆破掘進，爆破方式為普通爆破，每次最大裝藥量約30 kg。采空區范圍主要涉及1080分段、1090分段、1100分段、1110分段、1120分段、1130分段、1140分段、1150分段和1160分段，采礦爆破方式為中深孔爆破，每次最大裝藥量約150 kg。

2.2 三帶理論分析評價

采用文中式(1)來估算垮落帶的計算高度。根據該金礦的開采設計方案，礦體的平均厚度為13.05 m，巖石松散系數取為1.50，礦層傾角為60°，則垮落帶的高度為52.2 m；根據式(2)，導水裂隙帶的高度為17.4 m～52.2 m，彎曲下沉帶的高度取為導水裂隙帶高度的5倍，則采空區形成彎曲下沉帶的高度在87.0 m～262.5 m之間。

將上述3帶確定的厚度相加，得到該金礦采空區變形帶的高度在156.6 m～366.9 m。采空區最低點高程為1 080 m，對應地表高程在1 200 m左右，高差為120 m左右，可知該金礦采空區會引起地表一定范圍的變形破壞。

2.3 變形角理論分析評價

為評價采空區對附近居民的影響，在采空區邊界距居民房屋最近點的連線上布置剖面線，采用1.2節提供的方法計算分析采空區形成的塌陷區和巖石移動區范圍。根據該礦的現場觀測并結合工程經驗，計算時，塌陷角與巖石移動角取值見表1。

表1 塌陷角與巖石移動角取值 (°)

根據表1塌陷角與巖石移動變形角參數，采用作圖法可確定采空區在地面產生的塌陷區與移動變形區影響范圍，見圖3。根據圖3可知，距離采空區最近的房屋到塌陷區邊界水平距離為83.0 m，到巖石移動區邊界水平距離為68.0 m。根據《采礦設計手冊》中關于保護級別的要求，該處民房屬于Ⅲ級保護等級，Ⅲ級保護對象的安全距離為10 m，可判定該金礦礦山地下開采活動引發的地表塌陷和移動變形不會對周邊民房造成破壞。

2.4 爆破振動影響測試評價

通過爆破振動測試可評價地下采礦爆破作業振動對礦區附近居民房屋的結構的影響。根據現場情況，最終確定爆破點和測試點平面位置見圖4，爆破點信息見表2，測試點信息見表3，測試結果見表4。

表2 爆破點信息表

表3 測試點信息表

表4 測試結果匯總表

根據測試結果，結合爆破安全規程[9]可知，本次爆破振動測試中，C2，C3，C4，C5點位均是S1炮速度峰值最大，分別為0.072 cm/s，0.043 cm/s和0.088 cm/s，頻率在11 Hz～12 Hz，均小于爆破安全規程中的爆破振動安全允許標準。距離S1炮距離最近的C1點測得S1炮振動峰值加速度達到Ⅵ度的峰值加速度范圍，反復振動有可能對其建筑物造成一定影響。

2.5 數值模擬影響評價

根據圖5中的A—A′剖面建立了分析探礦巷道對居民房屋影響的模型，本模型長度為300 m，地表最高點高程為1 368 m，最低點為1 330 m，巷道水平分別為1 050 m，1 110 m和1 150 m，模型最底部高程取為1 085 m，探礦巷道硐室大小為2.7 m×2.7 m， 居民房屋所處位置為模型中地表上自左向右150 m～180 m處。模型網格劃分見圖5，模型計算巖土體物理力學參數見表5。

表5 巖土體物理力學參數表

經過分析計算，給出了巷道掘進引起巖層及地表的水平位移和垂直位移云圖，見圖6，圖7?？梢园l現，居民房屋所處地表最大水平位移2.51 mm，最大沉降值22.56 mm，最小沉降值為15.56 mm，沉降差為7.0 mm，傾斜為0.23 mm/m的水平應變為0.08 mm/m，依據《采礦設計手冊(礦床開采卷下)》，水平應變大于2 mm/m、傾斜大于3 mm/m時，對地表建筑物有影響，可以判斷探礦巷道掘進引起的變形對居民房屋而言是安全的。

3 結語

通過分析金屬礦山地下開采對地表建筑物的影響評價方法，并結合陜西省南部秦嶺腹地某金礦工程實例進行了分析與評價，得到了以下結論：

1)應用“三帶理論”能夠定量計算采空區引發的變形帶高度，并定性判斷這種引發的變形破壞能否發展到地表，但不能確定采空區在地表引發沉陷變形影響范圍。

2)通過變形角評價方法可以確定采空區在地表引發沉陷變形的影響范圍，但不可以給出對地表建(構)筑物的影響程度。

3)運用爆破振動測試可以實測獲得評價對象所在地點的峰值振動速度和主振頻率，定性評價出爆破振動對地表建(構)筑物的影響程度，但不能劃定對地表建(構)筑物的影響規模。

4)運用數值模擬方法的計算結果與定性方法相結合， 可以有效地評價采空區沉陷對附近地表建筑物的影響程度。

綜上，采用多種分析評價方法，可以比較全面的評價金屬礦山地下開采對地表建筑物的影響效果，為妥善化解企地矛盾提供技術材料，同時也給礦山進行開采設計提供理論依據。