某地下礦采區測量及開采對地面影響

賀躍光，熊 莎，赫天沛

（1.長沙理工大學 交通運輸工程學院，湖南 長沙 410004；2.寧夏回族自治區國土測繪院，寧夏 銀川 750021）

某石膏礦礦區面積0.273 5km2，礦區內為剝蝕構造地貌，地形起伏平緩，地表主要為農田和民房，相對高差50m，地貌呈現顯著剝蝕殘丘現象。區內地表水發育，水塘星羅棋布，礦區外圍北部有河流經過，切割區內所有地層，河寬20～55m，為常年性河流，最大流速為66.81m3/s。為判定開采對地面建筑物的影響，通過測量礦區井下開采平面圖、礦區地表平面圖及礦區井上井下對照圖，并對其安全性進行分析。

1 礦山開采及測量工作

1.1 礦山地質條件及開采現狀

礦區出露地層由新到老分布有第四系、下第三系、三疊系下統大冶組、二疊系上統龍潭組、二疊系下統當沖組、棲霞組及石炭系中上統狐天群。礦區構造較簡單，區域內新構造運動不強烈，石膏礦賦存于下第三系地層中與伏地層不整合接觸。自上而下分6層，第2層（Ⅱ）和第3層（Ⅲ）為石膏層，其中Ⅱ石膏層為開采石膏層，厚度34.49～56.90m，平 均45.14m，其 中 可 開 采 利 用 厚 度2.99～12.47m，平均6.74m。

該礦礦體賦存于下第三系含膏巖系內，礦層直接頂、底板為砂巖、砂質泥巖。礦體產狀較穩定，傾角10°～23°，礦體呈層狀、似層狀，巖石較完整。但頂板泥質巖石受水浸泡變軟，易發生冒頂事故。由于地質構造簡單、礦巖中等穩定，一般無需支護，但泥質巖石一旦受水浸泡，巖石變軟易冒落掉塊。

礦地形坡度不大，相對高差較小，植被不發育，地表主要為水田，地表水徑流排泄條件不好。礦井上部民房較多，礦層頂板巖層為紅色粉砂巖，抗風化能力弱，遇水易軟化，脫水后易成粘土，開采時必需留一定厚度的硬石膏作為護頂層，防止地面開裂及地面塌陷［1－2］。

礦山采用斜井開拓，房柱法從上至下、由南向北后退式開采順序，設計生產能力9萬t/a，礦山現建有主、副兩條斜井（分別稱為二號井、一號井），主井井口標高為＋256.83m，落底標高＋152.95m，風井井口標高＋254.09m，落底標高＋136.21m，延伸井落底標高為＋92.43m。主、副斜井相距約300m，井筒穿過礦層，為保護主、副井，在其兩側各留20m保安礦柱。

1.2 井下及地面測量

為研究開采對地表影響，通過測量工作獲得礦區井下開采平面圖、礦區地表平面圖及礦區井上井下對照圖。其中地面測量的圖根控制使用Trimble 5800GPS接收機進行GPS RTK作業，采用兩個起算點數據進行坐標校正，布設地面圖根控制點和近井控制點。碎部測量使用Leica TS－06 2″全站儀進行，測繪測區內地物地貌，并記錄房屋類型及結構資料。

井下控制測量使用Leica TS－06 2″全站儀，從一號井井口近井點出發，布設附合全站儀三維導線至二號井井口近井點，導線全長560m，導線平面全長閉合差0.043m，相對精度為1/13 000，高程閉合差0.024m，均滿足相應規范要求［3－4］。

利用井下控制測量所獲圖根控制點，測定一號井、二號井的各巷道、各臨時封閉和永久封裝的采空區，間隔均勻測定各特征點頂板、底板高程與平面位置。內業使用cass 7.0成圖軟件繪制成圖。現場實際測量的采場現狀為：

1）＋154m中段：礦房跨度一般為7～8m，最小跨度5m，最大跨度為15.8m（217號采場）。采場高度一般為7～13m，最小為4m，個別點高達19.7m（210號采場），最高達22.1m（225號采場），超過設計回采高度。綜合分析采場結構實測參數和地質資料，上述兩處石膏護頂層留設厚度不足。

2）＋137m中段：礦房跨度一般為8～10m，最小跨度7m，個別采場最大跨度達14m（112號采場），采場高度一般為7～9m，最小為5.5m，最高15m（107號采場）。

3）二號井東北部208采場、209采場、210采場、211采場出現部分越界，221采場略有越界。

此外，根據現場調查，目前該礦井下采空區大部分未填充或封閉，局部采場回采結束后進行了簡易封閉。

2 開采對地面的影響

以礦柱支撐頂板的房柱法開采留下的采空區，其對地面民房影響主要是頂板和礦柱兩個基本因素。當礦柱穩定性滿足安全要求時，如果采場頂板暴露面積過大，頂板將會失穩，產生采場冒頂或整體筒狀冒落，引起地表局部塌陷［5］。根據實測結果，分析安全開采深度和采空區穩定性，并對采場頂板穩定性、護頂層穩定性、礦柱穩定性進行分析。

2.1 預計安全開采深度

石膏礦體采出后，在采空區周圍巖體中發生較為復雜的移動和變形，移動穩定后的頂板巖體按其破壞的程度，分為3個不同的開采影響帶：冒落帶（垮落帶）、裂隙帶和彎曲帶。根據開采現狀，計算其上覆巖層的導水裂隙帶高度加上一定的保護層厚度，為頂板防水安全厚度［6－8］。

2.1.1 單層開采預計安全開采深度

1）冒落帶高度。在礦體傾角小于巖塊的自然安息角時，冒落帶高度為

式中：M為開采法線厚度；α為礦體傾角；K為碎脹系數。

2）裂隙帶高度。冒落帶以上為裂隙帶，其高度

現場實測采場高度一般為7～13m，210采場高度達19.7m，最高達22.1m（225采場）。計算相應的冒、裂帶總高度如表1所示。

數據表明，由于頂板為砂巖，若不控制礦房寬度，210采場開采厚度19.7m，充分采動時頂板巖層的最大冒、裂帶總厚度高度達122.5m，而開采厚度19.7m處地表為魚塘，標高約＋250m，對應采場頂板標高＋172.1m，底板標高＋152.4m，采空區上方覆蓋巖層與表土的總厚度78m，小于計算冒、裂帶總厚度；225采場開采厚度22.1m，充分采動時頂板巖層的冒、裂帶總厚度高度達124.3m，地表標高約＋251m，對應采場頂板標高＋173.3m，底板標高＋151.1mm，采空區上方覆蓋巖層與表土的總厚度78m，小于計算冒、裂帶總厚度（見表1）。上述兩處一旦發生頂板冒落，易導致裂隙帶連通魚塘底部，產生嚴重安全隱患。

表1 計算冒、裂帶總高度 m

2.1.2 多層開采預計安全開采深度

礦山存在上下兩層開采的采場，當下層礦體的冒落帶接觸到或完全進入上層礦體范圍內時，上層礦體的導水裂縫帶最大高度采用本層礦體的厚度計算，下層礦體的導水裂縫帶最大高度，則應采用上、下層礦體的綜合開采厚度計算，取其中標高最高者為兩層礦體的導水裂縫帶最大高度［8］。計算上、下層礦體的綜合開采厚度為

式中：M1為上層礦厚度；M2為下層礦厚度；h1－2為上、下層礦之間的法線距離；y2為下層礦的冒高與采厚之比。

由于層間的夾層厚度一般為6～10m，最大10m，最小4m。111采場與203采場對應區域，h1－2＝4m，求得MZ1－2＝17.4m。由式（2）計算裂隙帶高度85m。由于采區地表標高為＋252m，其覆蓋巖層與表土的總厚度為86m，小于計算的冒、裂帶總厚度120.6m，一旦發生頂板冒落，將產生嚴重安全隱患。因此，需進行采場頂板穩定性評價。

2.2 采場頂板穩定性

房柱法開采的石膏礦山采空區，當礦柱穩定性滿足安全要求，而采場頂板暴露面積過大，或者由于留設護頂礦層厚度不足或被破壞，頂板將會失穩，產生采場冒頂或整體筒狀冒落，引起地表局部塌陷［9－10］。用太沙基地壓理論計算采場跨度與頂板臨界深度結果如表2所示。

表2 采場跨度與頂板臨界深度 m

由于目前該礦已采場的跨度一般為7～10m，最大跨度為15.7m。根據前述采空區頂板覆巖厚度分析，采空區頂板距地表78m，采場頂板覆巖厚度大于其臨界深度，頂板穩定性好。

用Barton極限跨度分析法結合工程地質調查與巖體質量評價對采空區（采場、巷道）的極限跨度（頂板允許寬度）計算該礦最大無支護跨度為11m。根據現場測量該礦采場跨度一般為7～10m，最大達15m。如其中二號井水平的217采場寬度為15.5m，一號井水平的109采場寬度為15.7m，超過最大無支護跨度11m，采場頂板存在局部失穩的安全隱患。

2.3 護頂層厚度

石膏上覆蓋巖石一般為導水、易風化、崩落的砂巖和泥質砂巖。礦山采用留設一定厚度的石膏護頂層既能起到隔水作用，又能起支撐頂板、防止砂巖和泥質砂巖直接暴露風化后冒落的作用。根據跨越巷道的“伏薩爾梁”概念，當改變采場結構參數時，護頂層穩定性的主要影響為護頂層頂板中心位移增加及護頂層被壓縮破壞。當礦山按設計開采，采場寬度為8m時，頂板留設有2m以上厚度石膏護頂層時，護頂層穩定［11－12］。

目前采場寬度一般為7～10m，當采場寬度為10m時，頂板留設2.5m以上厚度石膏護頂層時，護頂層穩定。當采場高度達14m時，該采場需留設3m以上厚度護頂層方能確保護頂層穩定。

根據現場實測，210采場高度達19.7m，225采場高度達22.1m，超過設計回采最大高度，根據采場現場實測結構參數和地質資料，礦山存在石膏護頂層厚度不足（是否滿足留設3m以上厚度護頂層）的安全隱患，需對上述頂板進行探頂驗證，并在今后開采過程中，嚴格按設計開采，嚴禁超高開采，并按要求留設足夠的護頂層。

2.4 礦柱穩定性

礦柱不僅用于維護礦房的穩定，也用于隔離大面積空場與保護井巷、地表及建筑物的安全。從維護采場穩定性方面考慮，礦柱間距應小于極限跨度，礦柱本身橫斷面尺寸應滿足強度要求。如果某個礦柱尺寸過小，一旦被壓垮，勢必造成采場實際跨度過大而導致冒頂，與此同時，覆巖壓力轉移到其它相鄰礦柱上，也可能引起礦柱破壞，并產生連鎖反應［13］。

根據該礦硬石膏單軸抗壓強度實驗，取石膏礦抗壓強度44.21MPa，上覆巖層容重28kN/m3，目前采空區分布在＋154m、＋137m水平，地表標高為＋255m，由于留設的條形礦柱需要長期負載以保護頂板的穩定性，容許的安全系數應大于2.0，根據各開采參數下條形礦柱安全系數計算，表明目前該礦＋154m、＋137m水平留設的礦柱的穩定性滿足安全要求。

3 結束語

對該礦地下開采區測量及其對地面建筑影響研究認為：2號井東北部的208、209、210、211采場出現部分越界現象；210采場高度達19.7m，225采場高度最高達22.1m，超過設計回采最大高度，存在石膏護頂層厚度不足的安全隱患，需要采取防護措施；采場跨度為7～10m的地段，采場頂板能保持穩定，即使局部冒落，也不會波及到地表。但是二號井水平的217場測量采場寬度為15.5m，一號井水平的109采場測量采場寬度為15.7m，超過了最大無支護跨度11m，采場頂板存在局部失穩的安全隱患。一旦失穩有可能波及地表，對地面民房有影響；目前該礦＋154m、＋137m水平留設的礦柱穩定性滿足安全要求。為了確保地面建筑安全，同時建議進行地表移動監測。

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