急傾斜薄礦體開采巖移主要影響因素及參數

金屬礦山的地下開采對地表及地表建筑物產生不同程度的影響，因考慮因素較多，對于開采急傾斜薄礦體的金屬礦山，開采過程中巖層及地表移動變形的分析過程較為復雜。該文結合江東金礦的實際工程，總結出急傾斜薄礦體開采巖層的影響因素并對巖層和地表移動變形的主要參數進行了探究，從而得出重要結論。

隨著工業革命的發展，礦產資源的需求量越來越大，大規模的地下開采引起了巖層移動，巖層移動過于劇烈引起地表沉陷，隨之而來的是大量的財產損失和人員傷亡。早在15 世紀的英國和比利時，人們就注意到了礦山巖層移動的問題，德國在18 世紀記載了因礦山地表塌陷造成的鋼軌懸空事故以及礦山開采危及地面建筑物的事故。此后礦山地下開采引起的巖層移動受到了各國科學者和政府的重視，并進行了長達百年的大量研究，逐漸成為礦山地下開采領域的一個重要研究方向。

1、工程背景

江東金礦位于湖南省岳陽市平江縣，位于平江縣城南約15km 的安定鎮江東村區域范圍內，礦區與106 國道相連，公路交通方便。具體的地理位置如圖1-1所示。

圖1-1 江東金礦的地理位置

礦山總體為一單斜構造，傾向北東，傾角較陡（50～75°），產狀較穩定。礦山構造以斷裂為主，褶皺不發育，局部具有小規模尖棱褶皺。區內斷裂構造主要有北西（西）向、北東向和北北西向三組，均具多期活動特征，其中北西（西）向斷裂發育較早，目前礦山的礦脈均為北西（西）向，北西（西）向斷裂與礦化關系密切。

2、開采巖層移動影響因素

江東金礦的巖層移動是多種因素互相影響作用的結果，總的來說這些影響因素可以分為兩類，一類是自然地質條件因素，一類是采礦技術因素，對這些影響因素的總結分析有助于進一步地對江東金礦地下開采巖層移動規律進行科學的研究，有效地指導礦山科學開采，掌握礦山整體的安全形勢。

根據江東金礦生產實踐的經驗，在兩類影響因素中主要有以下幾個方面。

圍巖力學性質。不同的巖石的物理力學性質差別很大，根據普氏系數巖石分類的方法，將巖石分為了極硬巖石（f>9）硬巖石（9≥f>6）、中硬巖石（6≥f>3）和軟巖石（f≤3）。礦體圍巖的巖性不同，所發生的力學變形變化也不相同，致使礦體開采后上覆巖層的移動范圍及沉降程度也有很大區別，硬巖巖層的移動角相對軟巖移動角的較大，對地表的影響也相對較小。

礦體傾角。在水平礦體的開采條件下，巖層移動后地表所形成的下沉區域是對稱分布的，但是隨著礦體傾角的增大，對稱分布會逐漸消失。水平及緩傾斜礦體（0～35°）開采條件下，巖層移動形勢主要為沿巖層的法向彎曲和崩落，地表下沉盆地為對稱的碗型或盤型；該文原載于中國社會科學院文獻信息中心主辦的《環球市場信息導報》雜志http：//www.ems86.com總第565期2014年第33期-----轉載須注名來源傾角超過35°之后，巖層移動的形勢除了有法向的彎曲外，還伴隨著沿層面的剪切移動和巖石下滑，地表下沉盆地形成四周非對稱的碗型或盤形；當傾角超過54°之后，地表下沉盆地可能呈兜型或瓢型；當傾角超過75°之后，地表可能將形成臺階狀盆地；當傾角接近90°時下沉盆地形狀又將恢復比較對稱的碗型或兜型。

礦體走向長度。礦體走向長度在一定程度上影響了地表下沉的形狀及范圍，下沉盆地隨著礦體走向延伸，反映了地下開采的推進程度及礦山地下采空區的規模。

礦體開采深度。隨著礦體開采深度的不斷加深，深部礦體開采形成的采空區對巖層及地表的各項變形影響作用減小，但是在影響范圍上呈變大的趨勢，地表所形成的下沉盆地趨于平緩，因此在同等情況下，巖層及地表變形值是與開采深度成反比的。

礦體開采深度同時還直接影響巖層及地表下沉速度，及整個下沉過程的持續時間。開采深度較淺時，下沉速度比較快，持續時間比較短，反之，開采深度比較深的時候，下沉速度較慢，而持續時間則相對較長。

礦體開采厚度。礦體開采厚度直接反映了地下采空區的規模，隨著采空區的頂板下沉變形，礦體上覆巖層也將發生下沉變形，一直延伸至地面。開采礦體的厚度越大，與其對應的冒落帶、導水裂縫帶高度越大，地表變形值也會隨之增大，移動速度加快，變形過程表現得更加劇烈，所以礦體開采厚度與巖層及地表的變形數值呈現出正比關系。

此外，礦體開采深度與礦體厚度比值H/m 也是衡量地表破壞的重要參數，當深厚比小于20 時，地表將產生極其嚴重的裂縫、塌陷等地表變形；當深厚比在20～200 之間時，地表將產生不同程度的變形；當深厚比大于200 時，地表可能出現微小裂縫，深厚比越小，產生破壞的可能性越大。

3、巖層及地表移動變形主要參數

根據國內外學者的多年實踐，在不同的分析方法中，影響巖層及地標變形移動的參數有很多，在急傾斜礦體開采時，其中較為主要的幾個參數是：下沉系數q、主要影響角正切tanβ 和水平移動系數b。

下沉系數q。開采厚度通常是影響覆巖和地表移動變形的主要因素，巖層和地表的變形值和開采厚度成正比，當在充分采動的情況下，厚度、傾角和地表某一點的最大下沉值與下沉系數q 成以下關系：

q= W0/mcosα （2-1）

式中 q——下沉系數；W0——充分采動時的最大下沉值，mm；m——開采厚度，mm；α——礦體傾角。

下沉系數q 的確定和很多因素相關，比如說巖石越堅硬，q 值越小，反之，巖性越軟弱，q 值越大。

主要影響角正切tanβ。主要影響角正切tanβ主要與開采深度H 及下沉盆地所形成的影響半徑r 有關，一般來說成以下關系：

tanβ=H/r （2-2）

式中 β——主要影響角；H——開采深度，m；r——影響半徑，m。

隨著開采深度和上覆巖層性質等因素的變化，將不會呈上述表達式的變化形式，需要相對應的參數進行修正。

水平移動系數b。水平系數主要是反映最大水平移動變形值和最大下沉值之間的比值，可以表現出下沉盆地在水平和垂直方向的變化程度，一般采礦地質條件下走向方向的水平移動系數取值一般在0.1～0.4 之間，傾向及走向方向的水平移動系數計算式如下：

傾向方向：b=U0/W0 （2-3）

走向方向：bs=Us/W0 （2-4）

式中 b——傾向水平移動系數；bs——傾向水平移動系數；U0——傾向方向最大水平移動變形值，m；Us——走向方向最大水平移動變形值，m；W0——最大下沉值，m。

實踐表明，水平移動系數b 受上覆巖層的巖性影響較小，主要是受開采礦體的埋藏傾角影響，隨著礦體的傾角的變化，最大水平移動變形值和最大下沉值也在變化。

本文以江東金礦為例，總結了開采巖層移動的影響因素有：圍巖力學性質、礦體傾角、礦體走向長度、礦體開采深度以及礦體開采厚度等，根據國內外學者的多年實踐，總結了影響巖層及地標變形移動較為主要的幾個參數，為以后理論分析提供依據。

（作者單位：吉林省有色金屬地質勘查局六〇四隊）