金屬礦山地下開(kāi)采對(duì)地表建筑物影響分析研究

龐 磊

(西北有色勘測(cè)工程公司，陜西 西安 710054)

近年來(lái)，隨著國(guó)家金屬礦山的大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用，給工礦企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益，但是，與此同時(shí)，這也給地方生態(tài)環(huán)境和當(dāng)?shù)鼐用竦纳钤斐闪藝?yán)重的影響，造成了工礦企業(yè)發(fā)展與地方利益的矛盾。通過(guò)對(duì)大量事故的分析研究，我國(guó)金屬礦山地下開(kāi)采活動(dòng)引發(fā)的采空區(qū)塌陷地質(zhì)災(zāi)害比較嚴(yán)重，這給工礦企業(yè)及當(dāng)?shù)氐木用裆⒇?cái)產(chǎn)造成了重大損失[1，2]。在國(guó)內(nèi)外，目前煤礦企業(yè)已經(jīng)對(duì)采空區(qū)引發(fā)的地表塌陷和巖石移動(dòng)范圍進(jìn)行預(yù)測(cè)，以及相關(guān)采礦活動(dòng)對(duì)地表建筑物和構(gòu)筑物的損害影響進(jìn)行評(píng)價(jià)等方面做了大量的研究工作，得出了許多可供參考的經(jīng)驗(yàn)與成果[3]。然而，金屬礦山的開(kāi)采，由于其地質(zhì)發(fā)育條件和開(kāi)采方式、方法等與煤礦開(kāi)采不盡相同，那么，基于煤礦開(kāi)采研究的地表變形移動(dòng)規(guī)律和相關(guān)預(yù)測(cè)成果理論一般很難完全應(yīng)用于金屬礦山。研究金屬礦山地下開(kāi)采對(duì)地表建筑物的影響和預(yù)測(cè)，妥善化解企地矛盾就顯得十分必要。

本文結(jié)合工程實(shí)例，介紹了“三帶理論”、塌陷角和巖石移動(dòng)角等理論在分析評(píng)價(jià)金屬礦山地下開(kāi)采對(duì)地表建筑物影響的應(yīng)用，定性和定量分析了地下開(kāi)采相關(guān)活動(dòng)對(duì)地表建筑物的影響范圍，為妥善化解企地矛盾提供了技術(shù)依據(jù)。

1 影響評(píng)價(jià)方法研究

1.1 三帶理論

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

1)垮落帶。

由于受到礦體地下開(kāi)采的影響，礦體頂部覆蓋的巖體應(yīng)力重分布，造成頂部巖體發(fā)生破碎垮塌的區(qū)域稱為垮落帶。垮落帶帶內(nèi)巖體通常以拱形垮塌的方式向上發(fā)展。當(dāng)垮塌的破碎巖石體積與采出礦石的體積相等時(shí)，垮塌停止發(fā)展，垮塌后破碎巖石起到了支撐上覆未崩落巖層作用[5]。垮落帶高度與礦體開(kāi)采的厚度、垮塌巖石的碎脹性有關(guān)，同時(shí)還與礦體采動(dòng)范圍、覆巖強(qiáng)度及采空區(qū)的充填狀況相關(guān)。

根據(jù)查閱相關(guān)規(guī)范并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)?shù)V體的傾角小于巖塊的自然安息角時(shí)，垮落帶的高度H冒為：

(1)

其中，M為礦體開(kāi)采的厚度，m；K為巖石的松散系數(shù)，按經(jīng)驗(yàn)取值，無(wú)量綱；α為礦體巖層的傾角，(°)；H冒為垮落帶高度，m。

2)導(dǎo)水裂隙帶。

垮落帶上覆巖層中產(chǎn)生裂縫、斷裂和離層，但仍然保持原有的層狀結(jié)構(gòu)，該部分巖層稱為導(dǎo)水裂隙帶。導(dǎo)水裂隙帶雖然沒(méi)有垮落，但是由于產(chǎn)生了大量裂隙，使巖體內(nèi)部失去原有的整體性。導(dǎo)水裂隙帶的高度同所在地質(zhì)構(gòu)造、巖層性質(zhì)和開(kāi)采方式等條件相關(guān)，通常導(dǎo)水裂隙帶高度比垮落帶高度較小，可得導(dǎo)水裂隙帶高H裂為：

H裂=H冒/(1～3)

(2)

其中，H裂為導(dǎo)水裂隙帶的高度，m。

3)彎曲下沉帶。

導(dǎo)水裂隙帶巖層產(chǎn)生裂縫、斷裂和離層后，引起上部巖層發(fā)生下沉彎曲變形現(xiàn)象，該部分巖層稱為彎曲下沉帶。該帶內(nèi)的巖層通常只在自重作用下發(fā)生法向的彎曲變形，不再引起破裂現(xiàn)象，所以該地帶內(nèi)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(guān)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)巖層為硬質(zhì)巖且容易脆裂時(shí)，彎曲下沉帶高度為導(dǎo)水裂隙帶高度的3倍～5倍；當(dāng)巖體為軟質(zhì)巖且塑性較好時(shí)，約為導(dǎo)水裂隙帶高的數(shù)十倍。

1.2 變形角理論評(píng)價(jià)方法

采空區(qū)上方地表塌陷區(qū)邊界與采空區(qū)邊界之間的連線與水平面之間的外側(cè)夾角稱為塌陷角或陷落角，而隨采空塌陷之后的繼續(xù)變形，其最終變形邊界與采空區(qū)邊界連線與水平面外側(cè)夾角為移動(dòng)變形角[6]。移動(dòng)角和塌陷角是研究地下采礦引起地表移動(dòng)變形規(guī)律的重要參數(shù)，利用移動(dòng)角和塌陷角相關(guān)理論可以計(jì)算確定地表塌陷區(qū)和移動(dòng)變形區(qū)的邊界范圍。礦山所在區(qū)域地層巖石的塌陷角和移動(dòng)變形角可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)、測(cè)試、理論分析、工程類比法和數(shù)值模擬等方法確定。對(duì)于項(xiàng)目周邊存在類似礦山，新的礦山在進(jìn)行地下開(kāi)采設(shè)計(jì)時(shí)可按工程類比法確定塌陷角和移動(dòng)變形角參數(shù)。應(yīng)用塌陷角和移動(dòng)變形角理論確定地表塌陷區(qū)和移動(dòng)變形區(qū)的影響范圍，如圖2所示。位于上述兩區(qū)范圍內(nèi)的建筑物可能遭到變形破壞。

1.3 爆破振動(dòng)測(cè)試法

金屬礦山采礦作業(yè)多以地下爆破方式進(jìn)行，爆破振動(dòng)對(duì)爆破作業(yè)區(qū)一定范圍內(nèi)的建(構(gòu))筑物將造成一定的影響。對(duì)于如何評(píng)價(jià)不同類型建(構(gòu))筑物受到爆破振動(dòng)的影響，應(yīng)采用不同的安全判據(jù)和允許標(biāo)準(zhǔn)。《爆破安全規(guī)程》給出了地面建筑物的爆破振動(dòng)的安全允許標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)根據(jù)評(píng)價(jià)對(duì)象所在地點(diǎn)的峰值振動(dòng)速度和主振頻率來(lái)評(píng)價(jià)不同類型建(構(gòu))筑物受到爆破振動(dòng)的影響。

采用爆破振動(dòng)測(cè)試方法實(shí)測(cè)爆破作業(yè)的爆破振動(dòng)安全允許距離，可分析金屬礦山地下開(kāi)采對(duì)地表建筑物影響。

1.4 數(shù)值模擬分析方法

近年來(lái)，數(shù)值模擬分析方法在工程實(shí)踐中得到了廣泛應(yīng)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(jìn)引起巖層移動(dòng)對(duì)地表建筑物產(chǎn)生的影響。

2 工程實(shí)例

2.1 礦山開(kāi)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(qū)有硬化公路與國(guó)道相接，交通較為便利。礦區(qū)屬秦嶺南麓之中—低山地區(qū)，山脈呈東西向展布，地勢(shì)北西高，東南低，海拔高度970 m～1 583.0 m，該區(qū)地貌分為低中山和溝谷地貌區(qū)。該礦開(kāi)采方式為地下開(kāi)采，采礦方法采用無(wú)底柱分段崩落法。

在采礦區(qū)范圍內(nèi)共居住38戶村民，村民房屋多為依山而建，土木結(jié)構(gòu)，承重山墻為土打墻，木質(zhì)立柱，木質(zhì)梁結(jié)構(gòu)。一般開(kāi)間寬4.5 m～5 m，進(jìn)深7 m～8 m，檐口高3.2 m～7.5 m，墻厚0.4 m。基礎(chǔ)為干砌石基礎(chǔ)，埋深0.6 m左右。調(diào)查期間，部分房屋存在裂縫。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)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(jìn)，爆破方式為普通爆破，每次最大裝藥量約30 kg。采空區(qū)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(píng)價(jià)

采用文中式(1)來(lái)估算垮落帶的計(jì)算高度。根據(jù)該金礦的開(kāi)采設(shè)計(jì)方案，礦體的平均厚度為13.05 m，巖石松散系數(shù)取為1.50，礦層傾角為60°，則垮落帶的高度為52.2 m；根據(jù)式(2)，導(dǎo)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(dǎo)水裂隙帶高度的5倍，則采空區(qū)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(qū)變形帶的高度在156.6 m～366.9 m。采空區(qū)最低點(diǎn)高程為1 080 m，對(duì)應(yīng)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(qū)會(huì)引起地表一定范圍的變形破壞。

2.3 變形角理論分析評(píng)價(jià)

為評(píng)價(jià)采空區(qū)對(duì)附近居民的影響，在采空區(qū)邊界距居民房屋最近點(diǎn)的連線上布置剖面線，采用1.2節(jié)提供的方法計(jì)算分析采空區(qū)形成的塌陷區(qū)和巖石移動(dòng)區(qū)范圍。根據(jù)該礦的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，計(jì)算時(shí)，塌陷角與巖石移動(dòng)角取值見(jiàn)表1。

表1 塌陷角與巖石移動(dòng)角取值 (°)

根據(jù)表1塌陷角與巖石移動(dòng)變形角參數(shù)，采用作圖法可確定采空區(qū)在地面產(chǎn)生的塌陷區(qū)與移動(dòng)變形區(qū)影響范圍，見(jiàn)圖3。根據(jù)圖3可知，距離采空區(qū)最近的房屋到塌陷區(qū)邊界水平距離為83.0 m，到巖石移動(dòng)區(qū)邊界水平距離為68.0 m。根據(jù)《采礦設(shè)計(jì)手冊(cè)》中關(guān)于保護(hù)級(jí)別的要求，該處民房屬于Ⅲ級(jí)保護(hù)等級(jí)，Ⅲ級(jí)保護(hù)對(duì)象的安全距離為10 m，可判定該金礦礦山地下開(kāi)采活動(dòng)引發(fā)的地表塌陷和移動(dòng)變形不會(huì)對(duì)周邊民房造成破壞。

2.4 爆破振動(dòng)影響測(cè)試評(píng)價(jià)

通過(guò)爆破振動(dòng)測(cè)試可評(píng)價(jià)地下采礦爆破作業(yè)振動(dòng)對(duì)礦區(qū)附近居民房屋的結(jié)構(gòu)的影響。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，最終確定爆破點(diǎn)和測(cè)試點(diǎn)平面位置見(jiàn)圖4，爆破點(diǎn)信息見(jiàn)表2，測(cè)試點(diǎn)信息見(jiàn)表3，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。

表2 爆破點(diǎn)信息表

表3 測(cè)試點(diǎn)信息表

表4 測(cè)試結(jié)果匯總表

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，結(jié)合爆破安全規(guī)程[9]可知，本次爆破振動(dòng)測(cè)試中，C2，C3，C4，C5點(diǎn)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(guī)程中的爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)。距離S1炮距離最近的C1點(diǎn)測(cè)得S1炮振動(dòng)峰值加速度達(dá)到Ⅵ度的峰值加速度范圍，反復(fù)振動(dòng)有可能對(duì)其建筑物造成一定影響。

2.5 數(shù)值模擬影響評(píng)價(jià)

根據(jù)圖5中的A—A′剖面建立了分析探礦巷道對(duì)居民房屋影響的模型，本模型長(zhǎng)度為300 m，地表最高點(diǎn)高程為1 368 m，最低點(diǎn)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(wǎng)格劃分見(jiàn)圖5，模型計(jì)算巖土體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表5。

表5 巖土體物理力學(xué)參數(shù)表

經(jīng)過(guò)分析計(jì)算，給出了巷道掘進(jìn)引起巖層及地表的水平位移和垂直位移云圖，見(jiàn)圖6，圖7。可以發(fā)現(xiàn)，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(yīng)變?yōu)?.08 mm/m，依據(jù)《采礦設(shè)計(jì)手冊(cè)(礦床開(kāi)采卷下)》，水平應(yīng)變大于2 mm/m、傾斜大于3 mm/m時(shí)，對(duì)地表建筑物有影響，可以判斷探礦巷道掘進(jìn)引起的變形對(duì)居民房屋而言是安全的。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析金屬礦山地下開(kāi)采對(duì)地表建筑物的影響評(píng)價(jià)方法，并結(jié)合陜西省南部秦嶺腹地某金礦工程實(shí)例進(jìn)行了分析與評(píng)價(jià)，得到了以下結(jié)論：

1)應(yīng)用“三帶理論”能夠定量計(jì)算采空區(qū)引發(fā)的變形帶高度，并定性判斷這種引發(fā)的變形破壞能否發(fā)展到地表，但不能確定采空區(qū)在地表引發(fā)沉陷變形影響范圍。

2)通過(guò)變形角評(píng)價(jià)方法可以確定采空區(qū)在地表引發(fā)沉陷變形的影響范圍，但不可以給出對(duì)地表建(構(gòu))筑物的影響程度。

3)運(yùn)用爆破振動(dòng)測(cè)試可以實(shí)測(cè)獲得評(píng)價(jià)對(duì)象所在地點(diǎn)的峰值振動(dòng)速度和主振頻率，定性評(píng)價(jià)出爆破振動(dòng)對(duì)地表建(構(gòu))筑物的影響程度，但不能劃定對(duì)地表建(構(gòu))筑物的影響規(guī)模。

4)運(yùn)用數(shù)值模擬方法的計(jì)算結(jié)果與定性方法相結(jié)合， 可以有效地評(píng)價(jià)采空區(qū)沉陷對(duì)附近地表建筑物的影響程度。

綜上，采用多種分析評(píng)價(jià)方法，可以比較全面的評(píng)價(jià)金屬礦山地下開(kāi)采對(duì)地表建筑物的影響效果，為妥善化解企地矛盾提供技術(shù)材料，同時(shí)也給礦山進(jìn)行開(kāi)采設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。