甘肅青羊峽鉛鋅礦采空區穩定性研究

劉天柱，逯 娟，侯 娜

（1.中國建筑材料工業地質勘查中心甘肅總隊，甘肅 天水 741000；2.蘭州資源環境職業技術學院地質與珠寶學院，甘肅 蘭州 730001）

1 交通與位置

青羊峽鉛鋅礦位于甘肅省西和縣距城南20Km。地理坐標為：東經105°19′00″～105°22′00″，北緯33°51′00″～33°53′00″，行政區劃隸屬于西和縣十里鄉管轄。礦區位于西和縣城東南約20Km，有鄉級公路連通，新建十天高速公路從西和縣城西側通過，交通條件大大改善。礦區距隴海鐵路天水車站約121km，有國家三級公路相連，交通便利。

2 地質特征

頁水河礦床東起頁水河西至滴水溝，東西長約5km，呈北西西向展布。礦體密集地段在本礦區范圍東段。礦區內出露地層主要為中泥盆統紅嶺山組(Dhl)和部分上泥盆雙狼溝組（Dsl）的一套以碳酸鹽為主夾千枚巖、板巖地層溝谷中見第四系沖積物。礦區中褶皺構造十分發育，處于頁水河向斜與頁水河南野雞溝背斜之間的次級復式褶皺。

3 采礦區調查研究

3.1 礦區的礦產資源賦存情況

青羊峽鉛鋅礦采礦權東西長1680m、南北寬約400m，共探明大小礦體30 多個，其中以1、4、12 號礦體規模較大，其余礦體多為單工程或單剖面見礦的小礦體，以紅嶺山組第四巖段（DhL4）為界，其下為12 號礦體，其上為1 號、4 號礦體。礦區以16 線（南家溝）為界分為東、西兩段，礦體互不相連，但含礦層位相對應，1、4 號礦體實際為同一礦體，在西礦段稱為1 號礦體，東礦段為4 號礦體，根據資源儲量核實報告，目前1 號礦體及西礦段礦體已采完，東礦段1669m水平以上的4、12 號礦體也多已采空，主要保有資源量多位于1669m 水平以下[1]。

3.2 采場洞口廢渣的分布狀況

根據現場調查和實地測量，青羊峽鉛鋅礦在以往開采過程中共形成了4 處較大的礦石及棄碴堆場，堆場集中分布在16 線附近南溝溝谷中，部分堆場由于形成時間長漸呈現較穩固態，絕大多數均為隨意沿溝堆放，形成較陡峭的坡體坡角。

3.3 采空區的范圍及分布形態

3.3.1 采空區平面分布范圍

區內采空區已采礦體以12 號礦體為主，該礦體在礦區西段呈向斜形態出現，向斜在15 線較為寬緩，南翼礦體向北，傾角交陡，多在70°左右，北翼傾向南，傾角緩，僅25°～28°，標高在1740m 左右，而在0 線向斜緊閉，向斜南翼傾向北，傾角70°～75°，向斜北翼似向南傾角80°以上，有時甚至傾向北，傾角70°～75°，形成倒轉向斜。

從總體分布來看，西和青羊礦業有限責任公司上報的50 處礦房分布于23-80 線之間，根據區內礦體分布及礦山開采情況，將采空區分布以南溝（16 線）分為東坡、西坡兩個采區。其中西坡采空區主要分布在23-0 線1780m～1685m 標高之間，長約346m，寬約5m～91m，面積約0.0175km2；東坡采空區主要分布在24-80 線1736m～1570m 標高之間，長約725m，寬約9m～85m，面積約0.0340km2。

3.3.2 采空區剖面形態特征

從立面圖分布來看，青羊峽礦山采空區分布可以劃分為東西兩處采空區來進行說明。

西采區采空區平面分布范圍主要在23-0 線，開采中段主要有1780、1740、1700、1685 中段，根據各采礦中段采空區分布情況來看：1780m 中段以上形成礦房有5 個，編號為1780C01-1780C05，形成時間為1996年；1740m～1780m 中段之間形成的礦房有4 個，編號為1740C01-1740C04，形成時間為1995 年；1700m～1740m中段之間形成的礦房有4 個，編號為1700C01-1700C04，形成時間為1995 年；1685m～1700m 中段之間形成的礦房有2 個，編號1685C01、1685C02，形成時間為1996 年。

東采區采空區平面分布范圍主要在24-80 線，開采中段主要有1710、1669、1643、1610、1570 中段，根據各采礦中段采空區的礦房分布情況來看：1735m～1710m 標高之間形成的礦房有6 個，編號為1710C01-1710C06，形成時間為2003 年；1710m～1669m 標高之間形成的礦房有14 個，編號1669C01-1669C14，形成之間2002-2010 年，該中段礦房較密集，連貫性較好，連續長度在350m 左右；1669m～1643m 標高之間形成的礦房有5個，編號為1643C01-1643C05，形成時間2003-2010年；1643m～1610m 標高之間形成的礦房有6 個，編號為1610C01-1610CO6，形 成 時 間 為2009-2010 年；1610m～1570m 標高之間形成礦房有4 個，分布比較集中，各礦房連續貫通較好，編號為1570C01-1570C04，形成時間為2007-2008 年。

4 采空區穩定性評價

4.1 定性評價

本次采空區調查，在考慮西和青羊礦業有限責任公司青羊峽鉛鋅礦礦區登記范圍、采礦影響范圍及選礦廠、尾礦庫的分布和影響，確定評估區范圍1.176km2。

本次調查在評估區范圍內企業上報的50 個礦房，調查未發現地表塌陷區。根據西和青羊礦業有限責任公司上報采空區情況，將上報礦房進行投影，采空區地表投影分為2 處，均呈東西向條帶狀分布，其中西坡采空區主要分布在23-0 線1780-1685m 標高之間，長約346m，寬約5m～91m，面積約0.0175km2；東坡采空區主要分布在24-80 線1736m～1570m 標高之間，長約725m，寬約9m～85m，面積約0.0340km2。東西長約343m～725m，南北寬18m～93m，圈定采空區地表投影面積約為0.052km2。

根據青羊峽鉛鋅礦提供的資料，該礦區上報的采空區平均采深為166m，計算得出T=415d，采空區終采時間均在5年以上，按終采時間確定采空區場地穩定性等級判定這2 處采空區均為穩定。

此次采空區地表調查發現，采空區地表連續變形，且多數處于地表移動盆地中間區，地面有傾斜，按變形特征確定采空區場地穩定性等級判定這2 處采空區均為基本穩定。

根據“就高不就低”的原則，對于采空區的定性評價判定均為基本穩定[2，3]。

4.2 定量評價（類比）

根據西和青羊礦業公司青羊峽鉛鋅礦礦體呈陡傾斜產出，厚度薄，礦體及上盤圍巖較穩固、下盤圍巖穩固性稍差以及地表允許陷落等特點，礦山開采使用空場型采礦法中的淺孔留礦法，開采順序為自下而上分層回采礦房，使用淺孔崩落礦石方法回收。

青羊峽鉛鋅礦采礦權東西長1680m、南北寬約400m 的范圍內，共探明有大小礦體30 多個，其中以1、4、12 號礦體規模較大，其余礦體多為單工程或單剖面見礦的小礦體，以紅嶺山組第四巖段（DhL4）為界，其下為12 號礦體，其上為1 號、4 號礦體。礦區以16 線（南家溝）為界分為東、西兩段，礦體互不相連，但含礦層位相互對應。

12 號主礦體在西礦段呈不連續的串珠狀、囊狀產出；礦體傾向北，傾角65-80°；礦體控制長765m，厚0.61m～6.13m，平均3.10m，厚度變化系數僅34.4%，屬于厚度變化均勻類型。

1 號礦體位于西礦段，礦體多呈向斜形態分支出現，分 別 成 為1-1、1-2、1-3、13、14、15、16、17、18 等 礦體。向斜在15 線較為寬緩，南翼礦體傾向北，傾角較陡，多在70°左右。北翼傾向南，傾角緩，僅25°～28°，賦存標高在1740m 左右。在0 線向斜緊閉，南翼傾向北，傾角70°～75°，北翼似向南傾，傾角80°以上，有時甚至傾向北，形成倒轉向斜。向斜軸傾向南，傾角陡，向斜向東傾伏。

4 號礦體賦存于東礦段，為隱伏礦體，屬向斜之南翼，相對穩定，僅在淺部出現有分叉現象，礦體走向長達650m。

依據礦體分布特征及上下盤圍巖的力學性質和采用的采礦方法，擬定巖體的陷落角和移動角分別為：

上盤：陷落角70°、移動角65°；

下盤：陷落角70°、移動角65°；

兩翼：陷落角75°、移動角70°。

根據礦體特征及采空區分布特征，由公式

Wmax=m·q·cosα 計算地面塌陷最大下沉值。

Q——充分采動下的下沉系數；本次計算取0.85；

m——礦層法線厚度（m）；本次計算取4m；

α——礦層傾角；本次計算取65°。

Wmax——最大下沉值（mm）；

根據上述公式Wmax=4000×0.85×cos65°，計算得出青羊峽鉛鋅礦的最大下沉值為1437mm。

4.2.1 引發地面塌陷移動盆地范圍預測

根據移動盆地地面影響區半徑預測計算公式：

r=H/tanΒ；

H——礦體開采深度；

Β——開采移動角，根據青羊峽鉛鋅礦所處的區域以及巖性，下盤移動角β=65°；上盤移動角γ=65°；

根據各采空區分布狀況，分別計算出各點上盤、下盤影響半徑，以計算點為圓心，r 為半徑作圓，通過連接各圓外圍切點圈定出地面塌陷移動盆地范圍。依述計算結果，預測地面沉陷范圍是在井田受采動的影響范圍向外擴大26.1m～111.9m 左右，圈定的兩處地表陷落范圍南北寬約80m～230m，東西長約435m～820m，面積約為0.21km2。

4.2.2 引發地面塌陷地表最大變形值預測

最大傾斜值：

i0=Wmax/r=1437/26.1=55.06mm/m；

最大曲率值：

K0=1.52Wmax/r2=1.52×1437/26.12=3.21mm/m2；

最大水平移動值：

U0=b·Wmax=0.4×1437=574.8mm；

最大水平變形值：

ε0=1.52·b·i0=1.52×0.4×55.06=33.48mm/m；

（注：b——水平移動系數，一般取0.3～0.4，本次計算取0.4）。

根據《煤礦采空區巖土工程勘察規范》（GB51044-2014）中12.2.4 條的規定，按地表移動變形確定場地穩定性等級判定青羊峽鉛鋅礦上報的2 處采空區均為不穩定狀態。

根據“就高不就低”的原則，結合定性評價和定量評價結論，對青羊峽鉛鋅礦上報的2 處采空區的穩定性進行綜合判定，判定該2 處采空區均為不穩定狀態。

4.3 穩定性分區

本次采空區影響范圍穩定性分區，按“就高不就低”的原則，將礦山采空區影響范圍劃分為礦山采空區影響范圍不穩定區、基本穩定區和穩定區。

4.3.1 礦山采空區影響范圍不穩定區

不穩定區主要為地表移動盆地影響范圍，根據上、下盤移動半徑作圓，然后連接各圓切點圈定地表移動盆地范圍。最終圈定兩處采空區影響范圍不穩定區范圍分別為以下兩點。

西坡采空區影響范圍不穩定區西起23 線、東至7 線，范圍起止坐標東經105°20′04″～105°20′22″，北緯33°51′42″～33°51′49″；東西長約435m，南北寬約95m～195m，面積約為0.065km2。

東坡采空區影響范圍不穩定區西起32 線、東至80 線，范圍起止坐標東經105°20′29″～105°21′01″，北緯33°51′36″～33°51′44″；東西長約820m，南北寬約80m～230m，面積約為0.145km2。

4.3.2 礦山采空區影響范圍基本穩定區

基本穩定區范圍是在不穩定區域范圍向外擴大100m圈定的，圈定的范圍西起23 線、東至80 線，范圍起止坐標東經105° 20′ 02″ ～105° 21′ 05″，北緯33°51′33″～33°51′52″；東西長約1590m，南北寬約220m～402m，面積約為0.358km2。

4.3.3 礦山采空區影響范圍穩定區

穩定區范圍為除上述范圍以外的評估區范圍，范圍起止坐標東經105°20′02″～105°21′16″，北緯33°51′27″～33°51′55″；東西長約1900m，南北寬約482m～787m，面積約為0.608km2。

5 防治措施建議

（1）現分布于不穩定區內的所有建筑物都要進行搬遷，搬遷建筑物主要位于礦山開采區內南溝溝谷東側，主要為臨時住房及空壓機房等。同時在不穩定區外圍5m 處拉設警戒線，其中在人員居住集中的地方設立防護網，基本穩定區內不允許再修建建筑物，已有建筑物有搬遷條件的建議搬遷。

（2）考慮到下部開采活動對采空區穩定性的影響因素，在進行下部礦體開采時盡量采取繞道巷道掘進，減輕垂直面上部荷載對下面支撐體的壓力,開拓時避免與上部采空區垂直。

（3）建議在6#、8#這兩處棄碴堆前修筑攔碴墻，在5#棄碴堆下方為礦山居民建筑物，建議在此棄碴堆下方修筑攔碴墻，減少其對礦山居民生命財產的威脅。此外，開采礦體西側的1570C1-1570C4 四處礦房建議回填。