礦山開采對地表變形的影響研究

王燕平

（內蒙古包頭鑫達黃金礦業有限責任公司，內蒙古 包頭 014000）

當前，礦產資源的需求量不斷增加，并且地下開采的規模也逐漸擴大，對于礦山巖層以及地表結構的穩定性造成十分嚴重的影響。在礦山開采活動開始后，礦山頂板巖層的移動和地表的沉陷會逐漸明顯，并且對于地表上的工程建設而言，也會造成不同程度的危害，這一現象已經通過各個礦區開采實踐得以驗證[1]。本文開展礦山開采對地表變形的影響研究，為提高礦山開采的安全性，并為降低開采過程中對周圍環境的影響提供科學依據，本文開展礦山開采對地表變形的影響研究。

1 礦山開采對地表變形的影響

1.1 引發地表沉陷

隨著礦山開采的不斷推進，礦體地下采空區域的面積以及高度都會隨之增加。采空區域大多分布在地表以下，在頂板結構上的覆蓋巖石和巖土自身重力以及周圍圍巖的構造應力的作用下，常常會出現移動變形問題，隨著其移動變形的幅度范圍不斷增加，最終造成地表出現嚴重的沉陷問題產生。通過上述分析可知，礦山地表變形與礦山開采有著密切的聯系，當開采的方式不同、礦體自身的地質條件不同，都會造成礦山地表的變形程度和變形規律發生改變。

通常情況下，礦山的變形的影響因素主要包括：圍巖的構造應力、巖體內摩擦角、圍巖容量、地下水運動等影響因素。

同時，礦體本身的賦存埋深條件主要影響礦山地表的塌陷形式，而沉陷盆地中心主要以沉降變形形式為主。

當前，針對礦山地表沉陷主要集中在對其宏觀破壞特征的研究。通過對不同類型礦山進行實地考察，并結合相應物探技術得出，礦山開采過程中，引起地表出現沉陷問題呈現出的宏觀特征主要表現為：原巖應力的大小決定了礦山地表水平方向上構造應力礦山地表最大下沉程度[2]。在自重應力場環境范圍內，開展礦山開采工作，會造成礦山地表周圍內圈破壞，并在剪切力的作用下逐漸形成錯斷臺階狀的破壞，從而造成地表出現沉陷問題。表1為某礦山開采活動地表沉陷實例記錄表。

表1 某礦山開采活動地表沉陷實例記錄表

通過選取實際某礦山在開采活動過程中，地表沉陷的實例數據，針對彈性模量、內聚力、采場尺寸等對地表沉陷的影響程度的分析得出：礦山開采時，覆巖性質當中的距離是影響礦山地表沉陷的決定性因素；而采場實際尺寸大小，是影響礦山地表沉陷的主要因素；彈性模量對礦山地表沉陷有一定影響，但影響程度與上述內聚力和采場尺寸，兩個因素相比較小。

1.2 提高地表巖層運動活躍程度

考慮到在具體礦山開采過程中，被開采的礦體在傾角上存在的不同對礦山地表變形可能造成一定影響，針對礦山開采礦體傾斜角度對地表變形的影響進行探究。針對五種不同傾斜角度的礦山礦體，對其現有開采記錄中地表變化情況進行采集。

根據自重應力礦山開采地表垂直地面方向上的位移隨礦體傾斜角度變化情況得出，在其他條件均不發生改變的情況下，當礦體的傾斜角度在45°～55°范圍內時，地表的豎直方向上的沉降會隨著傾斜角度的增加而出現急劇增加的效果，同時傾斜角度在這一范圍內的礦山地表豎直方向沉降與傾斜角度在55°～65°范圍內的沉降量增加15.32%，同時是傾斜角度為85°及以上時地表沉降量的5.52倍。隨著礦山開采礦體傾斜角度的不斷增加，上盤地表與下盤地表的巖層運動活躍變化程度一致，并且能夠呈現出明顯的對稱性，隨著礦體傾斜角度的不斷增加，地表巖層運動活躍變化幅度呈現出沿地表中心線上下盤對稱結構。

進一步分析得出，下盤地表受到礦山開采活動的影響，產生的地表巖層運動活躍程度與礦體的傾斜角度之間有著密切聯系，傾斜角度越大，則礦體越傾斜，下盤地表受到的影響也越大[3]。

同時，通過更進一步探究得出，當上盤地表受到開采過程中礦體的傾斜角度，導致其地表巖層運動方向向左時，則下盤地表的巖層運動方向向右，同時此時圍巖的位移矢量會指向礦山開采形成的采空區，并出現上盤地表巖層運動幅度大于下盤地表巖層運動幅度的現象產生。隨著傾斜角度的不斷減小，上盤地表巖層運動的增加率也會遠大于下盤地表巖層運動的增加率。

因此，通過上述分析得出，礦山開采過程中，礦體的不同傾斜角度會對礦山地表巖層的運動活躍程度造成一定影響，并且明顯對上盤地表巖層運動幅度影響程度更大，對下盤地表巖層運動幅度影響程度更小。

1.3 增加地表水平移動量

通過上述論述，明確礦山開采對礦山地表沉陷和垂直地面方向上的影響后，為進一步探究礦山開采對地表水平方向上移動量的影響，選擇以五種不同開采厚度的礦山作為研究對象，針對五種不同厚度的礦山開采過程中，地表在水平方向上的移動量變化情況進行分析。在實際礦山開采的過程中，確保其他開采條件均不發生改變的情況下，對陡傾礦體進行開采。隨著礦山開采礦體的厚度不斷增加，地表水平方向上的移動量也不斷增加。當開采到厚度為200m時，地表水平方向上產生的移動量是開采到厚度為150m時的1.63倍，是開采厚度為100m時的2.42倍。隨著開采礦體的厚度不斷增加，上盤地表和下盤地表水平移動量的變化趨勢是相同的，并且與地表巖層運動活躍程度變化相同，均呈現出逐漸明顯的對稱性，并且地表水平方向的移動范圍也不斷擴大。同時，當開采過程中開采厚度不斷增加，無論是上盤地表結構，還是下盤地表結構，其產生的水平方向位移量的增加率都呈現出不斷提升的趨勢。并且，通過進一步分析得出，當上盤地表結構水平方向移動變形向左時，則下盤地表變形會向右，圍巖位移矢量仍然指向礦山開采形成的采空區。地表水平方向上的移動變化逐漸呈現出沒有規律的變化，而下盤地表水平方向上的移動量呈現出“雙峰現象”，即水平移動量先增加，后減少，再增加，再減少的變化趨勢。

2 結語

為實現對復雜開采條件下，對礦山地表變化的進一步了解，本文針對不同條件礦山開展礦山開采對地表變形的影響研究。

通過研究得出，礦山開采不僅會造成地表出現沉陷問題產生，同時還會從豎直方向和水平方向對地表位移情況造成一定影響。

由于研究能力有限，在對上述內容分析過程中，并沒有結合實際鉆孔監測數據對地表圍巖地質構造特征受礦山開采影響進行研究，因此無法得出頂板結構上的覆巖層巖石質量受礦山開采的影響。

針對這一問題，為實現對礦山開采方案的合理制定，在后續的研究中還將對此進行更加深入研究，并結合多種分析手段和技術，例如灰色關聯分析法、GIS技術等，為礦山開采的安全生產提供更多科學依據。