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哈密红海矿区地表移动规律及土地破坏状况研究
2019-02-21
以红海矿区11031 工作面为研究区域,通过对其设置地表移动变形观测站,实地观测 得到数据资料,然后对数据资料进行分析处理,求得了各种角量参数(边界角、移动角、裂缝角)、动 态参数(起动距、超前影响角、超前影响距等)、预计参数(下沉系数q、主要影响角正切tanβ、拐点移 动距S、开采影响传播角θ)。结合岩移参数,采用概率积分法进行了地表沉陷预计,得到了动态预 计参数和下沉盆地预计的可视化模型。在此基础上,分析出其主要造成了塌陷地和地表裂缝等土 地破坏现象。为采空区下降区地表恢复提供指导。
Serial No. 597 January. 2019 现ꢀ 代ꢀ 矿ꢀ 业 MODERN MINING 总第 597期 2019 年 1 月第 1 期 哈密红海矿区地表移动规律及土地破坏状况研究 赵ꢀ 华 中色地科矿产勘查股份有限公司) ( ꢀ ꢀ 摘ꢀ 要ꢀ 以红海矿区 11031 工作面为研究区域,通过对其设置地表移动变形观测站,实地观测 得到数据资料,然后对数据资料进行分析处理,求得了各种角量参数(边界角、移动角、裂缝角)、动 态参数(起动距、超前影响角、超前影响距等)、预计参数(下沉系数 q、主要影响角正切 tanβ、拐点移 动距 S、开采影响传播角 θ)。 结合岩移参数,采用概率积分法进行了地表沉陷预计,得到了动态预 计参数和下沉盆地预计的可视化模型。 在此基础上,分析出其主要造成了塌陷地和地表裂缝等土 地破坏现象。 为采空区下降区地表恢复提供指导。 关键词ꢀ 地表移动规律ꢀ 土地破坏ꢀ 岩移参数 DOI:10. 3969 / j. issn. 1674-6082. 2019. 01. 055 Study on Surface Movement Law and Land Damage Condition of Honghai Mining Area in Hami Zhao Hua ( Sinotech Minerals Exploration Co. ,Ltd. ) Abstractꢀ Taking Hami Honghai 11031 working face as the study area, through the set surface movement deformation observation, field observations data information, analyzed the data processing, ob- tained various angular parameters (boundary angle, mobile angle, crack angle), the dynamic parameters ( starting from, impact Angle, advancing distance, etc. ) in advance, estimated parameters (subsidence coefficient q, main influencing tangent tan beta, inflection point move from S, mining influence spread angle theta). Based on the rock shift parameters, the probability integral method is used to predict the surface subsidence, and the visualization model is obtained. On the basis of this, it is analyzed that it mainly caused land damage such as subsidence and surface crack. To provide guidance for the surface re- covery of mined-out area. Keywordsꢀ Law of surface movement,Damaged land,Rock movement parameters ꢀ ꢀ 在矿山的整个开采过程中,开采沉陷是对环境 走向近东西,地层倾向北。 该岩层位于山西组下部 大占砂岩之下,上距砂锅窑砂岩 82 m,距香炭砂岩 影响最大的方面。 在矿山开采过程中由于受到地下 开采的影响,逐渐改变了地表的原有形态,引起地表 标高、水平位置发生变化,造成地表移动及破坏现 象,从而给位于影响范围的建(构)筑物、铁路、公路 4 3 m。 工作面伪顶由炭质泥岩、泥岩互层组成,厚度 为 0. 3 m 左右。 直接顶由砂质泥岩、粉砂岩和深灰 色泥岩组成,厚度约为 11. 6 m。 老顶由中细料石英 砂岩、砾岩、石灰岩组成,厚度约为 32. 5 m。 直接底 板主 要 由 砂 质 泥 岩、 炭 质 泥 岩 组 成, 厚 度 约 为 1. 2 m。 上部松散层厚度约为 305 m。 [ 1-4] 。 通过对矿区开采沉陷的研究,不仅 等带来损害 有助于更加合理科学地开发矿产资源,而且能够有 效地预测、评价、控制和治理矿区的开采损害,从而 [ 5-9] 。 使我国的矿区建设实现可持续发展 1 . 2ꢀ 矿体赋存条件 1031 工作面岩层结构简单、矿体形状规整、赋 存稳定,矿石成份为黄铜矿和闪锌矿。 矿体厚度在 . 6 ~ 8. 2 m,平均 2. 21 m,矿体倾角 4° ~ 13°,平均 倾角 9°。 1 1 ꢀ 矿区概况 . 1ꢀ 地质情况 1 11031 工作面的井用地质构造简单,地层主体 0 ꢀ ꢀ 赵ꢀ 华(1985—),男,工程师,100012 北京市朝阳区安外北苑 5 号院四区有色地质大厦 903 室。 2 24 ꢀ ꢀ 赵ꢀ 华:哈密红海矿区地表移动规律及土地破坏状况研究ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2019 年 1 月第 1 期 2 ꢀ 地表移动观测站设置及观测工作 为了实地观测采动对地表的影响,需要在矿区 工作面开采之前建立地表移动观测站并定期进行观 测,然后根据观测资料对其地表移动和变形规律进 [ 10-12] 。 行分析研究 根据观测站设计原则,需要在 11031 工作面上 方地表布置走向观测线和倾向观测线。 其中走向观 测线设置在工作面下山边界 31 m,长度为 776 m,倾 向观测线设置在距离开切眼 197 m 左右的采空区上 方,长度为 870 m。 设计观测点的间距为 20 m,控制 点间距为 60 m,走向观测线布置 38 个工作测点 图 1ꢀ 11013 工作面地表移动观测站平面布置 表 1ꢀ 观测站参数 ( Z1,Z2,…,Z38),倾向观测线布置了 40 个工作测 点(Q1,Q2,……,Q40)。 观测站的平面布置图见图 控制点数量 工作点数量 观测站设计所用 1 ,观测站的相关设计参数见表 1 所示。 观测线名称 / 个 / 个 38 40 78 移动角/ (°) 73. 2(上山) 71. 8(下山) 41(松散层) 3 3 ꢀ 地表移动观测站数据处理 . 1ꢀ 观测数据统计 走向观测线 倾向观测线 合计 3 4 为了判定地表是否发生移动,在回采工作面推 7 进一定距离后,每隔一周进行一次水准测量,总共测 量 8 次,采用附合水准的往返测量,按四等水准的精 度要求进行,观测精度见表 2。 表 2ꢀ 观测精度 mm 采前 采中 采后 点位中 误差 高程中 下沉中 水平移动中 点位中 误差 高程中 误差 地表移动变形的计算包括下沉值、水平移动值、 倾斜值、曲率值和水平变形值。 采后的数据见表 3、 表 4 所示。 误差 误差 误差 2 . 7 1. 3 1. 7 3. 2 2. 9 1. 1 表 3ꢀ 采后走向观测线移动与变形 下沉 倾斜 / mm 曲率 水平移动 / mm 水平变形 / (mm/ m) 下沉 / mm 倾斜 / mm 曲率 水平移动 / mm 水平变形 / (mm/ m) 点号 点号 2 2 / mm / (mm/ m ) / (mm/ m ) B1 B2 Z19 Z20 Z21 Z22 Z23 Z24 Z25 Z26 Z27 Z28 Z29 Z30 Z31 Z32 Z33 Z34 Z35 Z36 Z37 Z38 1 431 1 567 1 684 1 773 2 855 1 932 1 847 1 760 1 661 1 543 1 429 1 385 1 321 1 235 1 124 975 7. 7 ꢁ0. 11 ꢁ0. 02 ꢁ0. 13 ꢁ0. 17 0. 06 557 ꢁ5. 7 ꢁ4. 3 ꢁ2. 1 1. 3 0. 01 0 0. 1 ꢁ0. 2 0. 4 4. 2 431 Z1 0 0 ꢁ3 6 3. 1 397 Z2 0 0 0 2. 4 374 Z3 5 0. 1 0. 1 0. 1 0. 2 0. 2 0. 4 1. 6 2. 8 4. 2 6. 3 8. 7 9. 8 11. 2 10. 1 9. 3 8. 2 0 ꢁ15 13 ꢁ0. 5 0. 8 ꢁ0. 7 0. 7 329 ꢁ4. 8 ꢁ4. 9 ꢁ4. 2 ꢁ3. 1 ꢁ2. 4 ꢁ3. 6 ꢁ2. 3 ꢁ2. 1 ꢁ1. 9 ꢁ2. 6 ꢁ2. 3 1. 8 Z4 9 0. 01 0 ꢁ0. 05 ꢁ0. 04 ꢁ0. 08 0. 05 218 Z5 13 19 27 39 51 93 38 0. 6 ꢁ2. 3 ꢁ3. 3 ꢁ6. 2 ꢁ5. 2 ꢁ4. 1 ꢁ9. 2 ꢁ5. 2 ꢁ6. 3 ꢁ7. 2 ꢁ7. 9 ꢁ8. 5 ꢁ5. 2 ꢁ8. 8 ꢁ6. 3 154 Z6 0 41 0. 2 ꢁ99 Z7 0 59 0. 4 ꢁ153 ꢁ231 ꢁ287 ꢁ334 ꢁ419 ꢁ457 ꢁ563 ꢁ521 ꢁ476 ꢁ459 ꢁ442 ꢁ426 Z8 0. 02 0. 07 ꢁ0. 05 0. 06 0. 08 0. 07 0. 04 ꢁ0. 03 ꢁ0. 16 ꢁ0. 1 ꢁ0. 12 73 0. 5 0. 04 Z9 102 236 381 455 539 688 844 701 620 596 0. 6 ꢁ0. 17 0. 08 Z10 Z11 Z12 Z13 Z14 Z15 Z16 Z17 Z18 5. 9 183 234 3. 8 0. 18 5. 1 ꢁ0. 01 0 396 4. 9 541 3. 3 ꢁ0. 01 0. 06 875 2. 4 789 0. 1 1 038 1 227 1 329 ꢁ5. 1 ꢁ3. 7 ꢁ3. 1 676 ꢁ0. 08 ꢁ0. 03 ꢁ0. 02 0. 5 542 0. 4 416 0. 2 2 25 总第 597 期 现代矿业 2019 年 1 月第 1 期 表 4ꢀ 采后倾向观测线移动与变形 下沉 点号 倾斜 / mm 曲率 水平移动 / mm 水平变形 / (mm/ m) 下沉 / mm 倾斜 / mm 曲率 水平移动 / mm 水平变形 / (mm/ m) 点号 2 2 / mm / (mm/ m ) / (mm/ m ) ꢁ0. 09 N1 N2 Q21 Q22 Q23 Q24 Q25 Q26 Q27 Q28 Q29 Q30 Q31 Q32 Q33 Q34 Q35 Q36 Q37 Q38 Q39 Q34 N3 1 901 1 821 1736 1 559 1 381 1 198 965 773 611 452 317 224 143 126 84 ꢁ0. 4 ꢁ3. 5 ꢁ5. 8 ꢁ6. 7 ꢁ9. 1 ꢁ10. 2 ꢁ11. 3 ꢁ10. 7 ꢁ8. 6 ꢁ5. 3 ꢁ2. 3 ꢁ1. 9 ꢁ0. 6 ꢁ0. 4 ꢁ0. 2 ꢁ0. 3 ꢁ0. 1 ꢁ0. 5 ꢁ0. 4 ꢁ0. 3 0. 2 ꢁ481 ꢁ501 ꢁ549 ꢁ345 ꢁ392 ꢁ347 ꢁ226 ꢁ183 ꢁ159 ꢁ138 ꢁ120 ꢁ106 ꢁ89 ꢁ6. 1 ꢁ5. 4 ꢁ1. 0 4. 1 ꢁ0. 4 0. 4 3. 4 0. 6 1. 1 0. 9 0. 5 6. 2 13. 2 0. 7 ꢁ0. 1 ꢁ0. 2 0 0 0. 2 0. 3 0. 4 ꢁ0. 02 0. 01 0. 7 0. 9 1 0. 01 0 0 0 ꢁ0. 10 Q1 7 9 ꢁ0. 07 Q2 19 24 33 39 52 86 ꢁ0. 01 0. 02 0. 01 0 19 0. 4 0. 2 0. 1 0. 1 0. 8 1. 1 0. 7 1. 6 2. 8 4. 3 7. 1 3. 9 ꢁ3. 3 12. 7 ꢁ12. 2 ꢁ5. 5 ꢁ9. 4 3. 6 4. 5 ꢁ0. 01 Q3 27 0. 06 0. 08 0. 05 0. 03 0. 01 0. 02 0. 05 0. 03 ꢁ0. 01 0. 02 0. 01 0. 01 ꢁ0. 02 0. 03 ꢁ0. 01 0. 01 0 Q4 36 Q5 51 Q6 0. 01 0 69 Q7 77 Q8 121 167 ꢁ0. 03 0. 06 0. 02 0. 01 0. 05 0. 03 0. 06 ꢁ0. 02 0. 07 ꢁ0. 02 ꢁ0. 03 ꢁ0. 04 ꢁ0. 06 109 156 212 297 446 597 796 593 448 231 ꢁ212 ꢁ318 ꢁ233 Q9 2. 1 3. 3 4. 8 5. 2 3. 7 8. 8 9. 6 10. 1 11. 2 8. 5 4. 3 2. 1 Q10 Q11 Q12 Q13 Q14 Q15 Q16 Q17 Q18 Q19 Q20 232 399 501 ꢁ78 885 ꢁ68 1 132 1 234 1 357 1 481 1 566 1 743 1 813 32 ꢁ53 19 ꢁ46 13 ꢁ44 0 6 ꢁ41 0 ꢁ4 ꢁ33 0 0 N4 3 3 . 2ꢀ 地表移动参数 的大小与工作面的推进速度有关,推进速度越快,超 前影响距越小,超前影响角度越大。 . 2. 1ꢀ 地表移动参数 求得走向角量参数结果见表 5,倾向角量参数 结果见表 6。 (2)起动距。 起动距的大小主要和开采深度及 上覆岩层的物理力学性质有关。 在地表受到地下开 采的影响后,当地表下沉值为 10 mm 时,工作面推 进的距离就是起动距。 根据 11031 工作面的实测结 果求得的起动距为 51 m。 表 5ꢀ 走向主断面角量参数 (°) 边界角 综合边界角 移动角 综合移动角 充分采动角 最大下沉角 6. 9 47. 1 73. 3 63. 0 66. 1 84. 0 5 ( 3)最大下沉速度滞后角。 根据实测资料,计 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 表 6ꢀ 倾向主断面角量参数 (°) 算得到最大下沉速度滞后角约为 78. 3°。 边界角 综合边界角 移动角 综合移动角 充分采动角 最大下沉角 3 . 2. 3ꢀ 预计参数结果 5 3. 3 43. 2 75. 7 68. 1 65. 4 84. 0 地表移动预计参数与覆岩岩性及地质、开采技 3 . 2. 2ꢀ 动态参数 术条件等有关。 预计参数的求取是一个比较复杂的 过程,本研究采取的是阻尼最小二乘法,对实测数据 进行分析处理得到动态预计参数见表 8。 表 8ꢀ 动态预计参数 ( 1)超前影响角及超前影响距见表 7 所示。 表 7ꢀ 工作面超前影响计算结果 观测 期数 推进距离 推进速度 超前影响距 超前影响角 开采 / m 152 195 260 340 490 530 570 585 585 / (m/ d) / m 510 385 392 412 483 280 235 212 / (°) 42. 4 50. 3 49. 2 44. 6 43. 2 51. 7 57. 6 60. 3 因子 ρ 0. 41 0. 52 0. 69 0. 91 1. 32 1. 42 1. 53 1. 57 1. 57 观测期数 q tanβ K θ S 下 S 上 ρ 第 1 期 第 2 期 第 3 期 第 4 期 第 5 期 第 6 期 第 7 期 第 8 期 采后 6. 3 第 1 期 第 2 期 第 3 期 第 4 期 第 5 期 第 6 期 第 7 期 第 8 期 采后 0. 47 2. 76 0. 51 2. 64 0. 57 2. 52 0. 63 2. 43 0. 77 2. 34 0. 79 2. 31 0. 82 2. 22 0. 89 2. 20 0. 97 2. 17 0. 14 0. 18 0. 21 0. 22 0. 27 0. 28 0. 31 0. 33 0. 37 71. 8 73. 5 74. 6 75. 2 78. 7 78. 5 79. 2 79. 6 81. 1 ꢁ10 ꢁ10 ꢁ5 ꢁ13 0. 41 ꢁ23 0. 52 ꢁ44 0. 69 ꢁ20 0. 91 ꢁ54 1. 32 ꢁ50 1. 42 ꢁ46 1. 53 3. 6 3. 9 4. 1 10 5. 5 ꢁ15 ꢁ15 ꢁ15 ꢁ20 4 2. 1 1. 8 0. 7 ꢁ41 8 1. 57 1. 57 ꢀ ꢀ 从表 5 中可以看出,超前影响距和超前影响角 ꢀ ꢀ 在表 8 中,ρ 为假定的一个变量开采因子,ρ 2 26 Serial No. 597 January. 2019 现ꢀ 代ꢀ 矿ꢀ 业 MODERN MINING 总第 597期 2019 年 1 月第 1 期 = l/ H0 (l 为工作面推进距离,H0 为平均采深)。 从 续发展具有重要的意义。 表 8 中可以看出随着工作面的推进,动态下沉系数 q 越来越大,主要影响角正切 tanβ 越来越小。 通过 (1)开采沉陷土地破坏等级。 开采沉陷引起的 土地破坏程度主要受塌陷深度、塌陷边坡度、地表裂 缝的宽度和深度以及积水情况等因素的影响。 根据 实际检测结果,可以将开采沉陷引起的土地破坏分 为轻微破坏、轻度破坏、中度破坏和重度破坏 4 类。 结合本研究得到地表移动变形数据可以看出,11013 工作面所造成的土地破坏状况属于中度破坏,该区 域地面塌陷破坏情况较为严重,已经出现了明显的 地裂缝和塌陷地,影响了农田耕种以及林地与植被 的生长。 [ 13-14] ,运用最小 对动态预计参数的变化规律的研究 二乘 法, 在 MATLAB 中 拟 合 了 主 要 影 响 角 正 切 tanβ、拐点移动距 S 和动态下沉系数 q 的预计参数 经验公式,见图 2 ~ 图 4。 ( 2)11013 工作面开采沉陷引起的土地破坏现 状. 通过实地的调查研究,得到了红海矿区 11013 工 作面在开采过程中逐渐出现了大面积的塌陷地(见 图 5)和地表裂缝(见图 6)等土地破坏的情况,同时 地下开采还造成了该区域的土壤结构发生变化,位 于地表拉伸区的土壤孔隙度增加,而位于压缩区的 土壤孔隙度减小,密实度正大,影响了农作物和树林 的正常生长。 此外,土壤变得容易被侵蚀,部分区域 出现了轻微的水土流失现象,从而导致了土壤的理 化性质和营养物质发生变化,进一步影响了土地的 生产力。 图 2ꢀ 开采因子和动态下沉系数关系 图 3ꢀ 开采因子和主要影响半径关系 图 4ꢀ 开采因子和拐点移动距关系 图 5ꢀ 开采沉陷引起的塌陷地 从图 2 ~ 图 4 中可以看出,开采因子 ρ 与 q、 tanβ、S 拟合效果较好。 随着工作面的推进越来越 大,动态下沉系数 q 与开采因子成正比关系,最大拟 合差值为 0. 31,拟合中误差为 0. 14;主要影响角正 切 tanβ 与开采因子 ρ 成反比关系,最大拟合差值为 0 . 17,拟合中误差为 0. 05;拐点移动距 S 与开采因 图 6ꢀ 开采沉陷引起的地表裂缝 子 ρ 呈指数函数关系,最大拟合差值为 10. 1 m,拟 合中误差为 4. 3 m。 5 ꢀ 结ꢀ 论 本项目选取了红海矿区 11013 工作面为研究区 4 ꢀ 工作面开采沉陷引起的土地破坏状况 域进行了分析研究。 通过在工作面实地设置观测站 采集观测数据,然后进行数据整理与分析处理,获取 了研究区的地表移动与变形的相关参数,同时得到 了研究区的下沉盆地预计的可视化模型,掌握了红 海 矿区11013工作面地下开采引起(下转第238页) 矿山开采沉陷对环境最直接的危害就是对矿区 土地的破坏,尤其是对表层耕地的严重损毁,这种危 害往往是毁灭性的,主要表现:耕地标高降低、潜水 位上升,土地淹没、盐泽化,土壤肥力下降,土壤结构 发生变化,影响农作物的生长。 此外,还容易在采空 区地表造成塌陷坑和地表裂缝等危害。 因此,分析 研究矿区开采沉陷所带来的土地破坏状况对保护矿 ꢀ ꢀ 蔡兆辉(1973—),男,工程师,276000 山东省临沂市平邑县铜石 区镇。的生态环境、实现耕地的复垦利用和矿区的可持 2 27
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