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矿山开采地表保护带的划定及影响因素
2011-07-26
矿山开采会遇到严重的开采沉陷问题,形成大面积地面塌陷,严重威胁矿山安全生产,同时也对矿区环境造成不良影响。因此有必要对矿区地表塌 陷范围做出预计,对其严重程度做出估计。矿山开采地表保护带影响因素的研究是矿山岩层与灾害控制、矿山优化设计的研究方向之一,其目的就是达到资源开采 的最优化,减少开采对矿山地表环境的影响。
矿山开采地表保护带的划定及影响因素 郭 峰 戴兴国 ( 中南大学 资源与安全工程学院 湖南 长沙 410083) 摘 要: 矿山开采会遇到严重的开采沉陷问题,形成大面积地面塌陷,严重威胁矿山安全生产,同时也对矿区环境造成不良影响。因此有必要对矿区地表塌 陷范围做出预计,对其严重程度做出估计。矿山开采地表保护带影响因素的研究是矿山岩层与灾害控制、矿山优化设计的研究方向之一,其目的就是达到资源开采 的最优化,减少开采对矿山地表环境的影响。 关键词: 开采沉陷;地表保护带;划定;影响因素 中图分类号:TD 文献标识码:A 文章编号:1671-7597(2011)0220116-02 0 引言 矿柱一侧所构成的倾角,称为崩落角。同样从地表移动带边界至开采最低边 我国的资源富集地区多处于西北、东北等环境承载能力低的地区,近 界的连线和水平面在矿柱一侧所构成的倾角,称为移动角。如图2所示。 9 0%的矿产资源分布在大陆性干旱、半干旱气候带,这些地区一般水土流 失和土地荒漠化严重,植被覆盖率低,矿产的开采往往破坏当地地下水原 始径流、扰动地表、破坏原始地貌,使矿区生态环境进一步恶化,影响当 地农、林、牧及工业的发展。其中,矿山塌陷是矿体开采地表破坏的普遍 而严重的灾害,是受扰动岩体破坏、移动与变形过程在地表的最终体现。 它不仅破坏大量的土地资源,而且对矿区安全生产、环境、生态亦造成严 重污染和破坏,从而严重影响矿区工农业的可持续协调发展[1,2]。 为了最大最优资源的开发,同时建立高水平的、可持续发展的资源开 采模式,树立和谐发展观,同时又能保证地面建筑物的安全稳定,减少由 矿山开采引起的地面塌陷所带来的损失,有必要对地表塌陷范围的影响因 素进行研究[3]。 图2 α-移动角β-崩落角δ-表土移动角 崩落带与移动带的总和称为危险带,所谓危险带就是在这个范围内布 置井筒或其它建筑物、构筑物有危险,必须布置在这个范围以外才安全。 事实上在危险带内岩土都有可能发生塌陷或移动。而且危险边界就是以盆 地内的地表移动与变形对建筑物有无危害而划分的。为此,井筒和井口周 围的建筑物和构筑物均需布置在危险带之外。为确保安全,它们距危险带 边界还需保持一定的安全距离,该安全地带又称为保护带。这就是我们需 要划定的范围。 1 地表保护带的范围及划定 1 .1 地表保护带的范围 地下矿石采出后,采空区周围原有的应力平衡受到破坏,引起应力的 重新分布,从而引起岩层的变形、破坏、以致大规模移动,并由下向上发 展至地表引起地表的移动、变形和塌陷,这一过程和现象称为开采沉陷。 地面沉陷是在工作面推进过程中逐渐形成的。一般是当回采工作面自 1 1 1 .2 地表保护带的预测分析 .2.1 预测依据 开切眼开始向前推进的距离相当于1/4-1/2H0(H0为平均采深)时,开采影 )依据现今沉陷区与采空区之比值、沉陷率、沉陷空间与采出矿石 响即波及到地面,引起地面下沉。然后,随着工作面继续向前推进,地表 的影响范围不断扩大,下沉值不断增加,在地表就形成一个比开采范围大 得多的下沉盆地。图1展示了地表移动盆地岁工作面推进而形成的过程 之比等。 2 )地表移动下沉系数公式。 )矿床埋深与厚度的比值、下沉系数、主要影响角正切、水平移动 3 [ 4]。 系数及矿床倾角的平均值。 .2.2 地表沉降幅度预测 地表最大下沉值W 以下式求定: 1 0 式中:W0-最大下沉值;Q-下沉系数;M-矿床开采厚度;a-矿床 倾角 1 .2.3 最大水平变形的预测 最大变形值以下式求定: 图1 地表下沉盆地由小变大的发展变化过程 当地表下沉值达到该地质采矿条件下应有的最大值,此时的采动称为 充分采动。此后开采工作面的尺寸再继续扩大时,地表的影响范围相应扩 大,但地表最大下沉值不再增加,地表移动盆地将出现平底。当只有一个 点的下沉值达到最大下沉值时,称为刚达到充分采动,此时地表移动盆地 呈碗形。当有多个点达到最大下沉值时,称为超充分采动,此时地表移动 盆地呈盘形。实际观测表明,通常在采空区的长度和宽度均达到和超过 式中: -最大水平变形值;b-水平移动系数;W0-地表最大下沉 值;r-主要影响半径 通过对地表最大下沉值和最大水平变形的预测可以预计开采沉陷的严 重程度,利用崩落角、移动角,确定地表下沉边界,根据建筑物承受地表 变形的能力和相关规定划定安全距离,从而划定地表保护带[7,8]。 1 .2-1.4H0(H0为平均采深)时,地表可达到充分采动。当任意点的下沉 值均未达到最大下沉值时,称为非充分采动。此时地表移动盆地也为碗形 5,6]。 照地表出现变形和塌陷的状态分为崩落带和移动带。在地表出现裂缝 2 地表移动和破坏的主要形式 [ 2.1 地表移动盆地 当开采影响波及到地面后,受采动影响的地表从原有标高向下沉降, 形成下沉盆地,在地表盆地形成的过程中,改变了地表原有的形态,引起 了高低、坡度及水平位置的变化。因此,对位于影响范围内的道路、管 的范围内称为崩落带,崩落带的外围即由崩落带边界起至出现变形的地点 止,称之为移动带。从地表崩落带的边界至开采最低边界的连线和水平面在 1216 路、河渠、建筑物、生态环境等等,都带来不同程度的影响。在南方多水 地区,由于地下潜水位高,地表下沉1m左右,移动盆地内便可积水,严重 影响土地的使用,造成矿区耕地大量减少。 附近。此外,断层的存在,据其倾角大小及倾向可使地表移动范围增大或 减小。 6)顶板管理。采用崩落法对覆岩的破坏最大,会引起地表较大变 形;采用充填法一般只出现开裂而不冒落,即使出现冒落,其高度也很 小,相应地对地表移动影响也较小。 2 .2 裂缝级台阶 在下沉盆地的边缘,地表会产生裂缝。裂缝的深度和宽度与土层的厚 度、弹塑性密切相关。地表裂缝一般平行于采空区边界发展。当采深和采 厚的比值较小时,在推进中的工作面前方地表可能发生平行于工作面的裂 缝。但裂缝的宽度和深度都比较小。这种裂缝是随工作面的推进先张开后 逐渐闭合。地表裂缝的形状为楔形,地面的开口大,随深度的增大而减 小,到一定的深度尖灭。当地表下沉值较大时,地表移动盆地的边缘区可 能产生一系列类似地堑式的张口列缝。相邻两张口裂缝发展到一定的宽度 和深度后,两条裂缝中间的土层下陷而造成中间低、两侧高的地堑式裂 缝。有时在采空区周围的地表形成环形破坏堑沟。 7)矿体赋存环境。指矿床所处的区域性构造条件,包括原岩应力、 地下水条件、矿体倾角等。不同倾角矿体的空区对地表影响不同。采空区 容积相同条件下,在单位面积上,急倾斜空区比缓倾斜空区对地表影响区 内起到更为集中的破坏作用容易成柱塞式垂直剪断破坏。当松散体压缩率 相同时,较大的急倾斜矿体采空区不易保持稳定,松散体易随开采下降而 不断向下移动或垮落,是造成地表不断沉降的原因之一。 8)时间的影响。地表沉陷是一个空间和时间的过程。随工作面的推 进,不同时间的回采工作面与地表点的对应位置不同,开采对地表点的影 响也不同。 2 .3 塌陷坑 塌陷坑多出现在急倾斜矿床开采条件下。但在浅部缓倾斜或倾斜开 采,地表有非连续破坏时,也可能出现漏斗状塌陷坑。急倾斜矿床开采 时,矿床露头处附近地表呈现出严重的非连续性破坏,容易出现漏斗状塌 陷坑。塌陷坑大体位于矿床露头的正上方或略微偏离露头位置,偏离的距 离与矿床倾角、顶底板岩性及基岩表面风化程度有关。 4 结论 地表保护带的划定对于指导建筑物下、铁路下、水体下开采实践具有 重要作用。特别是在建筑物下开采时,划定的结果常被用来判别建筑物是 否受开采影响和受开采影响的程度,作为受影响建筑物进行维修、加固、 或就地重建,或采取地下开采措施的依据;在铁路下开采时,可以根据预 计结果判断铁路下开采的可能性,估算铁路维修工作量和材料用量,安排 维修计划;在水体下开采时,预计结果被用来判断矿井受水患威胁的程度 以及研究开采对象对堤坝等水中建筑的破坏和影响程度,以便进行必要的 维修和保护。因此对地表保护带的划定,分析其影响因素,对于矿区安全 生产,减少由于开采沉陷带来的损失有重要意义。 3 影响地表保护带范围的主要因素[9,10] 1)矿床厚度。矿石在开采后,采空区上覆岩层产生运动形成了3个 带:冒落带、裂隙带及弯曲带。矿床厚度越大,覆岩破坏的高度也越大, 则地表的下沉量越大,对地表的影响范围越大。 2)开采深度。随着开采深度的增加,地表各项变形值减小。这是由 于开采深度的增加,地表移动范围增大,地表移动盆地变的平缓,因此, 地表各项变形值是与采深呈反比关系。 地表移动变形值常用采深与采厚比(H/m)作为衡量开采沉陷影响的 估计指标。采深与采厚比越大,地表移动变形值越小,地表移动盆地越平 缓;反之,采深与采厚比越小,则地表移动变形越剧烈。在采深与采厚比 很小的情况下,地表就会产生不连续变形,出现裂缝、台阶状破坏。 参考文献: [1]陈龙乾,矿区土地演变监测预科持续利用研究[M].徐州:中国矿业大 学出版社,2003.6. [ 2]谢守祥,矿区生态经济系统分析评价研究[M].徐州:中国矿业大学出 版社,2004.11. 3 )覆岩的赋存特性。当基岩上分布有很厚的软岩层,那么裂隙带的 [ 3]齐艳领、郭立稳、李富平、黄宝柱,采煤塌陷区生态安全评价研究 发育将受到软岩的制约,使基岩的不均匀移动变形变得缓和;如果基岩上 部有很厚的松散层,就会使地表的移动变形比较平缓;如果基岩直接落处 地面,则地表的变化和破坏比较剧烈且不均匀。 [ J].矿山测量,2005.3. [ 4]黄乐亭,地表动态沉陷变形的三个阶段与规律[J].矿山测量,2003.9. 5]钱鸣高、石平五,矿山压力与岩层控制[M].徐州:中国矿业大学出版 [ 4)岩石性质,特别是物理力学性质是影响采空区覆岩稳定性和岩移 社,2003.11. 过程的主要因素之一。岩石性质的特殊性和复杂性是岩体移动问题复杂化 的主要原因。顶板岩性坚硬,悬顶距较大,地表下沉至较小。顶板岩性较 软时,地表下沉至较大。 [ 6]何国清、杨伦、凌赓娣等,矿山开采沉陷学[M].徐州:中国矿业大学 出版社,1991. [ 7]王金庄,开采沉陷若干理论与技术问题研究[J].矿山测量,2003.3. 5)矿区地质构造及其发育程度。岩体中各种构造的存在不仅破坏了 [8]王生辉、崔玉环、李希彦,铁法矿区采煤沉陷区的发展演化趋势分析 岩体的连续性,大大降低了岩体的强度,增大了岩体的变形量,而且还控 制岩体的破坏和破坏形式。其中断层的影响最大,一般随断层倾角的增 大,地表移动特征差别变大,而且地表移动和变形最大值集中于断层露头 [J].中国煤田地质。 [9]解世俊,金属矿床地下开采[M].北京:冶金工业出版社,1986.4. [10]高磊,矿山岩石力学[M].北京:机械工业出版社,1987. ( 上接第113页) 井管使用完毕,用吊车、钢丝绳,将井管套紧徐徐拔出,井管拔出洗 净、作防腐处理下个工程再用,拔出后所留的孔洞用砂砾填充、捣实。 差保持不大于1m,以免造成建筑物不均匀沉降而出现裂缝。3)降水期间 要随时观测周围建筑物的沉降情况。如:该工程我们每天对5股铁路线进 行一次高程测量。4)井点供电系统采用双线路,防止中途停电或发生其 它故障,影响排水,必要时设置满足施工要求的备用发电机组,以防突然 停电,造成水淹基坑。5)水泵在运行时要经常观测水位变化情况,检查 电缆线是否和井壁相碰,防止电缆线磨损水沿电缆芯掺入电动机内。6) 地质较软且挖土较深地段,工作坑内井管尽量采用钢管,避免采用无砂管 在开挖工作坑时井管破裂,影响排水效果。7)购置水泵时要考虑备用2- 4 降水效果 消防通道工程地下水埋深3.2m-3.8m,工作坑挖土深度7m,此工程距 秦皇岛海边不足1公里,施工时需降水深度最少4.3m-3.7m。需降水施工的 项目有68m的框架桥预制顶进,202m的钢筋混凝土U型槽现浇施工。根椐现 场的实际情况我们进行方案比选,最终确定采用深井井点降水,在全长 2 70m的范围内布置了82眼降水井,安全顺利的完成了降排水任务,确保了 工程按质按量按期竣工。 注意事项 )井点使用时,基坑周围井点应对称、同时抽水,使水位差控制在 要求的限度内。2)靠近建筑物的深井排水,应使建筑物下及与附近水位 3 台,以防水泵损坏时及时更换。 5 参考文献: 1]江正荣,深井井点降水,建筑分项施工工艺标准手册,2003. 1 [ 1 17
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