厚覆盖层矿山地下开采地表塌陷机制分析.pdf

第 31 卷增刊 1 岩 土 力 学 Vol.31 Supp.1 2010 年 8 月 Rock and Soil Mechanics Aug. 2010 收稿日期2009-12-23 第一作者简介黄平路，男，1980 年生，博士，助理研究员，主要从事岩土力学与工程方面的研究工作。E-mail hpl1980 文章编号文章编号1000－7598 2010 增刊 1－0357－06 厚覆盖层矿山地下开采地表厚覆盖层矿山地下开采地表塌陷塌陷机机制制分析分析 黄平路，陈从新 中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，武汉 430071 摘摘 要要随着矿山开采深度的不断增加，厚覆盖层成为部分深部地下矿山的主要特点。以物探调查、变形监测以及理论分析 为手段，对某典型厚覆盖层金属矿山地下开采初期地表塌陷的成因与机制进行了分析。结果表明，厚覆盖层中存在的大面积 采空区为地表塌陷变形提供了空间，采空区顶板厚度较小为地面塌陷的发展提供了条件，采空区的存在是地表塌陷的主要原 因。 地表出现塌陷以后， 塌陷范围以塌坑为中心继续向外扩展， 受覆盖层内采空区走向， 断层和岩层分界面等地质缺陷影响， 塌坑向西、向南与向北三个方向上的扩展较向东快得多。降雨会增大塌坑向外扩展的速度，因为地表水的下渗加快了塌坑周 围岩土体向塌坑方向的移动和下沉。 关关 键键 词词厚覆盖层；覆盖层内采空区；物探；地表变形监测；地下开采；地表塌陷 中图分类号中图分类号TU 451 文献标识码文献标识码A Analysis of mechanism of surface subsidence caused by underground mining with thick overburden HUANG Ping-lu，CHEN Cong-xin （State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering, Institute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, China） Abstract With the increasing of mining depth, thick overburden becomes the main feature of deep underground mines. By geophysical surveys, deation monitoring, as well as the theoretical analysis, mechanism of surface subsidence caused by underground mining in a typical thick overburden metal mine was analyzed. The results obtained show that goaf in thick overburden provides space for ground subsidence; and smaller thickness of the gob creates condition for the development of ground subsidence, which is the main reason for surface subsidence. After surface subsidence occurred, centering on collapse pit, the range of subsidence continues to expand outward. Because of the strike of goaf and geological defects, such as faults and rock interfaces, collapse pit expands faster in the north, west and south than in the east. Rainfall will increase the expansion speed of the collapse pits, because the infiltration of surface water accelerated the movement and subsidence of the surrounding rock and soil toward the pit. Key words thick overburden; goaf in overburden; geophysical survey； surface deation monitoring； underground mining； surface subsidence 1 引 言 随着国民经济的迅速发展和对矿产资源需求 的不断增长，地下资源开发规模逐渐扩大，开采深 度不断延深，厚覆盖层成为部分深部地下矿山的主 要特点。地下采矿所引起的地表变形和岩层移动， 涉及地表构筑物的安全使用与保护问题。研究并预 测厚覆盖层矿山地下开采覆岩移动规律是进行矿山 开采设计和保障矿山安全生产的基础，已成为矿山 岩体力学研究的前沿课题之一，国内外研究人员已 在相关方面也做了些研究工作，取得了一些成果， 如文献[1]对地下采矿引起的地表下沉类型及其机 制进行了比较系统地研究，文献[2－4]研究了巨厚 松散层下煤矿条带开采引起的地表变形移动规律， 文献[5－6]分别利用模糊数学模型与物理相似模型 试验对中深部矿体露天与地下联合开采引起的地表 变形机制与岩层移动规律进行了分析研究，文献[7] 利用室内相似模型试验方法对厚覆盖岩层条件下地 下采矿引起的地表和围岩变形移动机制进行了探 讨。然而，针对厚覆盖层条件下金属矿山地下开采 岩 土 力 学 2010 年 初期地表出现变形塌陷的机制研究方面尚未见报 道。为此，本文以金山店铁矿东区为例，对厚覆盖 层条件下地下开采初期地表出现变形塌陷的成因进 行了研究。 金山店铁矿年产矿石 300 万 t，是武钢的主要 矿石生产基地。矿山面积约 3.5 km2，并以 25 勘探 线为界划分为东西两个矿区。从 1979 年开始试生 产以来， 该矿已有 30 年的开采历史， 主要集中在西 区开采。随着西区开采延深后可采矿量的逐步减少 以及考虑到生产系统使用上东西区的连接，东区于 2005 年 9 月开始放顶，准备进行大规模深井开采。 东区起采水平-270 m，覆盖层厚 320 m，属于典型 的厚覆盖层矿山。由于地表征地、搬迁等工作迟迟 没有解决， 东区迄今只完成了放顶和-284 m水平部 分矿体的开采工作。然而东区地表于 2007 年 4 月 出现了塌陷，塌陷面积约 250 m2，之后塌陷面积迅 速扩大，2007 年 10 月塌陷面积增至 1 200 m2。对 于厚覆盖层矿山，直观上覆盖层的厚度越大，其稳 定性越好。然而，金山店铁矿东区在一个分段开采 都未完成的情况下，覆盖层就产生了变形破坏，地 面出现了塌陷。金山店铁矿东区地表存在有居民稠 密的村庄和铁路、车站等建构物。覆盖层的安全稳 定直接影响了矿山的生产计划和地表居民的生命财 产安全，对金山店铁矿地下开采过程中地表的塌陷 变形机理进行分析十分必要。 2 工程地质概况 金山店铁矿位于金山店侵入杂岩体的南缘中 段。东区平面上西起 25 勘探线，东至 43 勘探线， 东西长近 1 000 m， 南北宽 990 m， 面积约 0.9 km2。 矿床位于淮阳山字型构造前弧西翼与以幕阜 山为主的杨子纬向构造带间的过渡地带。区域内的 构造形迹主要属于山字型前弧西翼与纬向构造联合 构造应力作用下形成的北西西至近东西向的褶皱、 断裂带和以改造利用前者为特征的北北东背（向） 斜形构造与断裂带，具体为 F1、F2、F3、F4（图 1） 4 条相互平行排列的主干断层，其次还有层间滑动 破碎带和成矿后形成的挤压破碎带。 金山店铁矿东区主要存在Ⅰ号和Ⅱ号两个主 要矿体。Ⅰ号矿体纵贯本区东西方向，赋存标高 为16～-1 000 m， 矿体形态较简单规则， 呈似层状， 具有上薄下厚，东厚西薄的变化特征，其厚度一般 为 20～80 m。Ⅱ号矿体纵贯本区东西。该矿体位 于Ⅰ号矿体北侧，二者相距 15～200 m。在剖面上 两矿体呈选瓦状排列，赋存标高为70～-719 m。 在 26～34 线间矿体出露地表。 矿体上盘近矿体以岩浆岩（C1）为主，远离矿 体以角页岩（A）为主；矿体下盘以岩浆岩（C2） 为主，具体如图 1 所示。 图图 1 典型剖面地质图典型剖面地质图 Fig.1 Geological profiles of typical sections 根据矿区所处大地构造部位及其特征，以及现 存构造形迹和特征，推断本区现存构造应力的最大 主应力方向为近南北向或稍偏东的北北东南 南西向，应力值大约为 1～2 倍的自重应力。 3 矿体开采情况 金山店东区在-270 m 水平开始放顶，设计放 顶高度为 18 m；开采深度为-680 m，其中-340、 -410 m阶段高度为70 m， 分段高度为14 m； -500 m、 -590 m、 -680 m阶段高度为90 m， 分段高度为18 m。 采矿方法预采用分段崩落法。由于地表征地、搬迁 等工作迟迟没有解决，东区迄今只进行了放顶工作 和对-284 m 水平部分矿体的开采，图 2 为-284 m 水平矿体分布和开采情况图。 图图 2 -284 m水平矿体分布与开采情况图水平矿体分布与开采情况图 Fig.2 Ore body distribution and mining progress of level -284 m 358 增刊 1 黄平路等厚覆盖层矿山地下开采地表塌陷机制分析 由于金山店铁矿东区部分区域矿体埋藏较浅， 甚至出露地表，所以金山店铁矿东区一直存在着多 处民采点，其中 1、2、3是位于地表塌陷位置的 3 个主要民采点，其井口位置如图 3 所示。关于民 采当前所了解的情况仅有 民采现已采到-130 m水 平左右，回采矿量约为 100 万 t，其他关于民采采 空区的位置与形状、采用的采矿方法等重要资料不 详。 图图 3 地表塌陷范围地表塌陷范围、、移动范围扩展过程图移动范围扩展过程图 Fig.3 Propagation process of surface subsidence and movement 4 覆盖层内采空区物探调查 为查明金山店铁矿东区覆盖层内民采形成的 空区位置、大小以结合地表监测，找出采空区域与 地表塌陷之间的关系，首先对东区覆盖层进行了地 震探测工作。地震勘探是工程地质勘察的重要手 段，它主要是利用人工激发的地震波在岩、土介质 中的传播规律，探测浅部地层和构造分布，或测定 岩、土体的力学参数特征。 4.1 原理与方法原理与方法 首先选择代表性区域进行物探技术参数试验， 根据实验结果来确定观测系统、 偏移距， 排列长度， 激发及接收方法等。本次地震探测在试验的基础上 选用折射和多道共偏移观测系统，折射采用近炮和 远炮相结合，偏移距 5 m。探测采用中国科学院武 汉岩土力学研究所生产的 FDE－24 数字地震仪。 检波器为 CDJ－100 型纵波检波器，激发方式为爆 炸激发。 根据金山店铁矿东区地下矿体和地表构筑物 分布，确定探测范围和物探测线布设，具体如图 4 所示。现场采用皮尺量距，定点，参照地形地物放 图，尽量保证测点的位置精度。 4.2 物探结果及分析物探结果及分析 物探首先得到了各测线反射时间的剖面图。 图图 4 金山店铁矿东区地质灾害调查物探成果图金山店铁矿东区地质灾害调查物探成果图 Fig.4 Result map of geological hazard investigation by geophysical prospecting 由于地下采空区、塌落充填区、岩石破碎相对 集中区， 其岩石的物理性质与周围相对完整的岩石， 在物理性质上发生根本的变化，一般表现为地震波 速、岩石密度等都有会减小，与围岩形成波阻抗差 异。根据波的反射原理，在地震反射时间剖面内， 就会出现明显的反射波组，由于这些区域往往有一 定的局限范围，并伴有垂向突变的情况（如波阻抗 界面被采空区截断） ， 在对应的局部区域出现弧形反 射、绕射波组，形成闭合状或半闭合状，并伴有波 组的能量变化，分合、断续等特征，据其波形、能 量、频率等特征推测反射剖面内是否存在地下采空 区、塌落区或相对集中的破损区。 通过诸如上述对物探结果的分析，可以得到如 下结论 （1）通过物探测试，在可能出现地质灾害的区 域，在大多数剖面内发现反射、绕射波组异常。基 于此，划分出如图 4 所示的采空区、塌落充填区、 岩石破损区平面分布范围。 （2）异常反映的时间 75～160 ms，埋深 40～ 80 m，水平宽度为 20～60 m，异常高度为 10～ 40 m，推测它们是采空区、塌落充填区、岩石破损 相对集中区的综合反应。在所划分的区域，异常并 不是同等规模大小、反映的深度亦不相同，反映出 其对应的采空区、塌落充填区、岩石破损区亦是分 布不均匀的，埋深、规模大小皆不相同的情况，异 常的互通情况不能完全确定。 （3）埋深 40～80 m 的采空区、塌落充填区、 岩石破损相对集中区是地表产生变形沉降的主要原 因，其中一部分已经使地面产生塌陷，其余部分地 下岩石正在塌落，已使地面产生明显的沉降变形， 359 岩 土 力 学 2010 年 即将使地面产生较大面积的塌陷，其中有一部分虽 已形成采空区，地下也在不断地塌落，但还没有影 响到地面，但是地面车辆产生的压力和振动等外部 因素的影响，会加速地下岩土体的塌落过程，从而 加速地面的沉陷。 5 地表变形监测 5.1 变形监测变形监测 为了有效掌握金山店铁矿东区地表的变形规 律和分析地表塌陷的成因，进行了地表水平位移、 垂直位移的变形监测，以及地表裂缝和塌陷范围扩 展的巡测。 地表水平位移采用 GPS 进行监测， 共布置测点 64 个，监测工作从 2008 年 3 月开始，至 2009 年 5 共进行了 13 次监测。监测周期为 30 d 一次。 水准网主线沿矿区主干道布置，测点共计 97 个，采用高精度水准仪进行监测，水准监测从 2008 年 3 月开始，至 2009 年 5 月共进行了 13 次监测， 监测周期为每月一次。 5.2 监测结果与分析监测结果与分析 监测得到了金山店铁矿东区地表水平和沉降 变形过程，图 5 为 GPS 监测得到的典型水平位移 矢量图，图 6 为水准测量得的典型沉降等值线图。 （a）2008 年 12 月 24 日 （b）2009 年 5 月 23 日 图图 5 水平位移矢量图水平位移矢量图 Fig.5 Vectorgraph of horizontal displacement （a）2008 年 12 月 26 日 （b）2009 年 5 月 27 日 图图 6 沉降等值线图沉降等值线图 Fig.6 Contour map of vertical displacements 通过分析地表变形监测结果，可以得到金山店 铁矿东区的地表变形规律 首先，从对水平位移监测结果可以看出，2008 年 9 月之前地表水平位移方向显得杂乱无章，规律 性很差，最大水平位移量也未达到为 4 cm，且集中 分布于塌坑周边区域内，这种变形现状表明，总体 上整个金山店铁矿东区，地下开采还未对地表变形 产生明显的影响。此后的 10 月至 11 月，水平位移 逐渐向塌坑周边区域集中，变形由塌坑向外逐渐减 小，且指向塌坑内。2009 年 1 月的水平位移方向已 经明显由四周指向塌坑中心，而位移最大值也已超 过 5 cm。2009 年 3 月塌坑周围测点的水平位移明 显增大，位移最大值超过 10 cm。2009 年 5 月份塌 坑附近测点单月变化值大都超过 3 cm， 其中变形最 大测点变形接近 20 cm。 其次，从沉降等值线图可以看出，自 2008 年 3 月第一次监测起，地表的垂直变形一直在逐渐增 大，变形范围也不断增大。5 月份，地表最大沉降 点是位于食品公司区域，单月最大沉降值达 2 cm。 另外，塌坑附近的部分测点的沉降量也明显增大； 单位cm 单位cm 360 增刊 1 黄平路等厚覆盖层矿山地下开采地表塌陷机制分析 6～8 月份， 食品公司区域测点的变形仍保持快速增 加的势头，单月沉降量达到了 6 cm，预示着此地区 将出现较大的变形，9 月份食品公司出现新的塌坑 印证了监测成果；9－12 月，地表沉降的变形值和 变形范围仍在不断增大，食品公司区域新塌坑附近 仍是变形最快的区域，区域内测点地最大沉降值已 超过 10 cm。 2009 年 1－3 月， 塌坑附近测点沉降变 形值继续增大，部分测点单月变形值近 4 cm。2009 年 4－5 月塌陷坑附近测点仍保持快速变形， 多处测 点单月变形超过 3 cm。 第三，无论从水平位移还是沉降变形监测成果 都可以看出，地表变形值和变形范围一直在逐步增 大，形成了以尾矿池塌坑和食品公司新塌坑为变形 中心，变形范围逐步向外扩展的变形趋势。变形向 四周均扩展迅速。但是塌坑在向西、向南与向北三 个方向上的扩展较向东快得多。变形在 2009 年 5 月份呈加速之势。 另外，根据地表裂缝和塌陷范围扩展过程监测 结果绘制了东区地表移动范围和沉陷范围的扩展过 程结果，如图 3 所示。 2007 年 4 月，两民采点附近 36 勘探线区域一 个尾矿池出现地面塌陷，塌陷面积约 250 m2，周边 有 3 栋民房开裂变形。10 月，此地面塌陷区域面积 增至 1 200 m2， 周边民房及地表开裂变形范围扩大。 2008 年 4 月，此地面塌陷区域面积增至 5 900 m2， 塌陷面积陡增 4 倍，移动范围也相应地有所扩大， 导致食品公司的 2 层楼及附近的民宅大范围开裂。 9 月，食品公司院内产生了一次新的地表塌陷,塌陷 面积约 620 m2。2009 年 5 月，塌坑范围继续增大。 在地表移动范围内的房屋和道路出现了明显的变形 或较大裂缝，其中粮库因变形巨大而被拆除。尾矿 库处塌坑与食品公司处塌坑之间建筑物与道路变形 十分明显。 6 地表塌陷成因分析 基于金山店铁矿东区工程地质、水文地质，以 及矿山开采情况，通过上述物探勘查结果与分析、 地表变形监测结果，可以对金山店铁矿东区地表塌 陷成因与机制做出如下分析 对照图 3 中地表的塌陷范围和地表主要民采点 分布图可以看出，地表塌坑所处位置与民采点的分 布有着很好的对应关系，民采是对近地表矿体进行 开采， 其开采后留下的空洞对地表有着严重的影响。 由物探可知，金山店铁矿东区覆盖层内存在大 面积的民采开采形成的采空区，覆盖层内采空区并 没有地下开采采空区形成贯通。民采点采用的空腔 法采矿为地表塌陷和地表移动提供了变形空间。由 于对近地表矿体进行开采，其采空顶板厚度很小， 为地面塌陷的发展提供了条件。一旦其顶板塌陷， 地表岩土体必然向空区内巨大的空腔塌陷并充填。 由此可以说明民采是地表出现塌坑的主要原因。 地面出现塌陷以后，由变形监测结果得到的地 表以塌坑为中心，向西、向南与向北 3 个方向上的 扩展较向东快得多。向西较快的扩展是由于矿体以 及民采的采空区范围是向西延伸的；向东则接近于 矿体的端部， 所以扩展较慢； 向南和向北扩展较多， 是由于塌坑南、北侧是矿体的上、下盘，存在着多 条平行矿体的断层和岩层分界面等地质缺陷，它们 的存在有利于塌坑围岩向塌坑方向的倾倒移动。 2009 年 4－5 月份塌陷区周围地表变形呈加速 之势，除采空区外，与期间雨水较多有关。地表水 的下渗加快了塌坑周围岩土体向塌坑方向的移动和 下沉，引起了地表的快速变形和塌陷范围的快速扩 展。 7 结 论 （1）金山店铁矿东区厚覆盖层中大面积前期民 采留下的采空区为地表塌陷变形提供了空间，采空 区顶板厚度很小，为地面塌陷的发展提供了条件。 采空区的存在是地表塌陷的主要原因。 （2）地表出现塌陷以后，塌陷范围以塌坑为中 心继续向外扩展，其中向西、向南与向北 3 个方向 上的扩展较向东快得多。向西较快的扩展是由于民 采的采空区范围是向西延伸的；向东则接近于矿体 的端部，所以扩展较慢；塌坑南、北侧是矿体的上、 下盘，存在着多条平行矿体的断层和岩层分界面等 地质缺陷，有利于塌坑围岩向塌坑方向的倾倒移 动，所以扩展较慢；向南和向北扩展较多。 （3）雨水较多季节，降雨会增大塌坑向外扩展 的速度，因为地表水的下渗加快了塌坑周围岩土体 向塌坑方向的移动和下沉，从而引起了地表的快速 变形和塌陷范围的快速扩展。 参参 考考 文文 献献 [1] BRADY B H G, BROWN E T. 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