矿山覆岩移动特征与安全开采深度.pdf

第 26 卷第 1 期 岩 土 力 学 Vol.26 No. 1 2005 年 1 月 Rock and Soil Mechanics Jan. 2005 收稿日期2003-09-29 修改稿收到日期2004-01-15 基金项目国家重点基础研究发展规划项目9732002CB412704，湖南省自然科学基金04JJ6002，中南大学科学研究基金76163资助课题 作者简介李铀，1961 年生，教授，博士，注册土木工程师岩土 ，主要从事弹塑性力学、岩土力学与工程方面的教学与科研工作。 E-mailyli 文章编号文章编号1000－7598－2005 01002706 矿山覆岩移动特征与安全开采深度 矿山覆岩移动特征与安全开采深度 李 铀 李 铀 1，21，2，白世伟 ，白世伟 2 2，杨春和 ，杨春和 2 2，袁丛华 ，袁丛华 2 2 1.中南大学土木建筑学院，湖南 长沙 410004 2.中国科学院武汉岩土力学研究所，湖北 武汉 430071 摘摘 要要对采矿引起的矿山覆岩移动特征研究成果及工程实践进行了总结，以此为基础，就受众多因素制约的重要问题矿 山安全开采深度问题形成了几点认识与建议。 关关 键键 词词覆岩移动；地表移动；地面沉陷；安全开采深度 中图分类号中图分类号TD 32 文献标识码文献标识码A Characters of overburden strata movement of mines and safe mining depth LI You1 ，2, BAI Shi-wei2, YANG Chun-he2, YUAN Cong-hua2 1. School of Civil Engineering and Architecture, Central-South University, Changsha 410004, China; 2. Institute of Rock and Soil Mechanics, The Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, China Abstract Research results and engineering examples are concluded on the characters of overburden strata movement of mines. Based on it, some proposals are presented on safe mining depths. Key word overburden strata movement; surface movement; surface subsidence; safe depth of mining 1 引 言 早在 19 世纪末， 采矿引起的覆岩移动与破坏以 及由此造成的井巷和地面建筑物的损害就引起了人 们的注意， 并进行了初步的观察和记录。 在 20 世纪 30 年代， 在一些采矿先进的国家巳把岩层与地表移 动作为一项科学研究工作。 从 1950 年起至现在， 岩 层与地表移动的科学研究工作巳取得了很大进展， 特别是自上世纪 70 年代以来，由于“三下”开采的 客观需要，新的测试仪器的出现以及电子计算机的 广泛应用，使岩层与地表移动的科学研究工作发展 到了一个新的阶段[1-18]。为了方便类似工程实施中 进行工程类比，这里将对部分研究成果及工程实践 作一介绍。 2 采区上覆岩层的沉陷过程与特征 采区上覆岩层的沉陷及由此引起的地表移动是 一个复杂的过程，它受众多因素的制约，如采矿方 法、顶板控制、矿体厚度、倾角、岩石物理力学性 质、地质构造以及岩石的风化程度等因素。一般情 况下，采区开采后，其空区直接顶板至地表之间的 岩体都出现“三带” ，即冒落常、裂隙带和整体移动 带，但在采空区上方岩层一时难以崩落的情况下， 也可呈现“二带” ，即不出现冒落带。 工程实践表明，上覆岩层的移动过程可分成以 下几类 1 缓倾斜矿体 第一阶段，岩层离层与弯曲，一些矿山实测结 果表明，顶板测点在回采工作面前方 7 m 以上时， 顶板基本不下沉。当工作面推进到距测点 3～6 m 时，顶板开始离层和弯曲，而且随着间距的缩短， 弯曲变形加速，当工作面通过测点 3～6 m 以后， 测点下沉速度最大。 此后， 随着工作面的继续推进， 顶板测点下沉速度逐渐减小。 第二阶段，岩层局部破坏与冒落。随着时间的推移 岩 土 力 学 2005 年 和采空区面积的不断扩大，顶板的受力状态不断恶 化，致使上覆岩层局部破坏而掉碴，甚至岩层局部 破裂发声，进一步可导致部分矿柱被压裂与剥落， 直至倒塌。 第三阶段， 岩层大塌落。 第二阶段发展的结果， 矿柱及顶板的破坏不断加剧， 最终导致岩层大塌落。 在这种大塌落到来之前，一般均有明显的迹象，如 锡矿山的 3 次地压活动表明，大面积顶板冒顶前数 天，岩层发响次数急剧增加，每分钟达 70 多次，掉 碴次数每小时达 30 次， 冒落前一个月， 失去支撑能 力的矿柱达 60 [19-22]。 2 急倾斜厚矿体 与缓倾斜矿体相类似，这类矿体上覆岩层移动 过程也存在着发生、发展和崩落三个阶段，冒落一 般首先从矿山岩层最薄弱地段发生， 如大空场区域， 采空区中心地带，断层或层间弱面，软岩或吸水膨 胀岩层，最终形成矿山大面积顶板冒落，地表呈现 陷坑。弓长岭铁矿出现的冒落就是这种形式的典型 例子，其第 1 次地压活动突破口在开采范围的中心 区域 113采场，而后台区和磨石区的冒落突破口则 在留矿法空场和松软的绿泥片岩区域。 3 急倾斜脉群型矿体 这类矿体开采后，上下盘围岩在空间上形成近 乎平行排列的顶底柱相互支撑的夹墙。由于夹墙比 较薄， 当夹墙承受的负荷超过其岩体的极限强度时， 可导致夹墙倾复，而使上下盘围岩向采空区移动。 这种状况不断恶化的结果，就可导致矿山大规模的 岩层移动和崩落。盘古山钨矿 1966 午 6 月和 1967 年 9 月两次大面积地压活动就是这种类型的典型实 例。因此，夹墙失稳是这类矿体岩体发生岩层大冒 落的根本原因。 3 开采引起的地面沉陷范围的确定 采区上覆岩层的沉陷导致了地面沉陷，沉陷大 了将引起地面生产生活设施的破坏，因此预先估计 开采引发的地面沉陷范围及程度是十分重要的。 目前，确定地面的沉陷范围是由错动角来划定 的，按具体矿山的上山、下山及走向错动角，可以 圈出地面的沉陷区，进而可以圈定保护地面设施所 需的保安矿柱，错动角的确定一般是由经验或矿山 实测确定的。用矿山测量方法求得的错动角常带有 2～5的误差，因此用错动角圈定的保护区域外也 可能引起破坏。为了可靠起见，应该将保护面积的 边界向外扩大 5～20 m。长沙矿山研究院的叶粤文 对我国部分金属矿山岩层及地表移动的参数、塌落 条件及其控制方法进行过总结[10]，其部分结果示于 表 1。 表中α为走向错动角, β为上山错动角，γ为 下山错动角。错动角定义为采空区四周岩层冒落 带或移动区的最外临界面与水平面之间的夹角。 表表 1 我国部分金属矿山岩层错动角和崩落角实测值我国部分金属矿山岩层错动角和崩落角实测值 Table 1 measured stagger and collapse values of some metal mines in China 硬度系数 f错动角/ 序号 矿山名称 岩层特性 上盘下盘 矿体倾角 / 矿体厚度 /m 开采深度 /m 采矿方法 α βγ 崩落角 / 1 锡矿山南矿东部 顶板为不稳固页岩，底板为稳固的 矽化灰岩或灰页岩互层 36 101810254 100240房柱法 65 68597881 2 锡矿山南矿东部 顶板为不稳固页岩，底板为稳固的 矽化灰岩或灰页岩互层 36 101810256 100240房柱法 71 69597881 3 云锡松树脚 1-1矿体 顶盘为大理岩，底盘为矽卡岩及 花岗岩，中等稳固 8 8 025 9 300600 房柱法 分段法 6880 4 云锡马拉格矿 4矿体 顶板为白云岩，中等稳固 8 8 405020 500 方框充填法 66 6268 5 武钢程潮铁矿东区 上盘为闪长岩，大理岩，矽卡岩， 下盘为花岗岩， 矽卡岩， 稳固至中等稳固 810 1012305553 80 无底柱分段 崩落法 6868 6 金岭铁矿铁山区 上盘为大理岩、结晶灰岩； 下盘为闪长岩、蚀变闪长岩 810 81255 8 4894 分段法嗣后 水砂充填 505 5 7 冶山铁矿 上盘为白云岩，下盘为花岗岩、 闪长岩，稳固至中等稳固 1012 810458020 8130 无底柱分段 崩落法 62 856290 8 大吉山钨矿 石英脉状矿床，稳固至中等稳固 812 81275 3 75300深、浅孔留矿法 74 68608083 9 石咀子铜矿 矿体赋存于薄层大理岩、千枚状板岩、 绢云母片岩与黑灰色条带状大理岩 所组成的互层带之中 1012 81075901035近千米浅孔留矿法 707085 10 锡矿山南矿河床 直接顶板为 48m 灰岩、页岩互层 102012 110150 胶结充填矿壁全 尾砂充填矿房 65 6560 11 湘西金矿“316”矿块围岩为紫红色板岩， 属不稳固至中等稳固 464624282.4 102 分级尾矿充填 65 6859 28 第 1 期 李 铀等矿山覆岩移动特征与安全开采深度 错动角是岩层及地表移动的最主要参数之一， 对保护井上、下建筑物起着重要作用，各矿山都应 通过实测确定自已的错动角。依据错动角确定保护 区时， 尚应考虑另一个因素即安全开采深度的影响。 当开采深度达到安全开采深度后，地下开采已不致 引起地面设施的破坏，因而此时的错动角对划定地 面保护区失出了意义。 金属矿山的特点是围岩比较坚硬，塑性变形能 力小，呈脆性，岩层移动与崩落往往不象煤矿那样 长期地、缓慢地进行，而是瞬时地、突然地发生的， 突发的崩落角明显地大于错动角。一些金属矿山的 崩落角也示于表 1 中。 4 控制岩层大变形的主要措施 由于开采引起的岩层移动和塌落，对矿山生产 生活设施均会产生程度不同的影响，严重时除国家 财产与资源遭受损失外， 矿工生命安全也受到威胁， 因此了解矿山岩层移动规律， 采取相应的防范措施， 具有明显的经济效益及社会效益。这方面的工作目 前巳取得了明显的成绩。目前，控制岩层大变形以 至崩落的有效方法有如下 3 种。 1 采取合适的采矿方法地表移动盆地内各 种变形量直接受下沉大小的控制，因而减小下沉就 可以减小移动盆地对生产生活设施的影响。生产实 践表明， 不同的采矿方法引起的地表变形是不同的， 表 2 示出了我国一些金属矿山实测的下沉系数。下 沉系数的定义是地表最大下沉值与矿体法线采厚在 铅垂方向投影长度的比值。 表表 2 不同采矿方法的下沉系数表不同采矿方法的下沉系数表 Table2 subsidence coefficients of different mining s 序号 矿山名称 矿体倾角 / 采矿方法 下沉 系数 1 锡矿山南矿东部 1025 房柱法 0.276 2 锡矿山南矿中部 1025 房柱法 0.284 3 云锡马拉格矿 4矿体 4050 方框充填法充填率 40 0.036 4 锡矿山南矿飞水岩河 床矿柱八九中段 16 条带式采矿方法，用胶结 充填矿壁、尾砂充填矿房 0.003 5 锡矿山南矿西部 1025 房柱法，废石加尾砂充填 空区，充填率 70 80 0.01 从表 2 可以看出，用房柱法开采矿体时，如果 采空区不进行处理， 地表最大下沉值为采高的 28 左右；如果采空区只进行部分充填，则地表最大下 沉值为采高的 17 。 而采用条带式充填采矿方法， 地表最大下沉值则仅为采高的 0.3 。由此可知， 条带式充填采矿方法是减小地表变形和控制岩层移 动最有效的方法之一。 2采用合理的开采顺序现代岩石力学巳认 识到开采施工的中间过程对岩体力学性能、采空区 的稳定有很大影响[23]。生产实践表明当回采工作 面从某一方向单向推进，或从建筑物或目标物下方 中央向相反两侧推进时，可以使上覆岩层及地表变 形互相抵消一部分而减小。因而确定合理的工作面 位置与开采顺序是很有意义的。 3留隔离矿岩柱为了防止上覆岩层及地表 塌落，有些矿山采用留设隔离矿岩柱取得了明显 的成效，如锡矿山南矿河床矿柱采区，在中间留下 一条 1525 m 宽的长带形岩柱，将采区分成两大部 分。从河床地表移动观测资料获知，由于这条岩柱 的支撑作用，其对应地表呈现出两个下沉盆地，因 而显著地减小了地表的下沉量。这充分说明留隔离 矿岩柱是减少岩层变形的另一有效方法。 5 几个工程实例 矿山产生大地压的实例不少，如锡矿山南矿中 部发生的大地压活动就是一例 1965 年 12 月 25 日 在锡矿山南矿中部采区发生了大面积地压活动，井 下采空区冒落 3104m3占全部采空区面积的 60 ，地表急剧移动下沉、开裂最大裂缝宽度达 2.1 m，下沉盆地面积达到 9.6104m2，其一些实测数 据如下[19]。 1 地表移动盆地呈碗形，且边界段非常陡。 在大冒落发生后的极短时间内， 下沉速度相当急剧， 3 天内地表的最大下沉总量竟达 1 075 mm，占最终 最大下沉量的 62 。 2 地表的最大下沉点偏向采区下山方向，其 最大下沉量为 1 601 mm。 3 地表的最大倾斜率在上山方向为27 mm/m，在下山方向为-25.8 mm/m。 4 地表的最大曲率上山 1.0610-3/m。 5 地表的最大水平移动值 0.5 m。 6 地表的最大水平变形上山 8.2 mm/m，下 山 8.4 mm/m。 7 最大下沉系数η1.601/60.27。 这次地压活动，导致了地面设施的严重破坏， 造成了重大损失。上述最大下沉系数实际上较自然 或人工崩落管理顶板还小 2～3 倍， 这是因为大地压 发生后，随即对巳冒和未冒的大片空区进行了尾砂 充填处理。尾砂充填的效果在该矿西部建筑物密集 分布的飞水街一带得到了证实。1952 年至 1965 年 该区用干式充填法处理了 80 的空场体积， 虽然干 式充填物料空隙大，残留 1～3 m 的空顶距，但能 29 岩 土 力 学 2005 年 起到加固、增强矿柱支撑能力的作用。因此起到了 推延来压时间、控制地表移动规模和范围，使地表 移动盆地达不到破坏临界值，且能迅速衰减稳定。 当发现地表开始移动后，随即进行尾砂充填，地表 最终最大下沉系数仅为 0.01。由此可见，只要认真 探索和掌握不同条件下地下开采引起的地表移动变 形规律，就能比较科学地制定保护地表建筑物的有 效措施与合理方案。 其它几个有参考意义的开采实例[15,16,18,19,21,22]列于 表 3 中。表中所列云锡公司马拉格矿 4矿体，其 2 200 m 上段的开采经坑内观测证实，开采引起的岩 移导致了巳拆迁建筑墙壁的倾斜及地板开裂，但下 段矿体的开采岩移被证明未波及地表建筑物，这 确定了实际安全开采深度为 180 m，远小于预先确 定的 800 m为开采法线厚的 80 倍，因而具有一定 的参考意义。 表表 3 几个稳定开采实例几个稳定开采实例 Table 3 Cases of several stable mining 矿名 围岩条件 矿体赋存状况开采方法 开采深度/m 最大下沉/mm稳定情况 备注 云锡公 司马拉 格 4 号 矿体 覆岩为大理岩 与白云岩，中等 稳固，f610 矿体上方地势 平坦，高程 2 3702380 m， 矿体自身下延垂 高约 450m，斜 长 600 m，平均 倾角 50 方框支柱充填法开采，2 200 m 中 段以上上段开采法线平均厚度 10 m，开采跨度约为 60 m；2 200 m 中段以下开采法线平均厚度 15 m，跨度 30 m，上段充填率 40 ， 下段约 50 2 000 m 中段 以下180 1 000 mm，下沉 系数约为 0.1 达到 安 H时 的跨深比为 0.333， 安 H180 实测表明 2 200 m 以下矿体 开采岩移未波及地表，即未 危及建筑物 锡矿山 南矿河 床矿柱 直接顶板为 48 m 的灰岩、页岩 互层 主要矿体 厚 425 m， 平均厚 12 m， 倾角 1012 胶结充填矿壁全尾矿充填矿房法 开采， 胶结壁宽8 m， 矿房宽10 m， 沿倾斜方向长 60120 m，开采范 围沿走向 250 m，倾斜长 220 m， 采空区体积为 36.96 万立方米， 试 采区 110m120m 110150 m 至 1980 年 8 月最 大下沉 31 mm， 预 计最终 346.1 mm， 下沉系数 0.03，采 出高度平均 12 m 实践证明这 一采矿方法 开采河床下 110150 m 矿体是可行 的和安全的 1971、1975 年埋点，1973 年开采至 1979 年才发现河 床地表产生了移动，最大值 仅 12 mm 湘西金 矿 “316” 试验 采场 紫红色板岩， f46，属不 稳固至中等稳 固，易沿层理剥 落和沿断层面或 节理面冒落 矿体属层脉加网 脉形，平均厚度 2.4 m， 实采法线 高最大 3 m 左 右 ， 矿层 倾角 2428，矿块 下宽 22 m， 上宽 32 m， 斜长 63 m 采用长锚索和短锚杆联合护顶， 分级尾砂充填，沿走向分为 610 m 宽三个矿房，顺序回采 矿块中部顶板 距地表垂高 102 m 1982 年 5 月设点 至 1984 年 7 月测 得最大下沉值为 18.4 mm1984 年 6 月“316 矿块”被 采完，但变形尚 在延续 至采完地面 是安全的 “316”矿块与上部“208” 矿块是按顺序自上而下连 续开采的，两者应综合考 虑。空区沿倾向连续长 12.5 m， 上山边界采深 90 m,下山 边界采深 118 m，平均采深 102 m，1984 年 6 月采完 “316”矿块 6 影响安全开采深度的主要因素 随着开采深度增加， 地表移动范围越来越大， 而变形则越来越小。当开采达到某一深度后，地表 移动与变形将不会危及地表建筑物的安全，这个深 度称为安全开采深度。 6.1 开采厚度开采厚度 安全开采深度 安 H与采厚有关， 但若单纯用采深 与采厚之比来衡量 安 H，就会造成失误，尤其在未 充分采动与极不充分采动条件下，地表下沉与变形 值较小， 安 H值也较小。实践表明，即使是在充分 采动条件下， 安 H也不随采厚成正比例增长，即采 厚大时， 虽然 安 H值增大， 但 安 H值随着采厚的增大 而趋于减小。 6.2 开采跨度开采跨度 开采跨度系指开采走向长度或倾向长度的水 平投影长度这两者中的较小值。只要其中一项未达 充分采动所要求的值， 安 H值便随跨度的减小而减 小。这是因为跨度越小时，两侧岩体对中部顶板的 支撑效果越好即可能产生的拉应力越小，因而有 利于顶板岩体的稳定，使其难以产生破坏和较大岩 移。此外，跨度小的采空区即使是发生了冒落，一 般也可在未冒满的情况下形成自我平衡， 趋于稳定， 使岩移波及的高度较小。 英、美等国也采用跨深比来衡量 安 H，这也有 一定的参考意义。英国煤炭局综合 157 个煤矿的实 测资料后指出，当跨深比0.25 时，地表岩移对地 面设施的破坏作用便可忽略不计[10]。在英国煤炭局 颁发的下沉工程师手册中进一步指出，当跨深 比0.2、下沉系数0.1 时，岩移对地表建筑便没有 危害；美国一些覆岩中硬的煤矿，在跨深比相同的 情况下，下沉系数比上述还要小一些。 6.3 最大下沉值最大下沉值 在一定范围内，地表下沉量愈大，地表岩层与 30 第 1 期 李 铀等矿山覆岩移动特征与安全开采深度 建筑物的变形或破坏程度也愈大。但是若地表不受 严重切割或发生塌陷，最大下沉值大小便不能完全 确定建筑物受损害的程度，原因很简单，下沉盆地 中部即使有很大的下沉量，若整个下沉盆地面积较 大， 下沉量沿地表变化很缓即地表沉降在一定程度 上可认为是均匀沉降， 则地面建筑物便可能不受危 害。反之，如地面最大下沉量相对较大，但下沉盆 地面积较小，致使下沉值的变化率相对前者较大， 则可能引起地面建筑物的破坏，所以衡量地面可能 破坏的程度，单纯用最大下沉量是不可靠的。一般 应采用地表倾钭、曲率、水平变形等指标来衡量。 6.4 覆岩稳固性与构造覆岩稳固性与构造 在未充分采动的条件下，开采跨度小，稳固的 覆岩难以遭受破坏， 安 H值相对较小；而在走向和 倾向方向上都达到充分采动时，开采跨度大，当顶 板为脆性的坚硬岩体时，其一旦受到破坏，开裂宽 度和波及的高度都较大，致使 安 H值会相对加大。 对构造发育的覆岩，尤其是有大型断裂切割采 空区及其上方时， 安 H的相对增大则更为明显。若 矿体倾角大于岩块的安息角，由断裂带切割先行松 动的岩体便可能随开采的下延不断向下移动，导致 松动带或冒落带高度增大，使 安 H值猛增，在这种 情况下，不能用一般方法预计 安 H值。 6.5 采空区充填情况采空区充填情况 采空区进行充填可显著地减小地面下沉，降低 安 H值，有利于矿山稳定开采，这－点前面已叙述 过，例如锡矿山南矿河床矿柱开采、锡矿山南矿西 部开采等。 进一步的例子有英、 美煤矿的开采实践。 英、美煤矿在开采较薄煤层时，用碎石充填全部空 区，在跨深比为 0.3，下沉系数为 0.1 时，对地表一 般建筑物便不产生有害影响。 7 认识和建议 矿山安全开采是一受众多因素制约的重要问 题，要使矿山开采影响不波及地面生产设施要考虑 的因素就更多了。 从目前的研究成果看， 采用 安 H值 作为估计矿山开采影响不波及地表的指标是可行 的，但 安 H值的影响因素也颇多，如何估计也是一 门学问，综合多方面的研究成果，人们对这一问题 形成了如下几点认识和建议[15-18] 1 充分采动的矿体可将深厚比做为预计 安 H 值的主要因素，并用其它因素予以调整，但此法用 于较厚矿体时，预计的 安 H值偏大。 2 未充分采动的矿体， 可根据跨深比初选 安 H 值，而后用其它因素调整。例如某矿体采厚6 m， 跨度 90 m，用崩落法开采且未充分采动，覆岩未受 大断裂切割，中等稳固。在此条件下当采深达跨深 比为 0.3 左右时达到或接近极不充分采动， 即采深 为 300 m 时，便认为达到三类建筑的 安 H值；对一、 二类建筑则跨深比应予减小，若采厚增大，此比值 也应减小， 即应将预计的 安 H值增大。 由于 安 H与采 厚的确切关系尚不清楚，故在采厚较大时，要防止 预计的 安 H值取得过小。 3 用充填法开采的矿体，或矿体上端距地表 相当高，在下沉盆地面积较大的情况下，只要预先 计算的最大下沉量不超过 100～300 mm，采后地表 便不致受切割破坏， 建筑物亦不会受损有高达数十 米至百米的烟囱，其下沉达 100 mm，仍未受损害 的实例。 4 安 H值除了与建筑物类别有关外， 与其结构 强度和型式也有关，某些陈旧或强度低的建筑容易 变形破坏，长度很大的建筑，两端下沉差值较大， 也易受损害，对于这些建筑必须取较小的地表下沉 与变形临界值，即应有较大的 安 H值。 5 当上部矿体开采危及地表建筑，深部开采 不危及时，需将错动角与 安 H值结合起来考虑岩移 范围，且应按 安 H所达到的深度为起点向上划定错 动角。岩移影响的地表边界一般按建筑物允许的变 形量为临界值进行圈定，也有的单纯用岩移区外围 的下沉值来衡量，下沉的临界值可取 20～100 mm一类建筑取小值。 6当采空区之间有连续的矿岩柱，且具有长 期支撑能力时，便应以矿岩柱之间的跨度作为考 虑 安 H值的参数。留矿柱所花代价小于搬迁建筑的 情况下，可用留连续矿柱的办法来减小 安 H值，以 避免过多地搬迁建筑物。 参参 考考 文文 献献 [1] 刘宝琛，寥国华. 煤矿地表移动规律[M]. 北京中国 工业出版社，1965. 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