矿层井下开采引发地面塌陷的定量评估方法

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1、http:/ 矿层井下开采引发地面塌陷的定量评估方法 魏青军1 于泽森2（1、 新疆地质工程勘察院 新疆 乌鲁木齐 830091； 2、杭州交通规划设计研究院 浙江 杭州 310005） 摘摘 要要：文章通过对矿层井下开采形成的采空区介绍，引入了矿层开采顶板稳定性的评价。 利用顶板稳定性的评价方法，结合地面塌陷地质灾害危险性的评估选取了采空区是否引发 地面塌陷地质灾害的评估方法。对脑艾依图煤矿开采顶板的稳定性进行计算，确定出可能 引发地面塌陷采空区顶板厚度，其结论与其它方法的数据基本一致，说明结论可靠。证明 该方法在地面塌陷地质灾害危险性评估中是一种可行的定量评估方法。 关键词关键词：矿层井下

2、开采；顶板稳定性；地面塌陷地质灾害 Quantitative Evaluation Methods on Fatalness of Ground Sink leading by Exploitation under Ledge Well WeiQingJun1 YuZeSen2(1、Xinjiang Geologic Reconnaissance Academe Xinjiang Urumqi 830091；2、Trafical Programming Academe Of Hangzhou Zhejiang Hangzhou 310005) Abstract: based on the in

3、troduction of mined out space resulted from exploration under ledge well, this article introduces evaluation of stability of ledge upper plate of working. And combined with evaluation methods on fatalness of ground sink we choose a method to evaluate whether mined out space can bring on ground sink.

4、 By calculation of upper plate of workings stability of NaoAiYiTu coal mine, the thickness of upper plate of mined out space which possibly leads ground sink can be confirmed. And the conclusion is approximately accord with those get from other methods shows its credibility. This method is a quantif

5、icational of doable method in evaluating ground sink fatalness is proved in the article. Keywords: Exploitation under ledge well；Stability of upper plate；Ground sink geological disaster 引言引言 矿层井下采矿工程引发的采空区地面塌陷是矿层开采普遍存在的环境工程地质问题， 它 对城市、交通、管线、水体运动会产生严重影响，对农村农耕地的破坏也不容忽视。据专家 们统计：我国已经建有国有矿山 8000 多座，非国有矿山

6、 10 万多座，年采掘矿石量达 40 亿 吨，由于矿产资源的开采，采矿塌陷严重，全国因采矿塌陷破坏的土地基数达 400 多万公顷 1。 近年来， 国家一直在加强地质灾害危险性评估工作， 使地质灾害给人民生命财产造成的1http:/ 影响尽可能减少， 并为此开展了不少研究工作。 矿层开采引发的采空区地面塌陷地质灾害危 险性评估一直处于经验判断的阶段， 其评估结论已经不能满足评估工作的要求， 亟需结合矿 山工程技术与环境地质知识来进行预测地面塌陷地质灾害的可能发生范围， 使评估工作能够 得出量化的结论， 本文正是基于矿山工程技术与地基基础和环境地质的知识对矿层井下开采 是否引发地面塌陷地质灾害进行

7、量化的评估。 1、采空区顶板岩土体变形的垂直分带、采空区顶板岩土体变形的垂直分带 矿层开采后，顶板岩土体的移动变形因岩土体性质和开采条件不同，变形的表现形式、 分布状态和程度亦不相同，一般可将其垂直方向的变形分为三个带2（见图1）： 冒落带：直接位于采空区上方的顶 板岩层，在自重及上覆岩层重力作用下， 移动变形很大，所受应力大大超过本身强 度， 使岩层断裂破碎塌落， 堆积于采空区， 已塌落部分称冒落带。 ABC图 1 采空区冒落的垂直分带示意图 A冒落带；B裂隙带；C弯曲带 裂隙带：冒落带上部的岩层在重力 作用下，移动变形较大，所受应力超过本 身强度，岩层产生裂隙或断裂，但尚未塌 落，形成裂隙

8、带。 弯曲带：裂隙带上部的岩层在重力 作用下，变形较小，所受应力尚未超过其 本身强度，未产生裂隙，仅出现连续平缓 的变曲变形，称弯曲带。此带岩层的整体 性未遭破坏。上述三带的形成主要取决于 矿层的赋存条件、开采顶板管理方法以及 岩层性质等。 采空区由于其大小、几何形状，采掘厚度和矿层埋深的不同，上述三个带不一定同时存 在。当采空区埋深较浅时，冒落带可以直达地表，形成地面塌陷。采空区埋深较深时裂隙带 可能达到地表，使地表出现裂隙（地裂缝） 。采空区埋深很大时，其裂隙带已不能达到地表， 此时进地表区多表现为弯曲下沉3。 2、采空区塌陷的影响因素、采空区塌陷的影响因素 采空区是否产生地面塌陷与其顶板

9、的稳定性有着直接和必然的关联。 矿层采空区顶板的 稳定性是其岩层的完整性、变形特性、岩土体强度及受力状态等诸多因素的综合反映，它具 有结构的不连续性， 力学性质的离散性以及所受荷载的不确定性。 其稳定性受两个因素的影 响，一是内在因素，包括矿层顶板的岩土体类型、质量、物理力学性质、岩层产状、节理、 裂隙状况等；二是外在因素，包括顶板的完整程度、顶板形态（平顶、拱顶） 、矿层厚跨比 （或者暴露面积）4。 3、采空区顶板稳定性的评价方法、采空区顶板稳定性的评价方法 3.1 矿层井下开采顶板安全厚度评价的方法 矿层顶板稳定性的评价方法在目前有很多，归纳起来有以下几种5： （1） 荷载传递交线法。 假

10、定荷载由顶板中心按与竖直线成 3035的扩散角向下传递， 当传递线位于顶板与洞壁的交点以外时， 即认为洞壁直接支撑顶板上的荷载与自重， 顶板是 稳定的。 （2）厚跨比法。当采空区顶板为完整顶板时，其顶板厚度 h 与其跨越采空区的长度 l 之比（跨厚比）大于 0.5 时，顶板的厚度是安全的。 （3）按梁板受力情况估算。假设顶柱是一个两端固定的平板梁结构，上部岩层作为荷2http:/ 载，按照梁板受弯考虑，以岩层的抗弯拉强度作为控制指标，根据材料力学的公式，推导出 安全的顶柱厚度。 （4）按剪切概念估算。根据岩土体的极限平衡条件，顶板岩土体抗剪力承受采空区范 围内的顶板自重和附加荷载。 （5）采空

11、区顶板坍塌堵塞估算法。采空区顶板坍塌时，岩土体肯定会破碎，体积松胀， 当其坍塌到一定高度，采空区被完全堵塞，顶板不再坍塌。根据一定高度岩土体坍塌后的体 积与坍塌前的沿途体体积和矿层采空空间的体积相等来进行估算。 （6）按照平衡拱的理论计算。平衡拱理论也称普氏理论，主要是用于顶板比较破碎的 风化岩土体。采空区未坍塌时，采空区处于自然平衡状态。如果发生坍塌，按照破裂拱进行 计算，破裂拱以上的岩土体重量由拱来承担，因承担上部荷载需一定的厚度，故采用采空区 顶板的安全厚度为破裂拱的高加上不荷载所需的厚度，再考虑适当的安全系数。 （7）K.B.鲁别捏依塔等人的公式。K.B.鲁别捏依塔等人主要考虑采空区跨

12、度及顶柱的 岩体特性（强度及构造破坏特性）对安全顶柱厚度的影响，同时也考虑了露天台阶上作业的 设备的影响，提出了安全厚度的计算公式。 （8）.波哥留波夫公式。这个公式主要考虑了采空区的跨度、顶柱岩土体特性以 及台阶爆破动荷载的影响，提出了计算安全顶柱厚度的公式。 （9）经验类比法。在确定矿层井下开采顶板稳定性时，经验类比法是一个非常重要的 方法。 3.2 采空区地面塌陷地质灾害的危险性评估要求 顶板的稳定与否与其坍塌高度是否影响到地表示判定采空区是否引发地面塌陷的标 准，一般以 10mm 为界限，地面变形超过 10mm 则定为地面塌陷2，反之亦然。据地质 灾害防治条例 ，地面塌陷被列为其六大地

13、质灾害之一，并要求在地质灾害易发区内进行建 设时必须进行地质灾害危险性评估工作。 地质灾害危险性综合评估是依据地质灾害危险性现 状和预测评估的结果， 充分考虑评估区的地质环境条件的差异和潜在的地质灾害隐患点的分 布、危险程度，确定判别区段危险性的量化指标，对地质灾害的危险性进行客观评估。 3.3 采空区引发地面塌陷地质灾害的评估方法 笔者认为，在地质灾害危险性评估工作中，由于所收集资料的局限性和工作布置的技 术要求，并且评估一般在工程建设的科研阶段，所进行的评估依据不是十分的充分，故进行 大量的数值模拟是不现实的， 结合以往对煤矿开采是否引发地面塌陷地质灾害危险性评估的 经验，使用以下公式推导

14、、计算可以比较合理的进行评估工作。 一般地，假设矿区地面的建筑物基地压力和运输车辆等的动荷载为P0，则作用于采空区 段顶板上的压力Q为： 00/2BP2452tanHtanBHfBPGQ+ =+=）（式中： G巷道单位长度顶板上岩层所受的总重力（KN/m）BHG=; B巷道宽度（m） ； f 巷道单位长度侧壁的摩阻力（KN/m） ； H巷道顶板的埋藏深度（m） ； P0矿区地表均布荷载（MPa） ； 顶板岩土体的重度（KN/m3） ； 顶板岩土体的内摩擦角（） 。 当H增达到某一深度，肯定使顶板岩层恰好保持自然平衡（Q=0） ，此时的H称为顶板稳 定的临界深度H0，则 式（1） 3http:/

15、 )245(tantan2)245(tantan4 H 22 0220+ = PBBB当H1.5 H0时，矿层采空 区顶板稳定，不会产生采空区地面塌陷。 4、工程实例、工程实例 伊犁州脑艾依图煤矿是一小型矿山，矿区含煤层为侏罗系八道湾组地层，其顶底板岩 性均为侏罗系砂岩及粉砂岩，地表为第四系松散砂砾石和黄土，固结性较差，矿区煤层顶底 板岩石物理力学指标见表 1。按照煤矿的设计，B2 煤层为矿区主采煤层。B2 煤层顶板岩石 在天然状态下单向抗压强度为 22.4MPa，为稍软的半坚硬岩；饱和状态下为 4.7MPa，稳定 性差；干燥状态下为 46.2MPa，中等稳定性。底板岩石遇水易软化，有膨胀性，岩石力学测 试结果是稳定性差。 脑艾依图煤矿各可采煤层顶底板岩石物理力学指标 表 1抗压强度/MPa 煤层 编号 顶底板 岩 性 天然 状态 饱和 状态干燥 状态天然状态下 抗拉强度 MPa 天然状态下 抗剪强度 MPa 软化系数B2 顶板 细砂岩 22.4 4.7 46.2 2.3 4.8 0.10 顶板 粉砂岩 20.0756.421.42 4.64 0.46 A4-5 底板 粉砂岩 17.2036.680.70 1.88 0.47 顶板 粉砂岩 0.06 25.420.21 1.42 0.002 A1-2 底板 泥岩 4.60 34.601.30 2.50 0.13 注：该表数