某地下矿采区测量及开采对地面影响

贺跃光，熊 莎，赫天沛

（1.长沙理工大学 交通运输工程学院，湖南 长沙 410004；2.宁夏回族自治区国土测绘院，宁夏 银川 750021）

某石膏矿矿区面积0.273 5km2，矿区内为剥蚀构造地貌，地形起伏平缓，地表主要为农田和民房，相对高差50m，地貌呈现显著剥蚀残丘现象。区内地表水发育，水塘星罗棋布，矿区外围北部有河流经过，切割区内所有地层，河宽20～55m，为常年性河流，最大流速为66.81m3/s。为判定开采对地面建筑物的影响，通过测量矿区井下开采平面图、矿区地表平面图及矿区井上井下对照图，并对其安全性进行分析。

1 矿山开采及测量工作

1.1 矿山地质条件及开采现状

矿区出露地层由新到老分布有第四系、下第三系、三叠系下统大冶组、二叠系上统龙潭组、二叠系下统当冲组、栖霞组及石炭系中上统狐天群。矿区构造较简单，区域内新构造运动不强烈，石膏矿赋存于下第三系地层中与伏地层不整合接触。自上而下分6层，第2层（Ⅱ）和第3层（Ⅲ）为石膏层，其中Ⅱ石膏层为开采石膏层，厚度34.49～56.90m，平 均45.14m，其 中 可 开 采 利 用 厚 度2.99～12.47m，平均6.74m。

该矿矿体赋存于下第三系含膏岩系内，矿层直接顶、底板为砂岩、砂质泥岩。矿体产状较稳定，倾角10°～23°，矿体呈层状、似层状，岩石较完整。但顶板泥质岩石受水浸泡变软，易发生冒顶事故。由于地质构造简单、矿岩中等稳定，一般无需支护，但泥质岩石一旦受水浸泡，岩石变软易冒落掉块。

矿地形坡度不大，相对高差较小，植被不发育，地表主要为水田，地表水径流排泄条件不好。矿井上部民房较多，矿层顶板岩层为红色粉砂岩，抗风化能力弱，遇水易软化，脱水后易成粘土，开采时必需留一定厚度的硬石膏作为护顶层，防止地面开裂及地面塌陷［1－2］。

矿山采用斜井开拓，房柱法从上至下、由南向北后退式开采顺序，设计生产能力9万t/a，矿山现建有主、副两条斜井（分别称为二号井、一号井），主井井口标高为＋256.83m，落底标高＋152.95m，风井井口标高＋254.09m，落底标高＋136.21m，延伸井落底标高为＋92.43m。主、副斜井相距约300m，井筒穿过矿层，为保护主、副井，在其两侧各留20m保安矿柱。

1.2 井下及地面测量

为研究开采对地表影响，通过测量工作获得矿区井下开采平面图、矿区地表平面图及矿区井上井下对照图。其中地面测量的图根控制使用Trimble 5800GPS接收机进行GPS RTK作业，采用两个起算点数据进行坐标校正，布设地面图根控制点和近井控制点。碎部测量使用Leica TS－06 2″全站仪进行，测绘测区内地物地貌，并记录房屋类型及结构资料。

井下控制测量使用Leica TS－06 2″全站仪，从一号井井口近井点出发，布设附合全站仪三维导线至二号井井口近井点，导线全长560m，导线平面全长闭合差0.043m，相对精度为1/13 000，高程闭合差0.024m，均满足相应规范要求［3－4］。

利用井下控制测量所获图根控制点，测定一号井、二号井的各巷道、各临时封闭和永久封装的采空区，间隔均匀测定各特征点顶板、底板高程与平面位置。内业使用cass 7.0成图软件绘制成图。现场实际测量的采场现状为：

1）＋154m中段：矿房跨度一般为7～8m，最小跨度5m，最大跨度为15.8m（217号采场）。采场高度一般为7～13m，最小为4m，个别点高达19.7m（210号采场），最高达22.1m（225号采场），超过设计回采高度。综合分析采场结构实测参数和地质资料，上述两处石膏护顶层留设厚度不足。

2）＋137m中段：矿房跨度一般为8～10m，最小跨度7m，个别采场最大跨度达14m（112号采场），采场高度一般为7～9m，最小为5.5m，最高15m（107号采场）。

3）二号井东北部208采场、209采场、210采场、211采场出现部分越界，221采场略有越界。

此外，根据现场调查，目前该矿井下采空区大部分未填充或封闭，局部采场回采结束后进行了简易封闭。

2 开采对地面的影响

以矿柱支撑顶板的房柱法开采留下的采空区，其对地面民房影响主要是顶板和矿柱两个基本因素。当矿柱稳定性满足安全要求时，如果采场顶板暴露面积过大，顶板将会失稳，产生采场冒顶或整体筒状冒落，引起地表局部塌陷［5］。根据实测结果，分析安全开采深度和采空区稳定性，并对采场顶板稳定性、护顶层稳定性、矿柱稳定性进行分析。

2.1 预计安全开采深度

石膏矿体采出后，在采空区周围岩体中发生较为复杂的移动和变形，移动稳定后的顶板岩体按其破坏的程度，分为3个不同的开采影响带：冒落带（垮落带）、裂隙带和弯曲带。根据开采现状，计算其上覆岩层的导水裂隙带高度加上一定的保护层厚度，为顶板防水安全厚度［6－8］。

2.1.1 单层开采预计安全开采深度

1）冒落带高度。在矿体倾角小于岩块的自然安息角时，冒落带高度为

式中：M为开采法线厚度；α为矿体倾角；K为碎胀系数。

2）裂隙带高度。冒落带以上为裂隙带，其高度

现场实测采场高度一般为7～13m，210采场高度达19.7m，最高达22.1m（225采场）。计算相应的冒、裂带总高度如表1所示。

数据表明，由于顶板为砂岩，若不控制矿房宽度，210采场开采厚度19.7m，充分采动时顶板岩层的最大冒、裂带总厚度高度达122.5m，而开采厚度19.7m处地表为鱼塘，标高约＋250m，对应采场顶板标高＋172.1m，底板标高＋152.4m，采空区上方覆盖岩层与表土的总厚度78m，小于计算冒、裂带总厚度；225采场开采厚度22.1m，充分采动时顶板岩层的冒、裂带总厚度高度达124.3m，地表标高约＋251m，对应采场顶板标高＋173.3m，底板标高＋151.1mm，采空区上方覆盖岩层与表土的总厚度78m，小于计算冒、裂带总厚度（见表1）。上述两处一旦发生顶板冒落，易导致裂隙带连通鱼塘底部，产生严重安全隐患。

表1 计算冒、裂带总高度 m

2.1.2 多层开采预计安全开采深度

矿山存在上下两层开采的采场，当下层矿体的冒落带接触到或完全进入上层矿体范围内时，上层矿体的导水裂缝带最大高度采用本层矿体的厚度计算，下层矿体的导水裂缝带最大高度，则应采用上、下层矿体的综合开采厚度计算，取其中标高最高者为两层矿体的导水裂缝带最大高度［8］。计算上、下层矿体的综合开采厚度为

式中：M1为上层矿厚度；M2为下层矿厚度；h1－2为上、下层矿之间的法线距离；y2为下层矿的冒高与采厚之比。

由于层间的夹层厚度一般为6～10m，最大10m，最小4m。111采场与203采场对应区域，h1－2＝4m，求得MZ1－2＝17.4m。由式（2）计算裂隙带高度85m。由于采区地表标高为＋252m，其覆盖岩层与表土的总厚度为86m，小于计算的冒、裂带总厚度120.6m，一旦发生顶板冒落，将产生严重安全隐患。因此，需进行采场顶板稳定性评价。

2.2 采场顶板稳定性

房柱法开采的石膏矿山采空区，当矿柱稳定性满足安全要求，而采场顶板暴露面积过大，或者由于留设护顶矿层厚度不足或被破坏，顶板将会失稳，产生采场冒顶或整体筒状冒落，引起地表局部塌陷［9－10］。用太沙基地压理论计算采场跨度与顶板临界深度结果如表2所示。

表2 采场跨度与顶板临界深度 m

由于目前该矿已采场的跨度一般为7～10m，最大跨度为15.7m。根据前述采空区顶板覆岩厚度分析，采空区顶板距地表78m，采场顶板覆岩厚度大于其临界深度，顶板稳定性好。

用Barton极限跨度分析法结合工程地质调查与岩体质量评价对采空区（采场、巷道）的极限跨度（顶板允许宽度）计算该矿最大无支护跨度为11m。根据现场测量该矿采场跨度一般为7～10m，最大达15m。如其中二号井水平的217采场宽度为15.5m，一号井水平的109采场宽度为15.7m，超过最大无支护跨度11m，采场顶板存在局部失稳的安全隐患。

2.3 护顶层厚度

石膏上覆盖岩石一般为导水、易风化、崩落的砂岩和泥质砂岩。矿山采用留设一定厚度的石膏护顶层既能起到隔水作用，又能起支撑顶板、防止砂岩和泥质砂岩直接暴露风化后冒落的作用。根据跨越巷道的“伏萨尔梁”概念，当改变采场结构参数时，护顶层稳定性的主要影响为护顶层顶板中心位移增加及护顶层被压缩破坏。当矿山按设计开采，采场宽度为8m时，顶板留设有2m以上厚度石膏护顶层时，护顶层稳定［11－12］。

目前采场宽度一般为7～10m，当采场宽度为10m时，顶板留设2.5m以上厚度石膏护顶层时，护顶层稳定。当采场高度达14m时，该采场需留设3m以上厚度护顶层方能确保护顶层稳定。

根据现场实测，210采场高度达19.7m，225采场高度达22.1m，超过设计回采最大高度，根据采场现场实测结构参数和地质资料，矿山存在石膏护顶层厚度不足（是否满足留设3m以上厚度护顶层）的安全隐患，需对上述顶板进行探顶验证，并在今后开采过程中，严格按设计开采，严禁超高开采，并按要求留设足够的护顶层。

2.4 矿柱稳定性

矿柱不仅用于维护矿房的稳定，也用于隔离大面积空场与保护井巷、地表及建筑物的安全。从维护采场稳定性方面考虑，矿柱间距应小于极限跨度，矿柱本身横断面尺寸应满足强度要求。如果某个矿柱尺寸过小，一旦被压垮，势必造成采场实际跨度过大而导致冒顶，与此同时，覆岩压力转移到其它相邻矿柱上，也可能引起矿柱破坏，并产生连锁反应［13］。

根据该矿硬石膏单轴抗压强度实验，取石膏矿抗压强度44.21MPa，上覆岩层容重28kN/m3，目前采空区分布在＋154m、＋137m水平，地表标高为＋255m，由于留设的条形矿柱需要长期负载以保护顶板的稳定性，容许的安全系数应大于2.0，根据各开采参数下条形矿柱安全系数计算，表明目前该矿＋154m、＋137m水平留设的矿柱的稳定性满足安全要求。

3 结束语

对该矿地下开采区测量及其对地面建筑影响研究认为：2号井东北部的208、209、210、211采场出现部分越界现象；210采场高度达19.7m，225采场高度最高达22.1m，超过设计回采最大高度，存在石膏护顶层厚度不足的安全隐患，需要采取防护措施；采场跨度为7～10m的地段，采场顶板能保持稳定，即使局部冒落，也不会波及到地表。但是二号井水平的217场测量采场宽度为15.5m，一号井水平的109采场测量采场宽度为15.7m，超过了最大无支护跨度11m，采场顶板存在局部失稳的安全隐患。一旦失稳有可能波及地表，对地面民房有影响；目前该矿＋154m、＋137m水平留设的矿柱稳定性满足安全要求。为了确保地面建筑安全，同时建议进行地表移动监测。

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