矿山地下采空区对地表塌陷影响范围研究

黄继烈，余 杰

(四川省煤田地质局141队，德阳 618000)

地下矿山开采对地表的影响主要是地面塌陷及其对生态的破坏。地下矿产资源的开采会引起上覆岩层断裂、移动，并逐渐向上扩展。在一定的采矿深度范围内，当采空区面积进一步扩大时，这种移动就将达到地表，造成地表塌陷。为保护矿山地质环境，减少矿产资源开采活动造成的矿山地质环境破坏，本文以石膏矿为例对矿山地下开采与地表塌陷的形成条件及影响进行分析。

1 地质背景

天全县乐英石膏矿位于四川西南方向，为多年地下开采的私营矿井，采用房柱式采矿，形成了大面积采空区,采空面积约13.0万m2，地表居民区及附近发现了多处地表塌陷(图1)。

区内出露地层为白垩系上统灌口组(K2g)及第四系(Q4)。灌口组岩性主要为钙质、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、粉砂岩及薄层硬石膏，第四系主要为冲积、洪积和残破积物。

区内构造简单，地层走向近南北向，倾向东，倾角13°～19°，总体表现为一向东倾的单斜构造。地形坡度为5°～35°，平均25°，多呈顺向坡产出。区内隔水层为石膏矿层围岩，其岩性为泥岩。地表水和地下水的补给来源主要为大气降水，地表水径流量小且多在隔水层之上，地形条件较好，有利于地表水自然排泄。

区内石膏呈层状产出，其产出状态与地层基本一致。矿层长320m，倾向延伸230m，矿层厚2.72～5.51m，平均3.2m。石膏矿层顶、底围岩皆为白垩系上统灌口组的棕红色泥岩、含膏质泥岩、含硝泥岩。

2 岩组工程地质特征

区内岩层及地表塌陷的形成受岩石自身物理、力学性能、不规范采矿等许多因素的影响，而岩体及岩石的物理、 力学性质，则是其主要影响因素之一。

按岩石的物理、力学性质分类，区内工程地质岩组共分为松散岩组、较软弱-软弱岩组两类。

2.1 松散岩组

2.2 较软弱-软弱岩组

泥质岩：红褐-灰褐色，岩质较软，中-厚层状，泥质胶结，表层岩体一般风化强烈，岩体破碎，多呈碎块状结构，浅表层岩体完整性较差，抗压强度较低，在2.36～7.94 MPa。在风化作用、岩体自重、人工开挖等因素的影响和作用下，易发生顺层滑坡、崩塌等地质灾害。区内岩石物理力学试验测试见表1。

3 地面塌陷的危害性

该区域地面塌陷的危害性主要表现在以下三个方面：

首先，矿山采空区地表均为耕地及林地，而矿山塌陷区大部分发育于采空区以西浅部采矿地段，塌陷坑以椭圆状为主，长轴一般4～8m，短轴3～6m，总体呈南北向带状展布。地面塌陷破坏了当地表土层及地下岩土体的完整性，从而破坏了地面的耕地及林地，影响生态环境和农业生产(图2)。

其次,由于地表塌陷还伴随地面不均匀沉降和开裂，建筑物、水体受到采空塌陷影响，不能安全正常使用。特别是在采空区西部塌陷坑附近， 由于地表下沉，部分居民住房出现不同程度的破坏，主要表现为，地面出现南北向下沉拉裂缝，最长处达12m，最宽处0.11m；部分墙体向塌陷坑方向倾斜，墙体开裂，院坝围墙破坏、倒塌等。随着时间推移，矿山西部地面建筑物在地表变形超过临界允许值后，将进一步遭到破坏，甚至损毁，给村民的安全生产带来一定的隐患(图3)。同时，受采矿影响，地表水位下降，部分地表水渗入井下，使矿井不能安全生产。

表1 岩石物理力学试验结果

图2 地表塌陷坑Figure 2 Surface subsidence sink

图3 民房墙体下沉拉裂缝Figure 3 Civilian house wall sinking tensile cracks

再次，在塌陷区周边可能诱发小型的崩塌及滑坡，威胁到区内的农田及当地道路等基础设施安全。在矿山西南部已出现有乡村公路随地表滑移而变形，局部已向塌陷方向位移、凸出的现象。

4 采空区塌陷影响分析

研究区地形坡度一般为25°，含石膏矿一层，矿层形态简单、稳定，呈顺向坡产出，倾角平均12°。采用平硐加暗斜井开拓，矿层开采厚度累计3.2m，采矿深度在50～70m，浅部矿层露头附近距地表最近为5m。矿层的开采，使上覆岩层受力失衡，应力释放，导致顶板岩层垮塌，波及地表，局部形成塌陷坑。根据“三下采煤新技术应用与煤柱留设及压煤开采规程实用手册”、“三带”计算，评价、分析采矿活动对地表房屋的影响程度。

4.1 根据矿山开采沉陷落学，采用下列公式计算冒落带、导水裂隙带高度

计算公式：

Hc=(1～2)M

(1)

(2)

式中：Hc——冒落带最大高度，根据地表情况分析，系数采用2；

Ht——导水裂隙带最大高度，m；

M——矿脉累计采厚，取3.2m；

n——矿脉数，取1。

计算结果：Hc= 6.4m，Ht=36.47m。根据该计算结果,对区内塌陷坑的分布与矿层埋藏深度进行分析，发现本区西部矿层埋藏深度较小，局部地段采空区上覆岩层厚度小于导水裂隙带最大高度，是导致地表变形、塌陷的原因之一。

4.2 采空区距地表安全深度计算

由于地表变形程度(倾斜、曲率和水平变形)最大值是影响地表建筑的主要因素，随着开采深度的增加，地表变形值逐渐减小。因此，开采达到一定深度后，开采引起的地表最大变形值将小于建筑物最大允许变形值，这种开采深度称为安全深度。在安全深度条件下进行采矿时，地表变形对建筑物将不产生破坏影响，移动角也不存在了。根据倾斜最大允许值，计算区内了的采空区安全深度。由于最大倾斜值与石膏矿层开采厚度、开采深度有关，且随着开采厚度的增加而增大，随着开采深度的增加而减小。根据“三下采煤新技术应用与煤柱留设及压煤开采规程实用手册”，地表最大倾斜值及安全深度按下式计算：

最大倾斜值：i=CM/H

(3)

安全深度：H=CM/i

(4)

式中：i——最大倾斜值，根据规范取i=3mm/m；

C——最大倾斜经验参考变形系数，取100mm/m,即0.1；

M——石膏矿层开采厚度，取3.2m；

H——石膏矿层开采深度，m。

按上述最大允许变形值可以算出安全深度的最小值，计算结果为107m。而该石膏矿产状平缓，矿层倾角22°左右，矿层埋藏深度在50～70m，小于安全深度最小值。因此，不按设计要求留设保护矿柱，会导致地表遭受破坏。

4.3 地表影响范围的预测

本次调查研究对井下采空区进行了实测，按“三下”压煤开采规程、结合相区域岩石移动角确定采空区对地表的影响范围。由于区内第四系厚度小，仅在沟谷及低洼地段出露，因此区内仅通过基岩移动角分析地表影响范围。区内矿层露头附近浅部采矿距地表最近的采空区为5m，深部采空区距地表约70m。采用公式：

L=h/tgβ

式中：L——地表影响范围，m；

β——岩石移动角，本区取60°；

h——采空区边界处的深度，分别取5、70m。

计算结果：当采空区边界处的深度为70m时，地表影响范围l=40.4m；采空区边界处的深度为5m时，地表影响范围l=2.9m。

按照上述计算结果，结合区内矿层的空间产出形态及上覆围岩厚度分布情况。在采空区西部采矿深度较小，地表建筑物较多，井下采矿时与地表建筑物水平距离必须大于相应的影响范围值(图4)。

5 采空区地面塌陷成因分析

根据研究区地层岩性、采空区房、柱设置、顶板支护及采空区上覆岩层厚度分布情况，按照前述冒落带、导水裂隙带计算高度、采矿最小安全深度计算结果，结合地表塌陷的分布情况，本区塌陷成因主要表现为以下4个方面：

1)顶板软质岩。区内石膏矿层直接顶板有软质泥岩层，厚度3～5m，老顶为泥质粉砂岩及粉砂岩，力学性能差，极不稳定，矿层采掘后顶板产生裂隙及大面积冒顶、片帮等，是地表塌陷的原因之一。

图4 采空区地表影响范围Figure 4 Gob area surface impacting range

2)采空区房、柱设置。采空区房、柱设置不规则、不科学，采空区跨度大，矿柱规格小，甚至不按要求留设矿柱，矿柱承受不了围岩压力产生变形，在上覆岩层较薄处或受构造影响带易于产生顶板下沉、地表塌陷。

3)矿层开采埋深较小：浅部开采过程中，由于巷道距离地表近。矿层埋深50～70m，均未超过安全深度最小值(107m)，特别在采空区西部局部地段采矿深度仅达到5m，甚至未超过本区冒落带高度(6.4m)。上覆岩层薄，近地表处为第四系残坡积层，结构松散，力学性能极差，上覆岩层承受不了自身重力而垮塌。垮塌后产生的第四系松散层，松散层的内聚力不能承受上覆岩层的重力时就产生地表塌陷(图5)。

图5 采矿塌陷剖面示意Figure 5 A schematic section of mining subsidence

4)人为因素。是矿山开采过程中缺乏的顶、底板管理措施——未进行采空区回填，局部顶板支护不符合要求，造成地面塌陷。

综上所述，本区采矿深度小、采空区房、柱留设不规范，导致采空区上覆岩层结构失稳、产生采动裂缝，使矿层顶板垮落，是形成地表下沉、塌陷的主要原因。通过前述对本区冒落带最大高度、导水裂隙带最大高度的计算，地表影响范围、采空区距地表安全深度计算分析，本矿在生产过程中必须按要求留设好保护矿柱，按设计要求采矿，才能有效减轻采空区对地表的破坏。

6 结论

通过对区内综合分析，采空区地面塌陷形成主要原因为采空区房、柱设置不规则，采空区跨度大，矿山开采过程中缺乏相应的顶板管理措施。同时在开采深度未达到采空区距地表安全深度，是区内地表塌陷的主要因素。

根据冒落带、导水裂隙带影响高度、采空区距地表安全深度的计算、地表影响范围的预测等分析，确定区内采空区对周围及其上部的构筑物有一定影响。对于采空区到地表高度大于107m时，为采空区距地表安全深度。

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