地下开采矿山采空区地表变形影响的预测及评估

李明玉

(广西壮族自治区桂林水文工程地质勘察院，桂林 541002)

目前，我国处于一个经济高速增长的时代，而在资源开发过程中出现了地质环境破坏、环境污染等诸多问题，尤其是矿山开采，若不对开采过程中造成的地质环境破坏及时恢复治理，那必将导致我们生存的美丽家园变得千疮百孔。为了加强对矿山地质环境的保护管理，减少矿产资源勘查开采活动造成的矿山地质环境破坏，保护人民生命和财产安全，促进矿产资源的合理开发利用和经济社会、资源环境的协调发展，国土资源部第44号令《矿山地质环境保护规定》第三十六条“本规定实施前已建和在建矿山，采矿权人应当依照本规定编制矿山地质环境保护与恢复治理方案，报原采矿许可证审批机关批准，并缴存矿山地质环境恢复治理保证金”。而在前期矿山地质环境恢复治理报告的编制中，地下开采矿山的采空区影响范围内的地表移动及变形的计算及评估是其中的一项重要工作。广西资源县钨矿便是一典型的地下开采矿山，虽然地表破坏面积不大，却在开采过程中形成的采空区对地表的地质环境构成了较大的威胁。因此，对具有代表性的地下采空区进行计算和评价，便成为了该报告编制的一项重要内容。

1 矿区代表性矿床及其特征

A1-1号矿体：矿体走向长度360 m，出露地表长70 m，出露标高669.71～690.50 m。中部矿体延深172 m，北部延深115 m，南部延深30 m。深部控制最低标高599.28 m，最大垂深115 m。矿体倾向南西235°～250°，倾角较陡，一般48°～65°，深部倾角变缓至12°～46°。矿体厚度一般1.08～3.91 m，最厚8.07 m，平均2.329 m。矿石类型以钨石英角岩为主，局部为含钨蚀变泥质粉砂岩，沿走向至两端逐渐过渡为含白钨矿石英角岩，目前该矿体大部地段已采空，仅中部部分矿体尚未开采。

A2-1号矿体：矿体走向最大长度510 m，分两段出露于地表：北西段露头长160 m，出露标高638.59～579.32 m；中部露头长200 m，出露标高679.71～721.07 m。经坑道证实，矿体在深部即连为一体。矿体中部延深大两端小，中部延深115～150 m，两端延深62～70 m，深部矿体控制最低标高363.44 m，最大垂深80 m。矿体倾向南西226°～258°，仅在南东局部地段变为261°～278°，倾角由地表至深部由陡变缓，地表倾角25°～70°，深部20°～29°。矿体厚度0.49～6.07 m，平均厚度3.99 m，目前深部尚剩余边缘残矿。

A1-1、A2-1矿体分布位置关系如图1、图2所示。

图1 A1-1、A2-1矿体分布位置关系示意图

2 矿山主要岩体工程地质类型与特征

薄-厚层状较坚硬板岩、砂岩夹较软泥质砂岩、砂质泥岩、页岩岩组：由泥盆系中统信都组(D2x)、寒武系边溪组(∈b)和清溪组(∈q)组成。岩性为砂岩、炭质板岩、泥质砂岩、砂质泥岩、页岩等。砂岩、炭质板岩为较硬岩，薄-厚层状，浅部中等风化，岩石完整性较好，强度较高，其抗压强度为30～45 MPa；泥质砂岩、砂质泥岩均属较软岩，强度较低，其抗压强度为15～25MPa；页岩为软岩，薄层状，抗风化能力差，风化强烈，浅部出露均为强风化状，强度8～15 MPa。本岩组为硬软相间的岩石组合，浅部岩石风化强烈岩石破碎或呈碎石土状，层理隐约可见，风化厚度较大，为5～10 m，风化层结构松散，经地表水下渗及地下水浸润后易发生软化、崩解而形成地质灾害。

块状坚硬花岗岩岩组：为加里东期花岗岩(γ3)中粒黑云母花岗岩，呈岩基产出。该岩组风化厚度约35～40 m，浅部出露均为全风化砂质土及强风化状，其中全风化砂质土厚约4～6 m，较为松散，强风化层裂隙发育，局部岩体形成孤石与土混合，力学强度较低。

图2 A1-1、A2-1矿体分布位置关系示意图

3 典型矿体采空区地面沉陷地质灾害的计算和评价

地下矿体被采空后，地表可能下沉变形，因此，需要对矿体进行地表移动与变形值预计。地表移动与变形值的预计及参数求取方法参考广西地方标准《广西壮族自治区建设项目地质灾害危险性评估规程》(DB45/T382-2006)附录G 矿山地表移动与变形值的预计及参数求取方法中介绍的方法进行计算。

据矿山设计地下开采情况、可能形成的采空区的分布特征及规模，对矿山所设计开采的矿体进行地表移动与变形值预计。根据矿山以往资料及开采设计，将各矿体不同开采中段、开采矿房参数进行计算。采用《建设项目地质灾害危险性评估规程》(广西壮族自治区地方标准DB45/T382-2006)附录G中的相关公式，将各参数代入公式对本矿山采空区地表移动与变形值进行计算如下：

(1)

(2)

下沉系数：q=0.5×(0.9+P)

(3)

主角影响角正切：

tanβ=(D-0.003 2H)(1-0.003 8α)

(4)

(5)

水平移动系数：b=0.3×(1+0.008 6α)

(6)

最大下沉值(mm/m)：

(7)

(8)

(9)

最大水平移动值(mm):εcm=b·wcm

(10)

最大水平变形值(mm/m):

(11)

按上述公式及计算方法，计算得各矿体各中段采空区地表移动与变形值计算结果见表1、表2。

4 矿山地表移动与变形值计算计算成果评述

按《土地复垦方案编制实务》(2011年7月)沉陷土地破坏程度分级参考标准中林地破坏程度分级标准见表3。

参照表3，从本矿山开采地面变形参数计算结果表可知：

A1-1号矿体：+600 m中段各计算值对应为轻度；+612 m中段最大水平变形值达中度，其余计算值对应轻度；+645 m中段最大倾斜值及水平变形值达中度，其余计算值对应轻度。

表1 A1-1号矿体采空区地面沉陷地质灾害危险性预测计算结果

表2 A2-1号矿体采空区地面沉陷地质灾害危险性预测计算结果

表3 林地、草地破坏程度分级标准

注：附加倾斜指受采矿沉陷影响而增加的倾斜(坡度)；任何一项指标达到相应标准即认为土地破坏达到该破坏等级。

A2-1号矿体：+630 m、+645 m中段最大倾斜值及水平变形值均达中度，其余计算值对应轻度。

据上述计算结果，预测评估矿山采矿过程引发采空区地面沉陷的可能性大，山顶附近无永久建筑物，下沉值不大，均为轻度，主要对植被、地形地貌造成影响，局部形成高度不大的坡坎，如防治不及时也可能由于地面局部下沉变形引发小规模滑坡、地面裂缝。总体上对周边环境危害程度小，危险性中等。

由于地面沉陷区位于山体斜坡地段，变形主要以水平移动为主，下沉值不大，总体上对地表植被及土地资源破坏影响不大，不会影响土壤结构及性质，对现有植被破坏不大，故地下采空地面沉陷区不列为土地资源破坏区。沉陷区范围内只需要填补裂缝、局部边坎适当调整地形坡度。

5 结语

“金山银山不如绿水青山”，环境保护、环境治理已上升到了国策的高度。矿山开采本是国民经济发展的重要支撑环节，不可或缺。因此，将矿山开采和矿山地质环境恢复治理有机地统一起来，这个便是今后矿山企业工作的一个新常态。要做好矿山地质环境恢复治理工作，矿山开采前期评估是重要的一环。对于地下开采的矿山，地表破坏面积相对露天开采的矿山小了很多，但由于地下采空区的存在，采空区影响范围内的地表移动及变形成为了评估工作的一个重点。本文所述矿山便是一典型的地下开采矿山，而采空区影响范围内分布有农田耕地及散落民居，地下采空区的影响评价显得尤为重要，该矿山采空区影响范围内的地表移动变形的计算及评估为具有一定的代表性，对相似矿山地质环境恢复治理的评估工作具有一定的借鉴意义。