巨厚覆岩下矿产重复开采地表沉陷预测及其控制

叶永芳，刘少华，吴晓辉，陈四宝，张缓缓

(江西省煤田地质局二二四地质队，江西 新余 336600)

0 引言

在采矿工程研究领域中，地表沉陷预测是十分重要的一项工作，直接关系到采动破坏预防措施的制定和实施。而巨厚覆岩下开采地表下沉具有连续性，在地表沉陷预测上面临更多的问题。江西省新余市渝水区石竹山—上高县樟木桥矿区硅灰石赋存在茅口灰岩中，上覆围岩较厚，加之，该矿区有多层硅灰石矿产，且其厚度大，开采规模大。因此，需要对该矿区矿产开采引起的地表沉陷问题进行预测分析，以提前预防，减少矿产开采对地表构建物的损害。

1 研究区矿层基本情况

研究区内硅灰石为隐伏矿体，根据钻孔实际揭露情况，矿体赋存于蒙山花岗岩岩体外接触带茅口组下段中，距岩体0.5～282.0m范围内，赋存13个矿体，分别Ⅰ～ⅩⅢ，其中Ⅳ矿体为主矿体，Ⅲ、Ⅷ为次要矿体，其他为小矿体，各矿体特征见表1。矿体形态较规则，呈似层状、透镜状产出，矿体真厚度1.00～31.16m不等，揭露矿体最低标高-609.17m，最高标高为+96.54m，矿体走向与地层走向基本一致，为85°～110°，倾向南，倾角20°～50°，各矿体形态特征纵剖面图见图1。

2 矿层开采地表沉陷的数值模拟预测分析

2.1 地质采矿条件

论文以该矿区Ⅲ矿体、Ⅳ矿体为开采研究对象，其中Ⅲ矿体赋存在96.54～-387.60m，厚度1.00～10.34m，平均厚度2.86m；Ⅳ矿体赋存在55.95～-508.75m，厚度1.56～21.87m，平均厚度10.53m，这两层矿层倾角近似水平，矿体形态均规则，厚度均稳定。上距Ⅲ矿体6.52～32.67m，平均间距14.28m；下距Ⅴ矿体4.65～26.06m，平均间距13.79m。从上图1中可以看出，Ⅲ矿体、Ⅳ矿体在矿区西部埋深较深，矿区东部埋深较浅。本次以中部8线为分析研究对象， 根据钻孔ZK801勘探揭露， Ⅲ矿体埋深181.25～185.15m，矿层真厚3.38m；Ⅳ矿体埋深206.35～226.10m，矿层真厚17.11m，上覆岩层中表土层厚2.4m，基岩真厚160.13m。

表1 各矿体特征统计表Table 1 Characteristic of each orebody

图1 石竹山—樟木桥硅灰石矿区纵剖面图Figure 1 Vertical section drawings of the wollastonite mine area in SHI Zhu-Shan—ZHANG Mu-Qiao

2.2 矿层开采地表沉陷运移模型建立

根据弹性力学中圣维南原理，设计模型尺寸200m×200m×200m，两端定义围岩边界预留20m，开挖步距设为20m，开挖8步，实际开挖160m，模拟过程中对岩层厚度进行了合理的概化，且仅考虑岩体自重下的初始应力，其数值模型见图2，模拟采用的相关参数见表2。

2.3 矿层单独开采模拟结果及分析

根据前文所建立的模型，对Ⅲ矿体、Ⅳ矿体进行单独开采模拟，开挖各步对应的走向地表动态移动曲线见下图3～图6。

表2 岩石物理力学参数Table 2 Physical and mechanical parameters of rock

图2 数值模拟模型图Figure 2 Model diagram of numerical simulation

(1)地表水平移动曲线特征。从图3、图5可以看出，单独开采Ⅲ矿体、Ⅳ矿体时，随着开采工作面的不断推进，每一步的开采过程中地表水平移动规律基本保持一致，均是先增大后减小的趋势。随着采动程度的增加，地表水平移动形态逐渐的变为关于采空区域中央呈反对称，且地表最大水平移动值逐渐增大，单独开采Ⅲ矿体时最大水平位移为10.524mm，单独开采Ⅲ矿体时最大水平位移为9.132 2mm。

(2)地表下沉曲线特征。从图4、图6可以看出，单独开采Ⅲ矿体、Ⅳ矿体时，随着开采程度的不断增加，地表下沉量逐渐增大，地表最大下沉量点位于采空区中央上方。当开采宽度较小时(≤120m)，地表下沉值变化速率较小，当开采达到一定宽度后，地表下沉速率增大，当开采宽度接近充分采动后，地表最大下沉值增加缓慢或不再增大，趋近于稳定。

图3 单独开采Ⅲ矿体时地表水平移动曲线Figure 3 Horizontal displacement curve of mining Ⅲ orebody separately

图4 单独开采Ⅲ矿体时地表下沉曲线Figure 4 Subsidence curve of mining Ⅲ orebody separately

图5 单独开采Ⅳ矿体时地表水平移动曲线Figure 5 Horizontal displacement curve of mining Ⅳ orebody separately

图6 单独开采Ⅳ矿体时地表下沉曲线Figure 6 Subsidence curve of mining Ⅳ orebody separately

图7 单独开采Ⅲ矿体、Ⅳ矿体时地表水平移动对比曲线Figure 7 Horizontal displacement correlation curve of mining Ⅲ、Ⅳ orebody separately

图8 单独开采Ⅲ矿体、Ⅳ矿体时地表下沉对比曲线Figure 8 Subsidence correlation curve of mining Ⅲ、Ⅳ orebody separately

从图7、图8可以看出，在开采条件相同时，开采同样宽度时，单独开采Ⅳ矿体时的地表下沉量和地表水平移动量均比单独开采Ⅲ矿体时要大，从这一点模拟结果表明，矿层埋深深且采厚大的情况下，矿层前期开采时，开采Ⅳ矿体对地表沉陷的影响比开采Ⅲ矿体大，而当矿层达到充分采动条件下，开采Ⅳ矿体对地表沉陷的影响比开采Ⅲ矿体要小，说明此时，采深对地表下沉起到减缓的作用。

2.4 矿层逐步开采地表沉陷运移模拟

采用上述数值模拟设计方案，在Ⅲ矿体开采后再对Ⅳ矿体进行开采模拟，开挖各步对应的地表动态移动曲线见下图9、图10。

(1)地表水平移动曲线特征。从图9可知，地表水平移动由模型左边界点至采空区中央呈先增大后减小的趋势，且该范围内地表水平位移为正方向，与开采方向一致。采空区至模型右边界点范围内地表移动是关于采空区中央上方反对称，随着采动程度的增加，地表最大水平移动值逐渐增大，最大水平位移为5.657 2mm，较单独开采时地表水平移动值较小。

(2)地表下沉曲线特征。从图10可知，随着矿层的不断开采，地表下沉先逐渐增大，后逐渐减小，随着开采范围的不断增大，地表下沉影响范围也随之不断扩大，地表下沉曲线基本上是关于采空区中央呈对称状态，根据模拟结果，地表最大下沉量随井下采出面积的增大而增大，且地表最大下沉量为141.53mm，位于模型中部100m点的位置，基本位于整体采动区的中央上方。而当开采宽度接近充分采动后，地表最大下沉速率逐渐减小。复合开采时，地表下沉量较单独开采时更大。

图9 多矿层逐步开采地表水平移动曲线Figure 9 Horizontal displacement curve of multiple mining gradually

图10 多矿层逐步开采地表下沉曲线Figure 10 Subsidence curve of multiple mining gradually

3 地表沉陷治理技术

由前文可知，因矿层的开采对地表造成极大的影响，造成地面建(构)筑物、道路、农田的损害，其中，保护和恢复耕地是地表沉陷区治理的重中之重。目前，我国主要对农业进行复垦技术，包括疏排法、就地取土法、挖深垫浅法和固体废物充填法等。另外，在沉陷区内还可以进行建筑复垦技术，生态景观复垦技术，以减少采矿沉陷区的危害，充分利用沉陷区的有益价值。

4 结论

根据数值模拟结果，矿层开采地表运移有如下几点基本特征：

(1)地表最大下沉值点始终位于采空区中央上方的位置，随最大下沉量随采动程度的增加而增大。当采动达到一定程度时，即充分采动时，地表下沉量趋于稳定。

(2)单一矿层开采时，地表水平移动形态先是关于采空区基本呈对称，随着采动程度的增加，地表水平移动形态逐渐的变为关于采空区中央呈反对称，且地表最大水平移动值逐渐增大。

(3)在矿层达到充分采动条件下，采深对地表下沉起到减缓的作用，间接说明深部开采地表沉陷具有缓慢的特点。

(4)复合矿层开采时，基本特征同单独开采一致，但地表水平移动形态直接是关于采空区中央呈反对称，地表下沉量较单独开采时大。

(5)在采矿沉陷区可以通过农田复垦技术、建筑复垦技术、生态景观复垦技术进行治理控制。