某金属矿山采空区安全评估方法探索与应用

于文龙，赵旭阳

（中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津300222）

近些年来，由于矿产资源的过度开采，在很多地区留下了大量没有处理的采空区， 一定程度上给矿山安全生产留下隐患， 而采空区引起的覆岩塌陷及地表移动往往给附近居民造成灾难性后果， 严重危险人民的生命财产安全。

2018年迁西县汉儿庄乡某山体突然塌陷形成巨大塌坑， 塌坑边缘距水工建筑物最近水平距离21.80m，塌坑成椭圆形，轴向尺寸为83.60m×51.40m，边缘高程235～265m，靠副坝侧较低，塌坑边缘山体表面2～5m有不规则裂缝，时有松土、块石跌落，处于不稳定状态。

1 开采概况及影响分析

矿区所处大地构造体系为阴山东西向复杂构造带与新华夏系交接地带， 具有四个比较明显的构造带，即东西向构造带、北东向构造带、北北东向构造带和扭动构造带。 矿区内地层呈单斜构造。 构造简单，偶见小揉皱，对矿体无破坏现象。 该矿区出露的地层主要为太古界迁西群变质岩及第四系覆盖层。矿区地下水主要由第四系孔隙潜水层和基岩风化裂隙含水层及构造裂隙含水层组成。

该铁矿矿区内共有四条矿体，分别是I，II，III，Ml号矿体。矿体赋存太古界迁西群三屯营组片麻岩中，呈层状，矿体产状基本与围岩一致，属太古界海相沉积生成后来经区域变质作用， 使矿石发生明显的变质观象，为沉积变质铁矿，属鞍山式铁矿。 矿体总体走向近东西向，倾向北，倾角70°～80°。

1.1 “三带理论”

矿体被开采后，会引起围岩的原始应力变化，当围岩能够承受的应力超过其极限强度时， 就会发生位移、开裂、断裂直至破碎冒落。 岩层按自身破坏程度的大小，通常可以划分为三带：垮落带、裂隙带、弯曲带［1］（如图1）。

图1 采空区覆岩影响带分布示意图

1.1.1 垮落带

又称冒落带，矿体被开采后，采空区顶板覆岩发生离层、断裂、垮落入空腔内部的岩层移动区域。 垮落带的形成主要是由于采空区覆岩在自重作用下发生法向弯曲， 当弯曲程度导致岩层拉应力超过抗拉强度时，采空区覆岩发生破坏，岩体石块剥离滚落，堆积在采空区空腔内。

1.1.2 裂隙带

又称断裂带，裂隙带位于垮落带之上，这部分岩层会产生断裂和裂缝，但仍保持原来层状，随着采空区范围的逐渐扩大，裂隙带会因不能承受上覆岩体自重而发生大断裂，失去承载力，从而向上发展到地表。同时，裂隙带具有一定导水性，若裂隙带周边恰好有地下水存在，那么采空区工作面的渗漏量会很大。

1.1.3 弯曲带

弯曲带整体移动带， 是指裂隙带顶部至地表岩层的统称。竖直范围内，弯曲带上部一般为软弱岩层和表土层，可能出现少数离层，弯曲带各点的下沉变形值相差不大。

矿体被采出，两帮岩层切落冒顶，采空区上覆岩层由于应力得到释放，“三带”会在竖直方向下沉，引起地表移动变形。

矿区内地表为丘陵地带，但高差不大，现取地表平均高程为250m。 矿体厚度取平均厚度3.1m。

冒裂带高度公式如式（1）：

垮落带公式如式（2）：

式中 M为采厚（m）；h为开采阶段垂高；Hm为垮落带；Hli为冒裂带。

依据《建筑物、水体、铁路及主要井巷岩柱留设与压煤开采规程》（2017版） 计算垮落带及冒裂带成果如表1。

表1 计算成果单位：m

根据表1计算成果分析，冒裂带高度不会与上部强风化岩体发生联系。鉴于铁矿开采方式、开采面积与煤矿有较大区别，采用《建筑物、水体、铁路及主要井巷岩柱留设与压煤开采规程》（2017版） 经验公式计算冒裂带高度是保守且安全的。 “三带理论”方法在在我国应用范围较广，具有丰富的工程经验，但该经验公式也存在一定不足， 公式只考虑了采空埋置深度与开采厚度， 没有考虑围岩物理力学性质及风化程度和不利节理裂隙对围岩稳定的影响， 可定性评价采空区上部冒裂带与地表的联通情况。

1.2 岩石移动带理论

金属矿山的沉陷具有不连续性，且金属矿山的塌陷具有突发性，所以金属矿山的塌陷预测往往难以把握。 影响采空区围岩移动的主要因素为岩石性质、矿体倾角、开采深度、采空区规模等［2］。 在这种背景情况下，工程类比法不失是一种较为切实可行的方法。

岩石移动角的大小与许多因素有关， 主要是岩石性质、地质构造、矿体厚度、矿体倾角、开采深度、采矿方法等。一般是应用类比法，参照类似条件下矿山的实际资料及矿山设计报告选用的参数， 并综合考虑本矿的具体条件选用结合该铁矿实际地质情况、围岩强度、矿体埋藏深度和开采工艺对其地表移动规律进行研究。 综合考虑以上报告及矿山实测资料，确定地表移动参数如下：岩石移动角为上盘65°，下盘70°，端部按70°，第四系沉积层移动角45°。

通过移动角绘制铁矿全部开采情况下， 地表沉降影响范围， 剖面采用该金属矿山设计报告附图资料，采空区地表沉陷范围如图2。

图2 计算采空区地表沉陷范围

岩石移动带理论是目前被行业认可且在金属矿山设计中被广泛采用的方法，该方法应用普遍，具有较多的工程经验， 同时通过该方法可清晰直观地计算出岩石沉降范围线，绘制于平面图之上直观明了，但移动角和边界角测量需要较长工作周期。

1.3 数值模拟方法

有限元模拟范围的确定基于圣维南原理。 计算模型的几何尺寸大致为矿区开挖体最大尺寸的3～5倍。 根据该铁矿储量核实报告、开发利用方案、潘家口水库相关资料及现场勘察成果， 初步了解该铁矿采区范围的地层、矿脉分布等地质情况及巷道分布，结合目前开采情况、采区范围、库区和副坝，以采矿区北部边界延伸至库区， 建立包括整个采矿区范围及采深在内的数值计算模型。 模型东西长1200m，南北宽500m，以-100m高程为模型底板。 各主采矿脉及间距、巷道进行了一定程度的概化，考虑采区地质构造条件，走马哨断层经过采区，在脖子梁附近破碎带宽度不超过5～7m，以5m宽度建立断层概化模型。 概化数值模型如图3。

图3 数值模拟工程地质模型示意图

考虑计算机模拟速度及模拟结果的精确性，因此在矿脉及采空区位置处的网格划分应适当加密，而待开采矿脉部分则相应变稀。 在此基础上生成有限差分网格，其中开挖部分采用空单元模拟。模型中共划分了2139928个单元，394438个节点，如图4。

图4 有限差分网格划分示意图

结合岩石试验、岩体力学计算分析、塌陷坑反演分析及岩体质量分类分析等， 提出有关岩体物理力学参数建议值如表2。

表2 铁矿采空区基本物理力学参数

根据上述采空区的模型建立以及计算参数的选择， 计算成果中采空区剖面竖直位移云图如图5，竖直位移云图如图6，水平（Y方向）位移云图如图7。

图5 V剖面竖直位移云图

图6 竖直位移云图

图7 水平（Y方向）位移云图

开采后沉降变形区范围及变形量明显增大，地表形成的沉降区范围大于采空区范围， 沉降边缘区地表位移显现水平位移和垂向位移复合特征， 以水平拉张变形为主，变形区域边缘已逐渐延伸至库区，在长期变形条件下， 可能导致地表及岩体内部出现一定程度的裂缝，会促进库区水体向采空区渗流。

通过移动角计算方法和数值模拟法分别得到了铁矿开采引发的地表移动范围，由已计算结果可知，对比10mm沉降范围，在现状条件下，两种方法所得沉降中心基本一致，数值模拟沉降范围略大。

2 结语

结合某金属矿山采空区工程实例，分析上覆岩层移动对地表建筑物的影响评价方法， 初步得出利用“三带理论” 可定性评价采空区的变形破坏是否会发展到地表，利用岩石移动带评价方法，能定性分析采空区在地表的沉陷范围，但不能确定对地表建筑物所处位置的沉降量大小，只能初步判断是否会对建筑物产生影响，采用数值模拟结合以上两种方法可科学有效地对采空区地表影响范围进行定性、定量评价。 但目前金属矿山采空区地表沉陷范围及对地表建筑物影响评价方法尚不完善，还有待进一步研究。