甘肃青羊峡铅锌矿采空区稳定性研究

刘天柱，逯 娟，侯 娜

（1.中国建筑材料工业地质勘查中心甘肃总队，甘肃 天水 741000；2.兰州资源环境职业技术学院地质与珠宝学院，甘肃 兰州 730001）

1 交通与位置

青羊峡铅锌矿位于甘肃省西和县距城南20Km。地理坐标为：东经105°19′00″～105°22′00″，北纬33°51′00″～33°53′00″，行政区划隶属于西和县十里乡管辖。矿区位于西和县城东南约20Km，有乡级公路连通，新建十天高速公路从西和县城西侧通过，交通条件大大改善。矿区距陇海铁路天水车站约121km，有国家三级公路相连，交通便利。

2 地质特征

页水河矿床东起页水河西至滴水沟，东西长约5km，呈北西西向展布。矿体密集地段在本矿区范围东段。矿区内出露地层主要为中泥盆统红岭山组(Dhl)和部分上泥盆双狼沟组（Dsl）的一套以碳酸盐为主夹千枚岩、板岩地层沟谷中见第四系冲积物。矿区中褶皱构造十分发育，处于页水河向斜与页水河南野鸡沟背斜之间的次级复式褶皱。

3 采矿区调查研究

3.1 矿区的矿产资源赋存情况

青羊峡铅锌矿采矿权东西长1680m、南北宽约400m，共探明大小矿体30 多个，其中以1、4、12 号矿体规模较大，其余矿体多为单工程或单剖面见矿的小矿体，以红岭山组第四岩段（DhL4）为界，其下为12 号矿体，其上为1 号、4 号矿体。矿区以16 线（南家沟）为界分为东、西两段，矿体互不相连，但含矿层位相对应，1、4 号矿体实际为同一矿体，在西矿段称为1 号矿体，东矿段为4 号矿体，根据资源储量核实报告，目前1 号矿体及西矿段矿体已采完，东矿段1669m水平以上的4、12 号矿体也多已采空，主要保有资源量多位于1669m 水平以下[1]。

3.2 采场洞口废渣的分布状况

根据现场调查和实地测量，青羊峡铅锌矿在以往开采过程中共形成了4 处较大的矿石及弃碴堆场，堆场集中分布在16 线附近南沟沟谷中，部分堆场由于形成时间长渐呈现较稳固态，绝大多数均为随意沿沟堆放，形成较陡峭的坡体坡角。

3.3 采空区的范围及分布形态

3.3.1 采空区平面分布范围

区内采空区已采矿体以12 号矿体为主，该矿体在矿区西段呈向斜形态出现，向斜在15 线较为宽缓，南翼矿体向北，倾角交陡，多在70°左右，北翼倾向南，倾角缓，仅25°～28°，标高在1740m 左右，而在0 线向斜紧闭，向斜南翼倾向北，倾角70°～75°，向斜北翼似向南倾角80°以上，有时甚至倾向北，倾角70°～75°，形成倒转向斜。

从总体分布来看，西和青羊矿业有限责任公司上报的50 处矿房分布于23-80 线之间，根据区内矿体分布及矿山开采情况，将采空区分布以南沟（16 线）分为东坡、西坡两个采区。其中西坡采空区主要分布在23-0 线1780m～1685m 标高之间，长约346m，宽约5m～91m，面积约0.0175km2；东坡采空区主要分布在24-80 线1736m～1570m 标高之间，长约725m，宽约9m～85m，面积约0.0340km2。

3.3.2 采空区剖面形态特征

从立面图分布来看，青羊峡矿山采空区分布可以划分为东西两处采空区来进行说明。

西采区采空区平面分布范围主要在23-0 线，开采中段主要有1780、1740、1700、1685 中段，根据各采矿中段采空区分布情况来看：1780m 中段以上形成矿房有5 个，编号为1780C01-1780C05，形成时间为1996年；1740m～1780m 中段之间形成的矿房有4 个，编号为1740C01-1740C04，形成时间为1995 年；1700m～1740m中段之间形成的矿房有4 个，编号为1700C01-1700C04，形成时间为1995 年；1685m～1700m 中段之间形成的矿房有2 个，编号1685C01、1685C02，形成时间为1996 年。

东采区采空区平面分布范围主要在24-80 线，开采中段主要有1710、1669、1643、1610、1570 中段，根据各采矿中段采空区的矿房分布情况来看：1735m～1710m 标高之间形成的矿房有6 个，编号为1710C01-1710C06，形成时间为2003 年；1710m～1669m 标高之间形成的矿房有14 个，编号1669C01-1669C14，形成之间2002-2010 年，该中段矿房较密集，连贯性较好，连续长度在350m 左右；1669m～1643m 标高之间形成的矿房有5个，编号为1643C01-1643C05，形成时间2003-2010年；1643m～1610m 标高之间形成的矿房有6 个，编号为1610C01-1610CO6，形 成 时 间 为2009-2010 年；1610m～1570m 标高之间形成矿房有4 个，分布比较集中，各矿房连续贯通较好，编号为1570C01-1570C04，形成时间为2007-2008 年。

4 采空区稳定性评价

4.1 定性评价

本次采空区调查，在考虑西和青羊矿业有限责任公司青羊峡铅锌矿矿区登记范围、采矿影响范围及选矿厂、尾矿库的分布和影响，确定评估区范围1.176km2。

本次调查在评估区范围内企业上报的50 个矿房，调查未发现地表塌陷区。根据西和青羊矿业有限责任公司上报采空区情况，将上报矿房进行投影，采空区地表投影分为2 处，均呈东西向条带状分布，其中西坡采空区主要分布在23-0 线1780-1685m 标高之间，长约346m，宽约5m～91m，面积约0.0175km2；东坡采空区主要分布在24-80 线1736m～1570m 标高之间，长约725m，宽约9m～85m，面积约0.0340km2。东西长约343m～725m，南北宽18m～93m，圈定采空区地表投影面积约为0.052km2。

根据青羊峡铅锌矿提供的资料，该矿区上报的采空区平均采深为166m，计算得出T=415d，采空区终采时间均在5年以上，按终采时间确定采空区场地稳定性等级判定这2 处采空区均为稳定。

此次采空区地表调查发现，采空区地表连续变形，且多数处于地表移动盆地中间区，地面有倾斜，按变形特征确定采空区场地稳定性等级判定这2 处采空区均为基本稳定。

根据“就高不就低”的原则，对于采空区的定性评价判定均为基本稳定[2，3]。

4.2 定量评价（类比）

根据西和青羊矿业公司青羊峡铅锌矿矿体呈陡倾斜产出，厚度薄，矿体及上盘围岩较稳固、下盘围岩稳固性稍差以及地表允许陷落等特点，矿山开采使用空场型采矿法中的浅孔留矿法，开采顺序为自下而上分层回采矿房，使用浅孔崩落矿石方法回收。

青羊峡铅锌矿采矿权东西长1680m、南北宽约400m 的范围内，共探明有大小矿体30 多个，其中以1、4、12 号矿体规模较大，其余矿体多为单工程或单剖面见矿的小矿体，以红岭山组第四岩段（DhL4）为界，其下为12 号矿体，其上为1 号、4 号矿体。矿区以16 线（南家沟）为界分为东、西两段，矿体互不相连，但含矿层位相互对应。

12 号主矿体在西矿段呈不连续的串珠状、囊状产出；矿体倾向北，倾角65-80°；矿体控制长765m，厚0.61m～6.13m，平均3.10m，厚度变化系数仅34.4%，属于厚度变化均匀类型。

1 号矿体位于西矿段，矿体多呈向斜形态分支出现，分 别 成 为1-1、1-2、1-3、13、14、15、16、17、18 等 矿体。向斜在15 线较为宽缓，南翼矿体倾向北，倾角较陡，多在70°左右。北翼倾向南，倾角缓，仅25°～28°，赋存标高在1740m 左右。在0 线向斜紧闭，南翼倾向北，倾角70°～75°，北翼似向南倾，倾角80°以上，有时甚至倾向北，形成倒转向斜。向斜轴倾向南，倾角陡，向斜向东倾伏。

4 号矿体赋存于东矿段，为隐伏矿体，属向斜之南翼，相对稳定，仅在浅部出现有分叉现象，矿体走向长达650m。

依据矿体分布特征及上下盘围岩的力学性质和采用的采矿方法，拟定岩体的陷落角和移动角分别为：

上盘：陷落角70°、移动角65°；

下盘：陷落角70°、移动角65°；

两翼：陷落角75°、移动角70°。

根据矿体特征及采空区分布特征，由公式

Wmax=m·q·cosα 计算地面塌陷最大下沉值。

Q——充分采动下的下沉系数；本次计算取0.85；

m——矿层法线厚度（m）；本次计算取4m；

α——矿层倾角；本次计算取65°。

Wmax——最大下沉值（mm）；

根据上述公式Wmax=4000×0.85×cos65°，计算得出青羊峡铅锌矿的最大下沉值为1437mm。

4.2.1 引发地面塌陷移动盆地范围预测

根据移动盆地地面影响区半径预测计算公式：

r=H/tanΒ；

H——矿体开采深度；

Β——开采移动角，根据青羊峡铅锌矿所处的区域以及岩性，下盘移动角β=65°；上盘移动角γ=65°；

根据各采空区分布状况，分别计算出各点上盘、下盘影响半径，以计算点为圆心，r 为半径作圆，通过连接各圆外围切点圈定出地面塌陷移动盆地范围。依述计算结果，预测地面沉陷范围是在井田受采动的影响范围向外扩大26.1m～111.9m 左右，圈定的两处地表陷落范围南北宽约80m～230m，东西长约435m～820m，面积约为0.21km2。

4.2.2 引发地面塌陷地表最大变形值预测

最大倾斜值：

i0=Wmax/r=1437/26.1=55.06mm/m；

最大曲率值：

K0=1.52Wmax/r2=1.52×1437/26.12=3.21mm/m2；

最大水平移动值：

U0=b·Wmax=0.4×1437=574.8mm；

最大水平变形值：

ε0=1.52·b·i0=1.52×0.4×55.06=33.48mm/m；

（注：b——水平移动系数，一般取0.3～0.4，本次计算取0.4）。

根据《煤矿采空区岩土工程勘察规范》（GB51044-2014）中12.2.4 条的规定，按地表移动变形确定场地稳定性等级判定青羊峡铅锌矿上报的2 处采空区均为不稳定状态。

根据“就高不就低”的原则，结合定性评价和定量评价结论，对青羊峡铅锌矿上报的2 处采空区的稳定性进行综合判定，判定该2 处采空区均为不稳定状态。

4.3 稳定性分区

本次采空区影响范围稳定性分区，按“就高不就低”的原则，将矿山采空区影响范围划分为矿山采空区影响范围不稳定区、基本稳定区和稳定区。

4.3.1 矿山采空区影响范围不稳定区

不稳定区主要为地表移动盆地影响范围，根据上、下盘移动半径作圆，然后连接各圆切点圈定地表移动盆地范围。最终圈定两处采空区影响范围不稳定区范围分别为以下两点。

西坡采空区影响范围不稳定区西起23 线、东至7 线，范围起止坐标东经105°20′04″～105°20′22″，北纬33°51′42″～33°51′49″；东西长约435m，南北宽约95m～195m，面积约为0.065km2。

东坡采空区影响范围不稳定区西起32 线、东至80 线，范围起止坐标东经105°20′29″～105°21′01″，北纬33°51′36″～33°51′44″；东西长约820m，南北宽约80m～230m，面积约为0.145km2。

4.3.2 矿山采空区影响范围基本稳定区

基本稳定区范围是在不稳定区域范围向外扩大100m圈定的，圈定的范围西起23 线、东至80 线，范围起止坐标东经105° 20′ 02″ ～105° 21′ 05″，北纬33°51′33″～33°51′52″；东西长约1590m，南北宽约220m～402m，面积约为0.358km2。

4.3.3 矿山采空区影响范围稳定区

稳定区范围为除上述范围以外的评估区范围，范围起止坐标东经105°20′02″～105°21′16″，北纬33°51′27″～33°51′55″；东西长约1900m，南北宽约482m～787m，面积约为0.608km2。

5 防治措施建议

（1）现分布于不稳定区内的所有建筑物都要进行搬迁，搬迁建筑物主要位于矿山开采区内南沟沟谷东侧，主要为临时住房及空压机房等。同时在不稳定区外围5m 处拉设警戒线，其中在人员居住集中的地方设立防护网，基本稳定区内不允许再修建建筑物，已有建筑物有搬迁条件的建议搬迁。

（2）考虑到下部开采活动对采空区稳定性的影响因素，在进行下部矿体开采时尽量采取绕道巷道掘进，减轻垂直面上部荷载对下面支撑体的压力,开拓时避免与上部采空区垂直。

（3）建议在6#、8#这两处弃碴堆前修筑拦碴墙，在5#弃碴堆下方为矿山居民建筑物，建议在此弃碴堆下方修筑拦碴墙，减少其对矿山居民生命财产的威胁。此外，开采矿体西侧的1570C1-1570C4 四处矿房建议回填。