矿山开采对地表变形的影响研究

王燕平

（内蒙古包头鑫达黄金矿业有限责任公司，内蒙古 包头 014000）

当前，矿产资源的需求量不断增加，并且地下开采的规模也逐渐扩大，对于矿山岩层以及地表结构的稳定性造成十分严重的影响。在矿山开采活动开始后，矿山顶板岩层的移动和地表的沉陷会逐渐明显，并且对于地表上的工程建设而言，也会造成不同程度的危害，这一现象已经通过各个矿区开采实践得以验证[1]。本文开展矿山开采对地表变形的影响研究，为提高矿山开采的安全性，并为降低开采过程中对周围环境的影响提供科学依据，本文开展矿山开采对地表变形的影响研究。

1 矿山开采对地表变形的影响

1.1 引发地表沉陷

随着矿山开采的不断推进，矿体地下采空区域的面积以及高度都会随之增加。采空区域大多分布在地表以下，在顶板结构上的覆盖岩石和岩土自身重力以及周围围岩的构造应力的作用下，常常会出现移动变形问题，随着其移动变形的幅度范围不断增加，最终造成地表出现严重的沉陷问题产生。通过上述分析可知，矿山地表变形与矿山开采有着密切的联系，当开采的方式不同、矿体自身的地质条件不同，都会造成矿山地表的变形程度和变形规律发生改变。

通常情况下，矿山的变形的影响因素主要包括：围岩的构造应力、岩体内摩擦角、围岩容量、地下水运动等影响因素。

同时，矿体本身的赋存埋深条件主要影响矿山地表的塌陷形式，而沉陷盆地中心主要以沉降变形形式为主。

当前，针对矿山地表沉陷主要集中在对其宏观破坏特征的研究。通过对不同类型矿山进行实地考察，并结合相应物探技术得出，矿山开采过程中，引起地表出现沉陷问题呈现出的宏观特征主要表现为：原岩应力的大小决定了矿山地表水平方向上构造应力矿山地表最大下沉程度[2]。在自重应力场环境范围内，开展矿山开采工作，会造成矿山地表周围内圈破坏，并在剪切力的作用下逐渐形成错断台阶状的破坏，从而造成地表出现沉陷问题。表1为某矿山开采活动地表沉陷实例记录表。

表1 某矿山开采活动地表沉陷实例记录表

通过选取实际某矿山在开采活动过程中，地表沉陷的实例数据，针对弹性模量、内聚力、采场尺寸等对地表沉陷的影响程度的分析得出：矿山开采时，覆岩性质当中的距离是影响矿山地表沉陷的决定性因素；而采场实际尺寸大小，是影响矿山地表沉陷的主要因素；弹性模量对矿山地表沉陷有一定影响，但影响程度与上述内聚力和采场尺寸，两个因素相比较小。

1.2 提高地表岩层运动活跃程度

考虑到在具体矿山开采过程中，被开采的矿体在倾角上存在的不同对矿山地表变形可能造成一定影响，针对矿山开采矿体倾斜角度对地表变形的影响进行探究。针对五种不同倾斜角度的矿山矿体，对其现有开采记录中地表变化情况进行采集。

根据自重应力矿山开采地表垂直地面方向上的位移随矿体倾斜角度变化情况得出，在其他条件均不发生改变的情况下，当矿体的倾斜角度在45°～55°范围内时，地表的竖直方向上的沉降会随着倾斜角度的增加而出现急剧增加的效果，同时倾斜角度在这一范围内的矿山地表竖直方向沉降与倾斜角度在55°～65°范围内的沉降量增加15.32%，同时是倾斜角度为85°及以上时地表沉降量的5.52倍。随着矿山开采矿体倾斜角度的不断增加，上盘地表与下盘地表的岩层运动活跃变化程度一致，并且能够呈现出明显的对称性，随着矿体倾斜角度的不断增加，地表岩层运动活跃变化幅度呈现出沿地表中心线上下盘对称结构。

进一步分析得出，下盘地表受到矿山开采活动的影响，产生的地表岩层运动活跃程度与矿体的倾斜角度之间有着密切联系，倾斜角度越大，则矿体越倾斜，下盘地表受到的影响也越大[3]。

同时，通过更进一步探究得出，当上盘地表受到开采过程中矿体的倾斜角度，导致其地表岩层运动方向向左时，则下盘地表的岩层运动方向向右，同时此时围岩的位移矢量会指向矿山开采形成的采空区，并出现上盘地表岩层运动幅度大于下盘地表岩层运动幅度的现象产生。随着倾斜角度的不断减小，上盘地表岩层运动的增加率也会远大于下盘地表岩层运动的增加率。

因此，通过上述分析得出，矿山开采过程中，矿体的不同倾斜角度会对矿山地表岩层的运动活跃程度造成一定影响，并且明显对上盘地表岩层运动幅度影响程度更大，对下盘地表岩层运动幅度影响程度更小。

1.3 增加地表水平移动量

通过上述论述，明确矿山开采对矿山地表沉陷和垂直地面方向上的影响后，为进一步探究矿山开采对地表水平方向上移动量的影响，选择以五种不同开采厚度的矿山作为研究对象，针对五种不同厚度的矿山开采过程中，地表在水平方向上的移动量变化情况进行分析。在实际矿山开采的过程中，确保其他开采条件均不发生改变的情况下，对陡倾矿体进行开采。随着矿山开采矿体的厚度不断增加，地表水平方向上的移动量也不断增加。当开采到厚度为200m时，地表水平方向上产生的移动量是开采到厚度为150m时的1.63倍，是开采厚度为100m时的2.42倍。随着开采矿体的厚度不断增加，上盘地表和下盘地表水平移动量的变化趋势是相同的，并且与地表岩层运动活跃程度变化相同，均呈现出逐渐明显的对称性，并且地表水平方向的移动范围也不断扩大。同时，当开采过程中开采厚度不断增加，无论是上盘地表结构，还是下盘地表结构，其产生的水平方向位移量的增加率都呈现出不断提升的趋势。并且，通过进一步分析得出，当上盘地表结构水平方向移动变形向左时，则下盘地表变形会向右，围岩位移矢量仍然指向矿山开采形成的采空区。地表水平方向上的移动变化逐渐呈现出没有规律的变化，而下盘地表水平方向上的移动量呈现出“双峰现象”，即水平移动量先增加，后减少，再增加，再减少的变化趋势。

2 结语

为实现对复杂开采条件下，对矿山地表变化的进一步了解，本文针对不同条件矿山开展矿山开采对地表变形的影响研究。

通过研究得出，矿山开采不仅会造成地表出现沉陷问题产生，同时还会从竖直方向和水平方向对地表位移情况造成一定影响。

由于研究能力有限，在对上述内容分析过程中，并没有结合实际钻孔监测数据对地表围岩地质构造特征受矿山开采影响进行研究，因此无法得出顶板结构上的覆岩层岩石质量受矿山开采的影响。

针对这一问题，为实现对矿山开采方案的合理制定，在后续的研究中还将对此进行更加深入研究，并结合多种分析手段和技术，例如灰色关联分析法、GIS技术等，为矿山开采的安全生产提供更多科学依据。