矿山地表沉陷区定位预测与治理研究

矿山地表沉陷区定位预测与治理研究
摘要：借助地表岩移监测获得的基础数据来了解井下采矿过程中岩体移动在地表上的动态反映，找出地表移动和变形规律，达到矿山沉陷区定位预测的目的。

本文以我们曾经工作过的山金望儿山矿区为例，介绍了基于多年来的地表沉陷监测信息，将理论分析与工程实践相结合，在望儿山浅表开采地表移动规律、沉陷区定位预测与防治措施等方面进行了深入研究所取得的成果。

关键字：岩移监测移动规律定位预测防治措施
焦家金矿望儿山矿区浅部回采、民采矿井滥采乱挖区域地表沉降明显，对矿区内的建、构筑物造成了重大危害。

因此，我们于2001年在民采区地表布设了地表岩移观测站，并根据地形及测量技术设计观测方法，采用高精度的电子水准仪，全站仪开展了岩移观测工作，获得该区域较全面、完整的地表移动观测数据。

至今已有10多年的观测数据，我们将这些监测信息进行理论分析并与实践相结合，在开采地表移动规律、塌陷区域定位预测等方面取得了辉煌的成就。

1.矿区简介及现状
1.1 矿区简介
焦家金矿望儿山矿区位于美丽的渤海之滨莱州境内，望儿山山脚。

与金都招远一道之隔。

这里风景优美，交通便利。

在30多年的开采中，由于早起的采矿方法和民采等因素，造成了浅部大量的采空区存在，目前该矿区采矿区地表正在缓慢下沉，随时有发生塌陷的可能，给矿山的安全生产、工程建设和人民的生命财产造成了严重的威胁。

及时对采空区塌陷位置进行预测定位，采取必要的防治措施尤为重要。

1.2 地表沉陷灾害现状
近几年来矿区地表持续快速的沉陷给矿山生产带来了巨大的危害，地表沉陷区厂房、机房、浴池等一些重要设施相继破坏，地表及地表建筑物裂缝发展也较为迅速，迫使将一些建筑物拆迁。

图1-1为典型建筑物裂缝监测情况，从图上可以看出短短数月内，裂缝的宽度持续增大，而且增长幅度十分明显，特别是地表裂缝的宽度受其沉降拉伸作用影响，变化最为显著，由此可见地下回采工作对地表的影响已经十分严重。

图1-1老浴池东路面与老选办西北角裂缝宽度变化
地表沉陷对竖井影响也十分明显，目前一号井口正以平均每月8毫米左右的速度延325度方位向偏北方向移动。

一号井筒进行井筒喷浆维护后，+60m中段以上接近102m水平又出现了较多裂缝。

2010年不得已将一号卷扬从地面移到移到+60中段。

二号井架由于地表的沉降移动变形导致了钢筋混凝土结构井架发生严重的变形，2008年对二号井进行了重新建设，同时在周围布设了沉降变形观测点，发现二号井架依然存在一定的变形。

竖井井壁及井架受岩移影响也发生破裂和倾斜变形，严重影响了矿区安全正常生产，并且地表沉陷的发展对地表车辆通行和地下生产安全有着巨大的隐患
2 地表沉陷区趋势分析定位预测
2.1 地表沉陷特征
通过多年的水准监测表明：矿区地表沉陷呈现出缓慢渐变发展的特点，最大沉降中心区位置基本不变，沉降中心区的沉降速率基本保持平稳增长，沉降区范围逐渐扩大，沉降边缘区监测点沉降速率持续增大，自2009年以来采空区的沉降速度和范围的变化更加突出。

从2012年度等值线图（图1-1）可以看出，地表沉降区域沉陷区呈现非规则的椭圆状，其长轴为北北东方向，大致和控矿断裂走向一致。

沉降区域分布在矿体的上盘区域，沉降中心年年沉降量大于300mm。

在监测范围内，自沉降中心至沉降边缘，监测点沉降量变化较大。

图2-12012年度地面沉降等值线图
表2-1为2009年底以来重点观测区域主要测点的变化情况。

从图表中可以看出，25号、B19号、B20号点是沉降中心的代表性点位，B19号监测点近3年来累计沉降已经达到了1.06m，25号与B20号也达到0.8米以上；9号点是2#井口的观测点，沉降达到0.1米；54、55号点是原一号井口的观测点，其下沉沉降也到了0.2米。

表2-1地表较大沉降监测点沉降统计情况
2.2地表沉陷趋势分析
2.2.1 地表沉降等值线
随着回采持续进行，地下采空区体积也随之增大，采空区几何中心也不断发生变化，使的地表沉陷区域发生缓慢的变迁。

2010年以来，我们采用了sufer软件来实现了等值线自动成图，Sufer主要用于绘制等值线图及相应的三维图形，其强大的插值功能和绘制图件的能力，已经成为处理等值线的首选软件，它能迅速地将离散点的测量数据通过插值转换为连续的数据曲面。

Sufer软件操作简单和绘图能力强的特点已被认可。

用surfer 绘制的等值线图更精准、详细，使采空区地表沉陷情况的研究结果比以前更具有说服力。

图2-1~3为望儿山2010-2012三年来地表沉降监测等值线图，从沉陷范围的变化可以看出，点B19、B20、25三点之间的范围是沉降的中心区域，成为我们重点监测区域。

地表沉陷区椭圆的长轴基本上和矿区主断裂走向一致。

图2-2望儿山2010年地表沉降等值线图图2-3望儿山2011年沉降等值线图目前矿山同时回采-60m，-30m和0m中段矿体，出矿量逐年增加，地下空
区的体积会持续快速扩大。

随着-30m和0m水平的不断开采，-30m与0m矿体在地表投影偏下山方向的位置将成为沉陷比较突出的区域，即B19，B20，25观测点为中心的区域（如图1-1）。

并且，随着回采高程的升高，采空区离地表的距离缩短，地表沉陷的速度、范围都将会继续保持快速的增长势头。

2.1.2 地表沉陷区域范围的理论预计
在对开采引起岩移、沉陷评估工作中，由于受矿山工程地质资料和工作布置技术要求的制约，导致评估依据不充分。

依据开采岩移的几何理论模型，采用经验公式进行推导计算，可以进行比较合理的评估工作。

对于望儿山矿山，矿层缓倾斜，可根据开采后岩体移动的几何模型（图2-4、2-5），建立开采沉陷影响区域的理论计算公式，定量化评价地表沉陷的影响范围。

图2-4 地表沉陷影响范围模型图（倾向）
图2-5 地表沉陷影响范围模型图（走向）
根据图2-11，2-12中地表沉陷影响区范围模型图中的几何关系，可推导出地表沉陷影响区范围的宽度D：
上式中，K为矿体的长度；H为开采中段顶板距地表的距离；h为松散层厚度；L为沉陷影响长度；D为沉陷影响宽度；a、b、c、e、f为上图中所示的各角度。

若地表沉陷区和采空区均可视为长方形，地表沉陷面积可简化为沉陷宽度D 与沉陷区长度L 的乘积，由此可计算出地表沉陷的面积和位置。

2.2 地表塌陷灾害模式及特征
矿体开采引起岩体移动继而引发地表沉陷变形是一个渐近的过程，采空区围岩向空区发生挤进、冒落获取平衡状态。

随着采空区体积的不断增大，岩体的这种挤进和冒落程度随之增强。

当空区体积扩大到一定程度，并且采空区顶板接近一定尺寸时，岩体的这种平衡状态便难以达到，上覆岩体所具有的势能快速的向动能发生转化，随即发生突发塌陷灾害。

图2-6给出了矿区开采引发塌陷灾害的岩移模式图。

塌陷的速度直接影响空区被塌陷岩石充填的程度。

相对缓慢的塌陷仅造成空
区一定范围内空区被塌落岩石充填，快速的突发塌陷往往对地下开采空间造成毁灭性，表现为顶板直接冒落至地表，采空区被完全密实充填。

在地表沉陷区，坍塌区主要位于采空区上方地表投影位置，塌陷区表现为底部不均匀破裂，但整体性强。

塌陷区的边界位置一般为陡崖或陡坡，塌陷的深度和采空区的位置、大小及顶板的厚度和刚度直接相关，空区体积越大，埋深越浅，顶板越坚硬，开采所形成的塌陷就越剧烈，塌陷坑深度也越大，危害范围也越广。

图2-6 开采引起顶底板破裂引发塌陷灾害模式图（局部放大表现图）
3 采空区的预防治理措施
通过以上工作，我们确定出了采空区造成的地表的塌陷范围，基本掌握了塌陷区的岩石移动特征。

对此我们做出了一系列的预防治理措施。

3.1 地表的治理措施
近几年来矿区地表持续快速发展的沉陷给矿山生产带来了巨大的危害，地表沉陷区厂房、机房、浴池等一些重要设施相继发生破坏，因此我们在2009年初步圈定塌陷区，并对塌陷区内的建筑物分步进行了拆迁，2009年初老浴池拆迁、2010年初1#井卷扬机房从地表移至+60层面，并开拓了地表到+60层面的斜坡道。

另外为阻止运输车辆经过塌方区上方，我们重新规划运输道路，新建了望儿山矿区南门等等。

3.2 地下的治理措施
望儿山分矿岩体比较破碎，在矿岩体内存在很多的节理、小断层及破碎带。

由于岩体的这一特性，当在地下形成采空区后，在采空区周围就会形成大量的关键块体。

这些块体较其它岩块具有更大的移动可能性。

（这可以用“块体理论”来进行解释）因此我们对采空区进行充填。

充填作用显著提高了围岩内那些关键块体周围节理及断层的摩擦力，从而促进了那些关键块体的稳定，提高了围岩体的自身支撑能力促使岩体稳定，减缓地表面变形的速率。

避免突发塌陷灾害以及剧烈的沉陷。

另外，回采过程中，尽量保留间柱，不仅可以减小因间柱回采导致的空区体积增大，而且保留的间柱还具有支撑作用，可发挥空区安全矿柱的作用。

这不但可以降低地表沉陷幅度，而且还可以降低塌陷发生概率。

同时适当降低爆破震动危害，加强管理杜绝民采，对于减小地面沉陷程度和降低突发塌陷灾害也意义重大。

4 小结
望儿山矿区由于存在浅部历史遗留采空区及民采矿井滥采乱挖空区，浅部采空区矿体的回采已经造成了较为严重的地表沉陷灾害。

多年的监测结果说明望儿山矿区采空区并不是一次性垮落的，而是由于深部开采引起浅部活化，产生的缓慢地表移动，只是近期浅部残矿回收又进一步加剧的地压变化的强度和烈度。

随着开采重心的转移，地下采空区的几何中心发生偏移，直接导致地表沉陷区域发生变化。

北北东沿矿体走向-30m与0m矿体在地表投影偏下山方向的位置将成为沉陷比较突出的区域，即B19，B20,25观测点为中心的区域（如图1-1）。

并且，随着回采高程上升，采空区离地表的距离缩短，地表沉陷的速度、范围都将会继续保持快速的增长。

因此在以往监测、分析工作的基础上，通过模型构建，研究清楚矿坑沉陷的发生机制，确定其变形特征和影响范围，并结合矿山采矿动态对未来变形趋势和灾变进行预测，对地下开采引起的地表环境损害进行分析评价，并确定防治方案和应对措施，对矿山安全有序生产意义重大。

参考文献：
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