矿山地面塌陷预测方法研究

　第 17 卷第 6 期 　2008 年 6 月 中 　国 　矿 　业 CHINA MINING MAGAZINE 　Vol. 17 , No . 6 J un 　2008 矿山地面塌陷预测方法研究 戚 　冉1 , 黄建华1 , 郭春颖2 (1. 新疆大学 资源与环境学院 , 新疆 乌鲁木齐 830046 ; 2. 中国地质集团公司北京岩土工程勘察院 , 北京 100083) 　　摘 　要 : 由矿层井下采矿工程引发的采空区地面塌陷 , 是矿层开采普遍存在的环境工程地质问题。 开采塌陷是矿区环境地质灾害的直接根源。本文根据矿山的数据资料 , 运用三角函数数学方法 , 对矿山 开采可能 引起的地面塌陷范围进行预测。结果表明 , 该方法可得出地面塌陷的位置及面积 , 为矿山的土 地复垦及有 效管理提供了科学依据 , 有助于实现“谁受益 , 谁治理”的目标。 　　关键词 : 矿山开采 ; 地面塌陷 ; 预测 　　中图分类号 : TD327 　　文献标识码 : B 　　文章编号 : 1004 - 4051 (2008) 06 - 0039 - 03 The study on forecast for ground subside nce at mine Q I Ran1 , HUAN G Jian2hua1 , GUO Chun2ying2 (1. Insitute of Resources and environment Science , Xinjiang University , Urumqi 830046 , China ; (2. China Geo2Engineering Corporation Beijing Geo. &Inv. Engineering Institute , Beijing 100083 , China) 　　Abstract : The empty area ground′s subsidence which be caused by exploration engineering on mineral layer is the widespread environmental engineering geologic problem . Subsidence is the direct source of geo2 logical disaster ; this text makes use of the data of mine and mathematic method of t rigonometric function to forecast the possible scope of ground subsiding area. The result s indicate that this method can get the posi2 tion and area of subsiding area and it p rovides scientific according for the reclamation and sufficient manage2 ment of mine , and it is useful to realize the goal“who be subjected to benefit s , who manages”. 　　Key words : mine exploitation ; ground subsidence ; forecast 收稿日期 : 2008 - 02 - 24 基金项目 : 国家重点基础研究发展计划 ( 973 计划) : 《中亚造山 带大陆动力学过程与成矿作用》, 课题编号 : 2007CB411300 作者简介 : 戚　冉 (1981 - ) , 男 , 新疆大学在读硕士研究生 , 研 究方向地质工程。 　　新疆矿产资源极为丰富 , 矿业开发带动了地 区经济的发展 , 但由于人为不合理开发 , 加上地 区脆弱的生态环境 , 导致了资源破坏、地质灾害 和环境污染等一系列的环境地质问 题。引起矿山 地区环境恶化的主要原因 , 有历史因素、政策、经 济技术、地方保护主义及环保意识差等。随着西部 大开发 , 我国将进一步加大矿业开发力度 , 走出 “先开发、后治理”的误区 , 使矿业开发和环境保 护健康协调发展。 　　在新疆资源开发过程中 , 有些矿山企业忽视矿 山生态环境 , 矿山植被、景观、土地、水均衡遭受 不同程度破坏 , 恢复治理率和土地复垦率低 , 局部 地区诱发采空区地面塌陷、山体开裂、崩塌、滑 坡、泥石流、煤层自燃等次生地质灾害。尤其是地 面塌陷灾害 , 对新疆地质环境的破坏很大。据不完 全统计 , 天山南北麓矿山塌陷面积 63195km2 , 占 全疆地面塌陷面积的 4915 %。采空区地面塌陷问 题 , 已严重影响到新疆的经济发展和社会进步 , 也 给塌陷区周围居民的正常生活带来负面影响。随着 新疆新一轮资源大开发的兴起 , 地面塌陷灾害的预 防与治理已迫在眉睫。本文以实地考察和矿区开采 数据为依托 , 在综合考虑影响矿区地面塌陷的因素 的基础上 , 运用三角函数数学方法 , 对矿山开采可 能引发的地面塌陷的范围进行预测 , 为矿山的开采 和治理提供科学依据。 1 　地面塌陷的形成因素 　　由采空产生地面塌陷 , 主要受矿体分布形态、 地层 (尤其顶、底板) 岩性、地质构造、开采方 © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 中 国 矿 业 第 17 卷 式、降雨及人类工程活动等因素制约。其中 , 降雨 及地下采掘是重要的诱发因素 , 区内采矿活动较为 强烈而集中 , 在各种因素耦合作用下 , 导致地面塌 陷 ; 地面塌陷的形成因素 , 可概括为自然因素和人 为因素两大类。 111 　自然因素 　　 (1) 矿产埋深愈大 (即开采深度愈大) , 变 形扩展到地表所需的时间愈长 , 地表变形值愈小 , 变形比较平缓均匀 , 但地表移动盆地的范围加大。 　　 (2) 矿层厚度愈大 , 开采空间愈大 , 会使地 表变形值增大。 　　 (3) 矿层倾角大时 , 使水平移动值增大 , 地 表出现地裂缝的可能性增大 , 塌陷区和采空区投 影面积越不一致。 　　 (4) 松散覆盖层的厚度及性质。松散覆盖层 越厚 , 竖向变形值越小 , 但变形范围加大。 　　 (5) 矿层产状。矿层倾角平缓时 , 盆地位于 采空区正上方 , 形状基本上对称于采空区 ; 矿层倾 角较大时 , 塌陷区在沿矿层走向方向仍对称于采空 区 , 而沿倾角方向 , 随着倾角的增大 , 塌陷区中心 愈向倾斜的方向偏移。 　　 (6) 岩层节理裂隙发育 , 会促使变形加快 , 增大变形范围。 　　 (7) 断层会破坏地表移动的正常规律 , 断层 带上的地表变形相对剧烈。 　　 (8) 如覆岩中均为极软弱岩层或第四纪土层 , 顶板即使是小面积暴露 , 也会在局部地方沿直线向 上发生冒落 , 并可直达地表 , 这时地表出现漏斗型 塌陷坑。 　　 (9) 厚度大的、塑性大的软弱岩层或土体 , 覆盖于较硬岩层上时 , 后者产生破坏 , 会被前者缓 冲或掩盖 , 使地表变形平缓。反之 , 上覆软弱层较 薄 , 则地表变形会快 , 并出现裂缝。另外 , 除以上 因素外 , 降雨、水文、植被等因素 , 对地面塌陷也 有一定的影响 , 尤其是降雨沿岩 (土) 体裂隙带下 渗或运移 , 可加速上覆岩土体的下陷 , 甚至成为诱 发因素。 112 　人为因素 　　采矿方法和顶板管理方法 , 是影响围岩应力变 化、岩层移动、覆岩破坏的主要因素。在矿层埋深 不变的情况下 , 开采宽度越大 , 形成的地表影响越 大 , 地表变形的范围越大。 2 　地面塌陷的预测 　　在地质灾害危险性评估工作中 , 由于资料和工 作布置技术要求的制约 , 且评估一般在工程建设的 科研阶段 , 导致评估依据不充分 , 因此进行大量的 数值模拟是不现实的。本文结合以往对矿山开采是 否引发地面塌陷地质灾害危险性评估的 , 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。 表 1 　冒落带导水裂隙带最大高度经验公式表 煤层倾角 (°) 岩石抗 压强度 (MPa) 岩石名称 顶板管 理方法 冒落带最 大高度 m 导水裂隙带 (包括 冒落带最大高度) m 0～54 40～60 辉绿岩、石灰岩、硅质石英岩、 砾岩、砂砾岩、砂质页岩等 全部陷落 Hc = (4～5) M H f = 100 M21 4 n + 211 + 1112 20～40 砂质页岩、泥质砂岩 , 页岩等 全部陷落 Hc = (3～4) M H f = 100 M313 n + 31 8 + 51 1 < 20 风化岩石、页岩、泥质砂岩、 粘土岩、第四系和第三系松散层等 全部陷落 Hc = (1～2) M H f = 100 M511 n + 51 2 + 51 1 55～85 40～60 辉绿岩 , 石灰岩硅质石英岩、 砾岩、砂砾岩、砂质页岩等 他部陷落 H f = 100 mh411 h + 133 + 81 4 < 40 砂质页岩、泥质砂岩 , 页岩、粘土岩、 风化岩石、第三系和第四系松散层等 全部陷落 Hc = 01 5M H f = 100 mh715 h + 293 + 71 3 211 　缓倾斜煤层 (0～54°) 地面塌陷的预测 　　对于缓倾斜煤层 ( 0～54°) 进行地面塌陷的 预测 , 根据围岩岩性、岩石的抗压强度不同 , 选用 的公式也有所不同。同时 , 计算缓倾斜煤层时 , 冒 落带、导水裂隙带最大高度 , 是指从煤层顶面算起 的法向高度 ( 图 1、图 2) 。 Hs = H sin (90°- a) (1) 公式 (1) 中 , H 为开采中段顶板距地表的距离 ; a 为矿体倾角 ; Hs 为计算得出的导水裂隙带高度。 　　利用表 1 将 H f (法向) 算出 , 并与 Hs (法 向) 相比较 , 若 H f > Hs , 则矿体顶板崩落的垂向 04 © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 第 6 期 戚 　冉等 : 矿山地面塌陷预测方法研究 影响范围可达到地表 , 导致地表岩土坍落 , 易形成 地面塌陷 ; 若 H f < Hs , 则不易引发 地 面塌陷灾 害。 　　首先 , 利用三角关系算出 (缓倾斜) : D = H/ tan ( a) + ( H - h) / tan ( b) + h/ tan ( c) L = K ·co s ( a) + 2 ·m m = ( H2h) / tan ( e) + h/ tan ( f ) S1 = D ·L (2) 公式 (2) 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 ; m 为塌陷影响 长度 ; D 为塌陷影响宽度 ; a、b、c、e、f 为图 1 和图 2 中所示各角度。 　　若地面产生塌陷 , 塌陷面积和采空面积均可视 为长方形 , 初步可简化为塌陷宽度 ( D) 与长度 (L ) 之积。地面塌陷的宽度和长度可用三角关系 算出 , 公式中出现的松散层移动角 , 在新疆地区一 般取 45°, 由此可计算出地面塌陷的面积 ( S1 ) 和 位置。 212 　急倾斜煤层 (55～85°) 地面塌陷的预测 　　对于急斜煤层 ( 55～85 °) 来说 , 冒落带、导 水裂隙带最大高度 , 指从开采上限算起的垂向高度 (图 3) 。同缓倾斜煤层一样 , 首先判断是否产生地 面塌陷灾害。急倾斜的塌陷影响长度与缓倾斜相 同。且计算塌陷面积的方法也相同 , 用计算得出的 H f 与 H s 相比较 , 若 H f > Hs , 则矿体顶板崩落 的垂向影响范围可达到地表 , 导致地表岩土坍落 , 易形成地面塌陷 ; 若 H f < Hs , 则不易引发地面塌 陷灾害。 图 3 　塌陷影响范围计算示意图 (倾向) 　　同样 , 利用三角关系算出 (急倾斜) : D = 2 h/ tan ( c) + ( H - h) / tan ( b) + ( H - h) / tan ( d) + n/ sin ( a) S2 = D ·L (3) 公式 (3) 中 , n 为矿体的平均厚度 ; a、b、c、d 为图 3 中所示各角度。 　　对于急倾斜煤层 , 地面塌陷影响长度 ( L ) 的 计算方法与缓倾斜地面塌陷影响长度的计算相同 , 同样塌陷面积 ( S2 ) 和采空面积均可视为长方形 , 可简化为塌陷宽度 ( D) 与长度 (L ) 之积。 3 　总结 　　用该方法可得出地面塌陷的位置和面积 , 为矿 山的土地复垦提供依据 , 使得有关部门易于对矿山 进行管理 , 可以做到“谁受益 , 谁治理”的目标。 同时 , 为矿山的安全生产提供保障 , 为矿山的安全 操作提供依据 , 在矿山开采前 , 矿山可以在预测塌 陷区域内 , 一次性拉设铁丝围栏 , 并树立警示标 志 , 禁止闲杂人员进入。 　　矿层地下开采形成的采空区 , 以及开采过程中 顶板稳定性受自然和不确定人为因素的综合作用 , 其评价是一个复杂的系统工程。即使预测采矿活动 不会引起地面塌陷 , 但随着时间和条件的改变 , 也 可能对建设工程造成破坏。所以 , 预测评估并不代 表现状评估 , 有一定的局限性。 参考文献 〔1〕　姜建军 , 等. 矿山环境管理实用指南 [ M ] . 北京 : 地震出 版社 , 2004. : 4531. 〔2〕　李智毅 , 杨裕云 , 等. 工程地质学概论 [ M ] . 武汉 : 中国地 质大学出版社 , 2002 : 2611. 〔3〕　高　峰 , 周科平. 基于可拓学理论的采场顶板稳定性评价 [J ] . 中国科技在线 , 2004. 〔4〕　卫晓君. 西北煤矿区域开采诱发环境灾害与安全开采综合分 析 [J ] . 中国矿业 , 2005 , 14 (11) : 23 - 27. 〔5〕　何　清 , 杨 　伦 , 凌赓娣 , 等. 矿山开采沉陷学 [ M ] . 北 京 : 中国矿业大学出版社 , 1991. 〔6〕　邹友峰 , 邓喀中 , 马伟民. 矿山开采沉陷工程 [ M ] . 北京 : 中国矿业大学出版社 , 2003. 〔7〕　苟新华 , 郑玉洁 , 张玲新疆地质环境主要问题 [J ] . 新疆地 质 , 2003 , (3) : 344 - 345. 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All rights reserved. http://www.cnki.net 中 国 矿 业 第 17 卷 化理论建立的数学模型 , 通过简单的、有条件的试 验得到验证。我们认为生物堆浸过程是一个十分复 杂的化学、生物和物理过程 , 无论采用何种理论依 据都很难全面准确的描述其整个作用过程 , 而在大 量试验基础上 , 通过确立室内试验结果和现场生产 效果之间的关系 , 建立与个别主要技术参数相关的 经验模型更具实际意义。 　　解决这些问题的主要途径除上述在分析问题时 提到的如培养氧化能力强、适应范围广的高效菌种 以提高氧化效率之外 , 更重要的是改进堆浸工艺及 设备 , 营造适合菌种作用的环境。例如采用温室堆 浸、吸热材料覆盖矿堆、滴灌系统保温滴淋、细菌 氧化再生液逆流淋浸等技术。 4 　前景展望 　　资源综合利用是我国经济和社会发展中一项长 远的战略方针 , 也是一项重大的技术经济政策。随 着科学技术的进步和经济的发展 , 国内外对铀产品 的生产和需求与日俱增 , 因而 , 适合于从贫矿、废 矿和复杂矿中回收金属的细菌堆浸技术 , 已显示出 巨大的优越性和广阔的发展前景。但我国的细菌堆 浸浸铀技术与先进的国家相比 , 仍有一定的差距 , 需要进一步加强以下几个方面的研究 : ①高性能浸 矿菌种的筛选驯化和提高细菌氧化速度的研究 ; ② 细菌堆浸浸出的工艺流程、工艺参数的研究与开 发 ; ③适应性较强细菌堆浸工艺的研究 ; ④细菌堆 浸系统设备的研制 (氧化装置、淋洗系统各参数的 测定及自动控制设备仪器等) ; ⑤细菌堆浸浸矿数 学模型的建立 ; ⑥细菌堆浸浸矿的工业应用。 参考文献 〔1〕　樊保团 , 孟运生 , 刘　建. 铀矿石细菌堆浸新工艺及其在赣 州铀矿的工业化应用 [ N ] . 中国核科技 , 2006. 1. 〔2〕　张晓文 , 周耀辉 , 刘耀池. 我国铀矿冶工业与技术进步 [J ] . 中国矿业 , 2003 , (12) . 〔3〕　王　鉴 , 王鉴夫 , 王昌汉. 中国铀矿开采 [ M ] . 北京 : 北 京原子能出版社. 1997. 〔4〕　王玉棉 , 李军强. 细菌浸矿的技术现状及展望 [J ] . 甘肃冶 金 , 2004 , (3) . 〔5〕　李　雄 , 柴立元 , 王云燕. 生物浸矿技术研究进展 [J ] . 工 业安全与环保 , 2006 , (3) . 〔6〕　裘荣庆. 细菌冶金的应用和研究现状 [J ] . 国外金属矿选 矿 , 1994 , (8) . 〔7〕　刘　清 , 徐伟昌 , 聂春龙 , 招国栋. 我国浸矿细菌研究的发 展概况 [J ] . 南华大学学报 (理工版) , 2003 , (3) . 〔8〕　方兆珩 , 柯家俊 , 李洪枚. 生物浸出低品位镍铜硫化矿 [J ] . 有色金属 , 2002 , (4) . 〔9〕　刘　健 , 樊保团 , 张传敬. 抚州铀矿细菌堆浸半工业试验研 究 [J ] . 铀矿冶 , 2001 , (2) . 〔10〕　姚国成 , 阮仁满 , 温建康. 生物冶金常用浸矿菌种及改良 育种的基本方法 [J ] . 金属矿山 , 2002 , (12) . 〔11〕　胡凯光 , 谭凯旋 , 杨仕教. 细菌浸矿机理和影响因素探讨 [J ] . 湿法冶金 , 2004 , (9) . (上接第 38 页) 供相对完整准确的信息 , 从而保证命令控制模式的 有效性。 　　 (5) 完善矿产资源综合利用指标体系 　　制定和完善矿产资源综合利用的技术指标体系 和评价指标体系 , 为环境管理政策的制定提供标 准 , 尤其是对命令控制型模式更为重要。其中包括 矿产资源共、伴生资源综合利用率 , 废石围岩利用 率和尾矿利用率 , 煤矸石利用率 , 主要矿种的采矿 回收率、选矿回收率 , 矿产资源综合勘探、综合评 价的指标 ; 建立和完善矿产资源综合开发利用标准 体系 , 建立矿山资源综合开发利用的经济指标体系 和评估验证体系。采用科学的方法综合评价矿山企 业综合利用的水平 , 按技术可行、经济合理的要 求 , 评价、监督矿山企业综合利用工作。 参考文献 〔1〕　谢识予. 经济博弈论 : 完全信息静态博弈 [ M ] . 上海 : 复 旦大学出版社 , 2005 : 95 - 97. 〔2〕　张　真 , 戴星翼. 环境经济学教程 : 环境管理政策 [ M ] . 上海 : 复旦大学出版社 , 2007 : 137 - 147. 〔3〕　姜彩楼 , 李永浮. OECD 国家环境经济手段分析 [J ] . 软科 学 , 2007 , (2) : 38 - 41. 〔4〕　王小马 , 王永胜. 环境经济学在矿业环境治理过程中的应用 [J ] . 环境经济 , 2007 , (2) : 30 - 32. 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