地下开采引起地表移动和不均匀沉降的机理分析.pdf

第5 6 卷 第2 期 有 色 金属 矿山部分 2 0 0 4 年3 月 地下开采 引起地表移动和不均匀沉降的机理分析 徐水太饶运章潘建平 南方冶金 学院 摘 要 通过 岩 体力 学性 质测 试 和 呆空 区肓 限元 数值 计 算 分析 ， 研 究 了岩土 层 性质 、 地 下 水 作 用 、 采 空 区稳 定性对矿 区周围地表移动和民房开裂的影响认为， 地下岩溶发育、 膨胀土 以及采矿生产 引起的地下水位下降、 独立空区和空 区群失稳破坏是造成地表 移动和不均习沉降并使 民房开裂的主要 因素。 关键词 地表移动 不均 匀沉降 采空区 稳定性分析 三维有限元数值分析 武安市西土山乡云驾岭村 以西有云驾岭铁矿和西 土山乡第三铁矿两座地下矿 山， 矿 山开采导致 了较严 重的地表移动和不均匀沉降 ， 并使部分民房开裂 据现场 提供 的图纸 和 GP S测定结果 ， 上世 纪 7 O 年代末 云驾岭村部 分 民房 开始 出现 开裂 现象 ． 裂 缝 特点是公 路 以东 向东拉 裂 、 公路 以西 向西拉裂 ， 裂缝 宽度一般小 于 1 ． 5 c m， 开裂于 8 O年代 中期停止 。9 O 年代 中期 以后 ， 公 路 以西 大部 分 民房墙 壁 、 屋顶 、 地 坪 等再 次 出现普遍 向西 拉 裂裂缝 ， 且裂 缝 大都发 生 在 梁下 、 门窗上 、 墙 角处 以及 墙 与墙 的交接 处 ， 墙 壁 缝 宽一 般 0 ． 3～1 ． 0 c m， 缝 距 3～ 4 m； 混凝 土地 坪 和 地 砖缝 宽 一般 0 ． 3～1 ． 5 c m， 缝 距 2～ 4 m， 地 面裂 缝 走 向是村 子 中部 和北部 呈南 北 向、 南部 呈东 西 和南 北 交叉向。此外 ， 作 为云 驾岭 村东 西 区分 界的简 易 公路上 出现一条南北 向大裂缝 ， 缝 长约 1 0 0余 m， 缝 宽 约 1～3 c m； 在 公路 以西 的 田埂 上 也 有一 条 长 约 6 m宽约 2～3 c m 的东西 向裂缝 ， 且裂缝南 侧地 表有 明显下沉 迹象 。 1 矿 山地 质概 况及矿岩物理 力学性质 1 ． 1 矿 山地质构 造 1 地层 。矿 区地 层 由上往 下 为 ① 第 四 系黄 土 ， 厚度 一般 2～6 m， 黄土覆 盖整 个矿 区 ； ②第 三系 砾 石层 ， 厚 度约 7 0～2 0 0 m， 砾石层广 泛分布于矿 区 ， 由不同粒度的卵石、 粘土组成 ； ③中奥陶统石灰岩， 厚度约 4 3～ 2 2 0 m， 是 矿 区 出露 的主要 地层 ， 也是 成 矿的有利围岩 ； ④岩浆岩侵入的燕 山期 中型闪长岩 系 ， 是成矿母 岩 ， 属 矿 山岩 体第 二期 的一 部 分 ， 矿床 就赋存在灰岩层和闪长岩层之间； ⑤矽卡岩 ， 厚度 2 ～ 4 m， 是底板 主要 围 岩 ， 少 数构 成 矿 体顶 板 或夹 于 徐 水太在读 硕士江 西赣 州3 4 1 0 0 0 矿体 中间。 2 地质 构造 。该 部位 地 质 构造 较 简单 ， 以褶 皱为 主 ， 断裂次之 ， 多 为成矿 前构 造 ， 成 矿后 未发 现 有破坏矿 体的较大断裂构造 。 3 水文地质 。矿 区内出露 的第 四系黄 土 和第 三纪砾 石层 ， 除春夏两季短 时间内含水外 ， 大部分时 间是不 含水 的透水层 ； 中奥 陶纪 石灰 岩是 矿 区主 要 含水层 ， 闪长岩是 隔水层 。 1 ． 2矿岩物理 力学性质 东北大学对矿山常见的 6 种矿岩的物理力学性 质进行 了测试 ， 结 果见表 1 ， 典 型的应 力 一应 变 曲线 见 图 1 、 图 2和图 3 。 由表 1和图 1 、 图 2 、 图 3可见 ， 闪长岩 、 大理岩 、 石灰岩的力学指标较高， 单轴抗压强度都在 1 0 0 MP a 以上 ， 呈似线 弹性 变形 ； 磁 铁矿 、 蚀 变闪长岩 、 矽 卡岩 的力学指标较低 ， 单轴抗压强度在 4 0 M P a以下， 其 变形 特性 分别 为弹 一塑 一弹 ， 塑 一弹 一塑 ， 弹 ～塑 一 粘性 和具 有蠕变性 L 2 。 表 1 矿岩强度 矿岩 名称 闪 长岩灰 岩大理 岩 磁 铁矿 矽 卡岩 强 度指 标 抗 压1 4 1 ， 9 7 9 9 ． 8 3 1 0 7 ． 6 2 3 7 ． 4 5 2 2 ． 9 3 3 8 ． 0 0 MP a 抗 拉l 0 ． 7 1 4 ． 8 6 7 ． 1 8 3 ． 0 3 3 ． 5 0 3 ． 4 9 弹性常 数 E Xl 0 4 5 ． 7 8 7 ． 0 0 9 ． 1 1 1 ． 8 7 0 ． 4 7 7 ． o o MP a 0 ． 2 6 0 ． 2 4 0 ． 0 3 0 ． 2 6 0 ． 2 4 C 2 5 ． 7l l 3 ．2 2 l 4 ．1 l 9． 6 4 5 ． 9 9 3 0 ． 5 0 1 9 ． 1 9 2 5 ． 9 8 1 3 ． 0 7 8 ． 2 4 9 ． 7 4 剪切常 数 。 3 8 ． 8 0 4 0 ． 7 3 3 9 ． 6 2 3 2 ． 4 8 3 5 ． 4 9 4 7 ． 0 4 4 1 ． 07 3 9 ． 1 1 2 7 ． 3 3 24． 9 3 4 1 ． 2 1 L 隙度 ％ 6 ． 2 7 5 ． 4 5 2 ． 5 9 4 ． 9 5 1 0 ． 3 4 吸水率 ％ 1 ． 1 3 0 ． 1 4 1 ． 6 2 1 ． 6 2 4 ． 0 3 m ／s 5 0 2 0 5 2 5 0 4 7 8 0 3 3 2 0 3 7 2 0 2 8 7 0 点荷 载 f 8 - 9 0 3 7 0 2 - 5 4 0 - 8 9 0 5 2 9 6 注 剪切 常数 一栏 中括 号 中数值 系根 据三 维应 力状态 获得 。 维普资讯 有 色 金属 矿山部分 第5 6 卷 0 4 00 8 00 l 2 00 l 60 0 xl 0 图 1 闪长岩 、 大理岩 、 灰岩 应力 一应变 曲线 0 0 20 0 40 0 6 00 x1 0 图 2 矽卡岩应 力 一应变 曲线 曲线 2采空区稳定性 三维有 限元数值 分析 目前 开采 范 围 内已经形 成大 大小 小 4 0多个采 空区 ， 采空区水平面积约 2万多 m 。单个采空区最 大面积 约为 2 9 0 0 m 。 为了确 定采矿生产对地 表移动是否有影 响及影 响程度 ， 必须对地下采 空区 的稳定性进 行分析 。 采 空区的稳定性是 由工 程因素和地质 因素决定 的。工程 因素是指采空 区的形状 、 大小和埋深等 ； 地 质 因素是指采 空区 的地 质环境 ， 即影 响采 空 区稳定 性 的主要地层 和地下水赋存状 况 。采用 了国内外通 用 的三维有 限元软件分析采 空区稳定性 和地 表移动 机理 。并将采 空区大体分 为 3大空区群 。 1 第 一空 区群 。即 1 ～3 1 采 空 区群 ， 该采空 区群位 于 矿 区 的北 部 ， 水 平 暴 露 面 积 约 1 5 0 0 0 m 。 经计算分析 ， 破坏 域 面 积超 过 采 空 区面 积 的 8 0 ％ ， 且影响厚度较大。由此可见 ， 虽然该部分采空区上 方石灰岩厚 大 ， 但 由于空区群总体 面积太大 ， 导致空 区顶板不稳 ， 并影 响周 边空 区稳定性 。 2 第 二 空 区群 。即 3 2 ～3 7 采 空 区群 ， 该 采 空区群 位 于矿 区 的南 部 ， 水 平 暴 露 面 积约 8 0 0 m 。 该采空 区群 的顶 板 最 大 主应力 降低 幅度 为 2 0 ％ ～ 3 5 ％ ， 无拉应 力出现 ， 空区直接顶板 有半数 出现较 薄 的破坏域 ， 空 区间顶板 也 出现破坏 。在该 空区 附近 ， 有两条灰岩溶 沟 ， 呈 “ T ” 字 交叉状 分 布。 由此 可见 ， 虽然该采空区群内单个采空区暴露面积并未达到暴 露极 限， 但 由于局部岩 溶发育 ， 采空区 的存在 引起 了 岩层 内次生应 力重新 分布 ， 加 上 采空 区互 相叠 加 的 影响 ， 导致 了破坏域 的扩大 。 3 第 三空 区群 。即 3 8 采空 区， 该空 区位于矿 区 的东南部 ， 水平暴露 面积约 5 3 0 m 。在 3 8 采空 区 直接顶板 的灰岩 内， 出现 了应力降低 区 ， 其顶板有局 部破坏 。由于灰 岩较坚硬 、 脆 性大 、 节理裂 隙和岩溶 发育 ， 加 上最大主应 力 降低 ， 无 拉应 力 出现 ， 破 坏域 很小 ， 可以认定该采 空 区暴露 面 积超 出暴 露面 积 的 极限 ， 破坏方式为脆性破 坏。 3 民房开裂的力学机理分析 3 ． 1 岩 土层的作用 云驾岭村 房屋直 接建 造在 黄 土层 上 ， 且黄 土层 内分布着极不 均匀 的膨胀土 ， 膨胀土一般 干时坚硬 ， 遇水膨胀软化 ， 自然条 件 下呈 坚硬 塑性 状 态。建 于 未经处理 的膨胀 土上 的建筑物 群 ， 经 常成 群破坏 。 砾石层 广 泛 分 布 于 黄土 层 下 ， 胶 接 物 为 粘 土 。 砾石层的强度只能以粘土强度衡量， 远低于一般岩 层 ， 且 受粒度不 同的卵石影响 。 灰 岩 是 成 矿 的 有 利 围 岩 ， 其 厚 度 约 为 4 3～ 2 2 0 m， 厚大 的灰岩 构 成 了整 个 铁 矿床 的上 盘顶 板 ， 并对其上的砾石层起支承作用。据调查， 该灰岩顶 部卡斯特溶洞 较发育 ， 小者呈蜂窝状 ， 大者 超过 1 m。 岩溶是一种不 良的地 质构 造 ， 它 对建 筑 物 的危 害 远 大于岩体 中的裂隙 ， 在局部范 围内 ， 其分布 和生成 是 变化无常 的 ， 在此岩层 上建筑房屋 ， 不可避免 要遇到 许多特殊 的 、 不 良的工程稳定性 问题 。因此 ， 灰岩层 决定 了采空 区的稳 定性 ， 并 对地 表移 动 和 民房开 裂 起着至关重要的作用。 闪长岩位于磁铁矿床底部， 且 自身属坚硬、 完整 岩体 ， 对采空 区 、 地 表移动 和 民房开裂不产 生影响 。 3 ． 2地下水的作用 黄土层 内的膨胀土 干时收缩 ， 遇水膨胀 ， 砾石层 岩性松软 、 透水性 很 强 ， 当下 方 存在 垮落 空 间时 ， 导 致地下水 流动 ， 并 引起地表下沉 。所 以 ， 地下水将成 为地表不均匀沉降的诱因。 3 ． 3采空 区的作用 当独 立空 区暴 露面积超过其暴 露极限时 ， 空区 下转第 3 5页 维普资讯 第 2期 张顺堂等 近海岩金矿 山井下废水综合利用研究 3 5 2 ． 4将硫化物用做 硫酸的制备原 料 1 9 8 6年 以来 ， 焦 家金矿投 资建 成 了硫 精矿 周转 处理场 地 ， 防止酸 水 的形成 和外 泻 。并且积 极联 系 市场 ， 将硫精 矿销 售给 硫酸 厂 。此 举 不仅 大大 提高 了硫资源的利用率 ， 也从根本上治理 了硫化物对环 境 的污染 。 3 结 论 近海岩 金矿山 的废水 若 处理 不 当 ， 就 会给 周 围 的生态环境造 成严 重后果 。焦 家金矿投 巨资建起 了 废水 回收处 理和循 环 利用 设施 ， 收 到 了显 著 的社会 效益和经济效 益。废水 的循 环利 用不仅可杜绝废水 外排污染环境， 而且可节约大量的宝贵水资源， 有效 地缓解 了整个 矿区 的供水 矛 盾 ； 另外 还 可 回收废水 。 ‘产 、 产 、 、 、 ． ， 、 中有 用物质 。在 目前 水资源 日趋 紧张和水污染 日益 加 重的情况 下 ， 矿 山废 水 的 重 复利 用 ， 日益受 到重 视 。 参 考文 献 1 陶 于祥 ．浅析金 属矿 山 开采对 岩 土 生态 环 境 的影 响 ．火 山地 质 与矿 产 ， 1 9 9 9， 3 2 梁永顺， 索文德．铜镍矿资源综合利用和矿山生态环境建设 ．有 色 金 属 ， 2 0 0 2， 5 3 S ha w S C． Gr o a t L A． J a mb o r J L A Mi n e r a l o g i c a l s t u d y o f b a s e me t al t a i l i n g s wi t h v a r i o us s u e d e c o n t e n t s ． O】 【 i d i z e d i n l a b o r a t o r y Co l u mn s a n d f i e l d l y s i me t e r s ， E n v i ron ． G e o l ， 1 9 9 8， 3 3 2 ／ 3 4 Fr e e ma n GB．J h o ri son J D． Ki l l i n g e r J M． e t al， Re l a t i v e b i o a v a i l ab i l i t y o f l e a d f r o m mi n i n g was t e s o i l i n r a t s ， Fu n d a m Ap p l To s i c o l ， 1 9 92 ． 1 9 口 上接第 2 O页 顶板将发 生不 同程 度 的破坏 和 冒落 。当其 破坏 和 冒 落的规模影响到顶板岩层 的整体稳定性并波及到地 表 时 ， 就会 出现地 表移 动和 不均 匀沉 降 ， 甚 至在 地表 出现不同规模的塌陷坑 ， 威胁地表建筑物的安全。 空区群的整体稳定性 ， 既存在单个采空区自身的 独立稳定 问题 ， 又与 空 区 群 内的 各 个采 空 区相 互依 存 ， 它们之 间的互相影 响是复 杂的 、 非线性 的。 同时 ， 空区群 的稳定性还受 空 区间矿柱影 响 。 3 8 采 空区是 与 民房距 离 最 近 的采 空 区， 与其 它 采空区群距离超过 6 0 m， 属独立采 空区。经三维有 限 元计算分 析发 现 ， 该 采 空 区顶 板 局 部 发现 少 量 破 坏 域， 说明采空区暴露面积 刚刚超过顶板暴露极限值。 加之该采空 区附近岩溶发育 ， 故此独立 空区将发生局 部冒落 ， 短时间内不至于引起灰岩整体失稳 ， 但其顶 板中从上至下将可能出现沉降带 、 裂隙带和冒落带。 3 2 一 3 7 采空区群 ， 从三维有 限元计算分析结果 看 ， 此采空区群顶板有少量破坏 ， 由于岩溶发育 ， 灰岩 有少量破坏 。该采空 区 的影 响范 围为采 空 区轴 线长 度 约 7 0 m 的 1～2倍 ， 其 顶 板 的 三 带 范 围将 大于 3 8 采空 区。 1 ～ 3 1 采 空 区群 是最 大 的 空 区群 ， 由于 该 采空 区群暴露面积远远超过顶板允许暴露极限， 且分布范 围广、 互相连通 ， 对灰岩层整体稳定性构成很大威胁 ， 是 引起 地表移动 和不均 匀沉 降并 导致 民房开 裂 的主 要因素。该采空区群影响范围广 ， 覆盖了 3 8 采空区 和 3 2 ～3 7 采 空 区 群 ， 将 加剧 后 两 者 空 区稳 定 的 破 坏 。 4 结 语 通过对岩土层 、 地下水和采空区进行危害机理分 析 ， 得 出区域地下水位下 降 、 地下灰 岩岩溶发育 、 膨胀 土等诸多不利地质因素和采矿生产起引起了地表移 动和 民房开裂 。不合理 开采 形成 的相连 采空 区水 平 暴露面积过 大 ， 是影 响地表移动和 民房 开裂 的主要原 因 。 为了得 出更加准确量化 的结果 ， 建议对 地表移 动 和 民房 开裂进 行长期有效监 测 ， 并对岩 溶地 区 由于地 下水位下降引起的各种现象进行进一步研究 ， 尤其对 地下采空区的规模和垮落高度应该进行详细勘察， 并 对采 空区发展变化情况进行 监测和监管 ， 防止发生安 全事故 。 参 考 文 献 l 水利水 电科学研究院， 等编．岩石力学参数手册 ．北京 水利电力 出版社 ， 1 9 9 1 2 辛洪波 ．玉石洼铁矿岩体稳定性分级及其掘进 、 支护的研究 ．有 色 矿冶 ， 1 9 9 0 ， 1 0 7～ O 8 3 布 雷迪 ．地 下 采矿 岩石力 学 ．北京 煤炭 工业 出版社 ， 1 9 9 0 4 高 大钊 ．岩土 工程 标 准规 范 实施 手册 ．北 京 中国建 筑 工业 出版 社 ， 1 9 9 7 5 中华人民共和国建设部， 国家技术监督局联合发布 ． G B 5 0 2 1 8 9 4 工程岩体分级标准 U 维普资讯