金属矿山采空区地表岩移的特征及影响

【摘 要】本文详细阐述了金属矿山采空区地表岩移的特征，并对采空区地表岩移对建筑物的影响做了说明，最后提出了减少采空区地表岩移对建筑影响的技术措施。

【关键词】金属矿山；采空区；地表岩移；变形；建筑

一、前言

近年来，由于矿产资源的过度开采，在很多地区留下了大量没有处理的采空区，一定程度上给矿山安全生产留下隐患，而空区引起的覆岩塌陷及地表移动往往给附近居民造成灾难性后果。研究金属矿山采空区对地表建筑物的影响评价方法是十分必要的，以便保护矿区及其附近居民生命财产和建筑物的安全。

二、金属矿山采空区地表变形的基本特征

（一）地表变形与破坏机理

采空区上覆岩层的变形与破坏的发生、发生及其最终状态，主要取决于上覆岩层的岩性、组合结构形式、开采方法及受采动影响后采场―围岩的平衡结构状态。前人研究表明有以下几种平衡结构状态：

1、悬臂梁―矸石支撑结构；

2、自然拱或砌体拱―无支撑结构；

3、板―煤柱支撑或无支撑结构；

4、板、拱组合―无支撑或煤柱支撑结构。

经验表明，受采动影响后采场―围岩的平衡结构状态不同。采空区上覆岩层与地表变形及破坏形式也不相同。对于悬臂梁―矸石支撑结构状态，由于其覆岩全部为易冒落岩层，覆岩的破坏形式具有明显的三带型特征，地表发生连续变形；当煤层上方一定高度分布有极坚硬岩层，采场―围岩平衡结构为自然拱或砌体拱―无支撑型，则覆岩的破坏形式为拱冒型，地表亦为连续表形；若煤层上方为极坚硬岩层覆盖，覆岩的破坏形式表现为弯曲变形；覆岩全部为极坚硬岩层时，其破坏形式为脆性破裂―切冒型的突然塌陷；还有一种形式的抽冒型即覆岩为极软弱岩层或土层，地表变形表现为突然塌陷。

（二）采空区上覆岩体变形的分带性

采空区顶板冒落引起上覆岩层的变形通常具有明显的分带性（如下图）：

1、冒落带

采空顶板岩层因围岩挤压产生弯曲拉裂而碎裂塌落的区域。冒落岩石破碎后，总体积增大并逐渐填充采空区空间。

2、断裂带

位于冒落带之上，由于下部脱空并受到洞室两侧围岩压力作用，岩层向下弯曲出现拉张裂隙。

3、弯曲带

位于断裂带以上，直至地表。带内岩层因支撑力降低而产生弯曲变形。在地表最终形成碟形沉陷洼地，其边缘由张性裂隙所组成。

三、金属矿山采空区地表岩移的主要因素

（一）影响冒落带和裂隙带的主要因素

1、有效采高

采高越大，覆岩破坏的高度也越大。当采用分层法采矿时，分层越多，冒落带、裂隙带的高度增长越小。

2、顶板管理

采用崩落法对覆岩的破坏最大；采用充填法一般只出现开裂而不冒落，即使出现冒落，其高度也很小。

3、岩性

覆岩为坚硬、脆性时，覆岩破坏高度大； 覆岩为软岩、可塑性好时，覆岩破坏高度小。

（二）影响空区围岩移动的主要因素

1、岩石性质

特别是物理力学性质是影响空区稳定性和岩移过程的主要因素之一，岩石性质的特殊性和复杂性是岩体移动问题复杂化的主要原因。

2、矿体倾角

不同倾角矿体的空区对地表影响不同。采空区容积相同条件下，在单位面积上，急倾斜空区比缓倾斜空区对地表影响区内起到更为集中的破坏作用容易成柱塞式垂直剪断破坏。当松散体压缩率相同时，较大的急倾斜矿体采空区不易保持稳定，松散体易随开采下降而不断向下移动或垮落，是造成地表不断沉降的原因之一。

3、开采深度、空区规模及存在时间

多数急倾斜薄矿体群处于山区地形并露出地表。开采空区引起地表岩移随开采深度及脉群密集而有不同特征。脉群稀疏，脉距大于20～30m，采深较浅且有一定数量矿柱支承空区时，由开采引起的岩体移动涉及地表塌陷现象较少； 脉群密集，采深增大，能引起大规模岩体移动并使地表破坏。

四、金属矿山采空区地表岩移的影响

（一）金属矿山采空区地表岩移对建筑物的影响

1、地表均匀下沉引起的建筑物的损坏

在地表均匀下沉时，建筑物只是产生位置的变化，即建筑物只产生整体下沉，一般不会在建筑物内部产生附加应力，不会对建筑物造成损坏。但是当地表下沉量较大，而地下水位又很低时，会使浅水位上升，形成大面积水坑，在此建筑物周围长期积水，这样不仅影响建筑物使用，而且使其浸泡在水中，降低了地基强度，严重时可使建筑物倒塌。

2、地表倾斜引起的建筑物的损坏

地表倾斜以后，会引起建筑物的倾斜，使得建筑物的中心发生偏离，从而产生附加倾覆力矩，承重结构内部产生附加应力基底反力重新分配。对于底面积小、高度又很大的建筑物来讲地表倾斜很容易造成其破坏。

3、地表水平变形引起的建筑物损坏

地表的水平拉伸变形，使得建筑物结构内部产生拉应力。由于建筑物抵抗拉伸的能力远小于其抵抗压缩的能力，所以在较小的地表拉伸作用下，建筑物就会产生裂缝，特别是门窗洞口等薄弱部位最容易产生裂缝，导致建筑物的损坏。

4、地表曲率变形引起的建筑物损坏

地表的曲率变形会使地表由原来的平面状态变成曲面状态，使建筑物荷载与基础底面反力之间的初始平衡状态遭到破坏。地表曲率分为地表正曲率和地表负曲率，在地表正曲率影响下，建筑物基础两端出现瞬时的局部悬空。在地表负曲率作用下，建筑物基础中部出现瞬时的局部悬空。

（二）减小金属矿山采空区地表岩移影响的技术措施

1、防止地表突然下沉的措施

地表突然下沉一般是由于采用不恰当的采矿方法和开采浅部矿层或开采急倾斜厚矿层时发生。防止地表突然下沉宜采用下列有效的开采技术措施：

（1）开采浅部缓倾斜、倾斜的厚矿层时，应尽量采用倾斜分层采矿方法，并且适当减小第一、二分层的开采厚度。

（2）开采急倾斜矿层时，应尽量采用分层间歇采矿方法，并要求顶板一次暴露面积不能过大。分层开采的间隔时间应在3～4个月以上。

（3）顶板岩层坚硬不易冒落时，应采用人工放顶。

（4）调查小窑采空区、废巷和岩溶等地质开采资料，防止因疏干老窑积水及疏降岩溶含水层水位时造成地表突然坍陷。

2、减小地表下沉的措施

减小地表下沉量，是减小开采对建筑物损害的一个重要途径，但当采用充填采矿法、部分开采法、分层开采法、全部垮落法、冒落条带开采法等开采措施来减小地表下沉时，需在经济和技术方案上进行综合分析和比较。

3、减小地表变形的措施

（1）合理布置工作面位置

合理选择与布置工作面的位置是对地面保护对象进行保护的有效措施之一。

①在被保护对象下方应尽量不出现开采边界；有条件时，可在开采边界附近布置充填法开采；在断层两侧的开采边界，应上下对齐。

②采用长工作面开采或采用几个工作面连成一个台阶状的长工作面向一个方向同时推进。

③在矿层群或厚矿层分层开采时，不使开采边界重叠。

④由保护对象中间向两侧背向回采。

（2）协调开采

协调开采就是在几个矿层或厚矿层分层开采时，在走向或倾斜方向上合理布置开采工作面，使一个开采工作面所产生的地表变形与另一个开采工作面所产生的地表变形相互抵消一部分，从而减少对建筑物的有害影响。

（3）提高工作面回采速度

工作面回采推进速度不同，所引起的地表变形量也不同。提高工作面回采速度后，一般将使地表下沉速度增大，地表动态变形有所减少。

参考文献：

[1]付士根，李全明，王云海，许开立.采空区对地表建筑物的影响评价方法研究[J].中国安全科学学报，2007.8.

[2]郭高川.采空区残余地表移动变形对建筑物影响的探讨[J].煤炭工程，2008.5.