矿山地质环境中移动盆地范围划定方法研究

2016-09-22吴剑锋

西部探矿工程 2016年3期

关键词：积分法采动岩层

肖　億，吴剑锋

（1.南京大学地球科学与工程学院，江苏南京210093；2.江西省地矿局九○一地质大队，江西萍乡337000）

矿山地质环境中移动盆地范围划定方法研究

肖億*1，2，吴剑锋1

（1.南京大学地球科学与工程学院，江苏南京210093；2.江西省地矿局九○一地质大队，江西萍乡337000）

运用概率积分法计算岩层移动角，并以此定量评估移动盆地范围。研究成果对进一步提高矿山地质环境保护与恢复治理方案编制工作以及矿山地质环境保护等方面有重要指导意义。

矿山地质环境；定量评估；概率积分法；移动盆地

1　任务由来

矿山地质环境保护与治理恢复方案是依据矿产资源开发利用方案和采矿地质环境条件，分析预测采矿活动可能引发或加剧的地质环境问题及其危害，评估矿山建设和生产可能造成的矿山地质环境影响，提出矿山地质环境保护和治理恢复技术措施，并做出总体部署和安排。涉及的范围包括采矿登记范围和采矿活动可能影响到的范围。其中矿山地质环境影响的评估精度要求：一级评估以定量为主；二级评估为定量与定性结合；三级评估以定性为主。评估的因素是多方面的，主要是针对矿山地质灾害来评估和划分；其中危害性最大、造成地质环境影响范围最广、影响时效最久的是由矿山开采引起的地面塌陷、地裂缝形成的地表移动盆地。而目前移动盆地范围的划定是以矿山开采边界上岩层移动角的经验值来半定量划分（以图1为例）。

图1　以移动角经验值65°来划分移动盆地范围

评估过程中，对地表移动盆地的范围划定不甚合理，主要是以岩层移动角的经验值来划定，这种评估方法不甚合理，人为主观影响因素较大，往往容易造成评估结果的不确定性。而移动盆地不合理的范围划定，使得地表的建筑物和生产设施处于移动盆地范围内而产生变形破坏，不仅给矿山造成巨大的经济损失，而且对矿山的安全生产构成巨大的威胁。

矿山开采必然引起地表下沉，由于开采矿层引起的地表移动规律和预测理论一般不能直接用于地下矿床开采，也很难用某一种或几种方法准确地预测未来移动盆地的地表沉陷，甚至不可能。移动盆地岩层移动角的选取问题十分复杂，其数值的影响因素是多方面的，而各因素对地表移动盆地的影响程度又不尽相同。本文通过对实际工作中大量的矿山恢复治理方案的编制和分析总结，采用概率积分法计算出岩层走向移动角，划分矿山地表移动盆地范围，对决定煤矿地表移动盆地的岩层移动角的定量评估进行了探索研究。

2　以概率积分法来划定移动盆地范围

概率积分法是把在采动影响下的上覆岩层看作是随机介质流动的小单元，通过小单元之间的移动表达式来研究地表移动变形。概率积分法的岩层移动角计算公式中，反映煤矿地质条件所用的基本参数共有5个，即下沉系数q、主要影响角正切tanβ、拐点移动距s、水平移动系数b和开采影响传播角θ。正确确定上述参数，是提高地表移动和变形值预计精度的前提。

（1）下沉系数q。下沉系数q一般是反映充分采动条件下地表最大下沉值与采厚关系的一个度量。充分采动时，地表最大下沉值Wcm与矿层法线采厚M在铅垂方向投影长度的比值称下沉系数。

当下沉系数q为充分采动条件下的下沉系数时，下沉系数与综合评价系数有如下关系：

（2）主要影响角正切tanβ。地表的移动和变形主要集中在开采边界上方宽度为2r的范围内。连接主要影响范围边界点与开采边界的直线与水平线的夹角为主要影响角。

tanβ值随岩性、开采深度和倾角的综合关系式为：

式中：D——岩性影响系数，其数值与综合评价系数有关；

H——开采深度；

α——矿层倾角。

岩性综合评价系数P与系数D的对应关系见表1。

（3）开采影响传播角θ。在充分采动或者接近充分采动条件下，计算开采边界（考虑了拐点的移动距）与下沉曲线拐点的连线与水平线之间的在下山方向所夹的角称为开采影响传播角。

开采影响传播角θ与矿层倾角α有着密切的关系，其关系如下：

（4）拐点移动距。地表下沉盆地边缘区正曲率（拉伸变形）和负曲率（压缩变形）的转折点在地表的投影称为拐点。

表1　岩性综合评价系数P与系数D的对应关系

拐点移动距与岩性、回采区段尺寸、采深和邻区开采的影响有关。当回采区段尺寸达到充分采动时，它趋于定值，非充分采动条件下的值小于充分采动条件下的移动距。一般坚硬、中硬、软弱覆岩的拐点移动距分别为0.358H、0.177H和0.029H。

（5）水平移动系数b。水平移动系数是指充分采动时，最大水平移动值与最大下沉值之比。覆岩的岩性对b系数的影响很小，主要随矿体倾角的变化而变化。

式中：b0——开采倾斜矿体走向方向的水平移动参数；

bc--开采水平矿体充分采动的水平移动参数，bc= 0.3；

α——矿层倾角。

（6）走向方向影响半径r。根据下式确定走向影响半径r：

（7）移动边界X。考虑到测量误差，采用下沉50mm确定移动角。因此根据下式得到移动边界X：

（8）走向移动角β。走向平均有效长度Lx：矿体按中段可布矿块验证生产能力计算表，加权平均得到。

边界距离L∶L为矿体边界在地表的投影到移动边界的距离。

根据β=arctan（H/ L）求得β。最后以β作为岩层移动角划定采空移动盆地范围。

3　概率积分法的实例应用

以江西省萍乡市跃进煤矿移动盆地现状评估中的岩层移动角确定为例。

3.11线剖面采动移动角的确定

（1）下沉系数的确定。由于该矿区没有对岩石应力进行监测，依据《三下采煤规程》中萍乡市安源煤系矿山所获得的下沉系数的取值范围为0.4～0.7。跃进煤矿为走向长壁分层开采采煤法，全部垮落法管理顶板，回采工作面采用放炮落煤，单体液压支柱支护。综合考虑，确定下沉系数为0.6。

（2）综合影响系数p的确定。根据公式（2），p与下沉系数的关系式，其中，q=0.6，因此，p=0.3。

（3）主要影响角正切的确定。已知岩性系数是中硬，查表1得D=1.26；参照1线、可得开采深度H= 140m，矿层倾角α=30°；tgβ=（1.26+0.0032×140）（1-0.0038×30）=1.51。

（4）走向方向影响半径的确定。根据公式（6），其中，H=140，tgβ=1.51，r=93m。

（5）最大沉降量的确定。根据公式（1），其中q= 0.6，m=2.06m，α=30°，Wmax=q·m·cosα=1071（mm）。

（6）移动边界X的确定。考虑测量误差，采用下沉50mm确定移动角。根据公式（7），计算得到，0.0784= π/2-（X/r·0.4522），最终可得，X/r=3.3，因此X= 307m。

（7）走向移动角的确定。主要针对+235m中段采矿时所确定的移动角。

走向平均有效长度Lx；按照开发利用方案提供数据，加权平均得到，+235m走向的平均有效长度为：290m。

边界距离L；L为矿体边界在地表的投影到移动边界的距离。根据公式（8），L=162m。

根据β=arctan（H/L），其中H=140m，L=162，因此β=43.8°

所以1线剖面采动移动角取43.8°。1线剖面以43.8°移动角定量划定移动盆地范围见图2。

图2　1线剖面以43.8°移动角定量划定移动盆地范围

3.22线剖面采动移动角的确定

2线剖面中q=0.6，p=0.3，m=2.06m，α=30°，开采深度H=80m，走向的平均有效长度为：270m。用上述计算方法求得β=39.7°。2线剖面以39.7°移动角定量划定移动盆地范围见图3。

3.3采空移动盆地的确定

利用1线、2线剖面和现采空范围，估算未来矿区采空移动盆地范围面积约为741738m2。

4　结论与讨论

（1）矿山开采岩层移动角的定量评估方法多样，利用概率积分法对矿层开采引起的地表移动与变形的预计，是一种针对地表移动盆地稳定后的定量评估，尤其适用于矿山地质环境保护与恢复治理方案的移动盆地范围的确定。本文结合工程实际，运用概率积分法计算出煤矿开采的岩层移动角，使得采空移动盆地范围的划定更加精确。

（2）与传统的半定量分析方法相比，采用的概率积分法定量评估方法考虑的因素较为全面，由此获得的评估结果更加合理、切合实际，这对指导环境保护与恢复治理安全顺利实施、进一步提高矿山地质环境保护与恢复治理方案编制的工作质量以及矿山地质环境保护与恢复治理等方面有重要指导意义。

（3）采用概率积分法作为常用沉陷预计方法自有其优越性，但其不能表现地层内部的岩体的移动变形情况，对于地层复杂、深部开采等区域的预测精度不足。地表移动主要取决于井下开采以及上覆岩层的岩性，然而，影响上覆岩层的动态移动特性的因素是极为复杂的，尤其是地质构造复杂、开采深度较大的矿山，无论在理论定义还是在分析手段上都有待我们以后进一步探讨更加完善的范围划定方法。