| 青羊峡铅锌矿采空区稳定性研究
侯娜，姚富春
(中国建材地勘中心甘肃总队，甘肃 天水 741000)
摘要：随着我国国民经济的快速发展，对自然资源的需求越来越大，铅锌矿资源的不断开采，遗留下的近地表采空区对地表基本农田构成了严重危害，同时对下部矿产的开采带来了安全隐患，合理且有效的治理采空区，防止地表塌陷同时保护下部矿产安全开采具有重要的现实意义。因此，研究采空区的稳定性以及安全治理措施是当务之急。
关键词：青羊峡;铅锌矿采空区;稳定性;地面塌陷
Research on stability of goaf in Qingyangxia Lead-Zinc Mine
Abstract: With the rapid development of our national economy, the demand for natural resources is increasing.The continuous exploitation of lead-zinc ore resources and the remaining near-surface mined-out areas have seriously harmed the basic farmland on the surface.At the same time, it brings safety hazards to the mining of lower minerals. It is of great practical significance to manage the mined-out area rationally and effectively, prevent surface collapse and protect the safe mining of lower minerals.Therefore, studying the stability of the mined-out area and safety management measures is a top priority.
Key words: Qingyangxia;lead-zinc mine goaf; stability;ground subsidence
1.交通与位置
青羊峡铅锌矿位于甘肃省西和县距城南20Km。地理坐标为：东经 105°19′00″～105°22′00″，北纬 33°51′00″～33°53′00″ ，行政区划隶属于西和县十里乡管辖。
矿区位于西和县城东南约20Km，有乡级公路连通，新建十天高速公路从西和县城西侧通过，交通条件大大改善。矿区距陇海铁路天水车站约121km，有国家三级公路相连，交通便利。
2.地质特征
页水河矿床东起页水河西至滴水沟，东西长约5km，呈北西西向展布。矿体密集地段在本矿区范围东段。矿区内出露地层主要为中泥盆统红岭山组(Dhl)和部分上泥盆双狼沟组(Dsl)的一套以碳酸盐为主夹千枚岩、板岩地层沟谷中见第四系冲积物。矿区中褶皱构造十分发育，处于页水河向斜与页水河南野鸡沟背斜之间的次级复式褶皱。
区域上页水河向斜位于矿区北部，呈北西西向分布，轴部由双狼沟组(Dsl)的钙质绢云千枚岩等组成，两翼由红岭山组(DhL)组成。走向延长达16Km，向东倾伏，西部扬起。局部北翼地层也倾向北形成倒转向斜。
野鸡沟背斜与页水河向斜近于平行，呈东西向展布，轴部由红岭山组(DhL)组成，两翼由双狼沟组(Dsl)组成。在西部轴部由黄家沟组(Dh)构成。
矿区中处于上述背斜北翼，向斜南翼，因此地层基本上向北陡倾。但在其间次级褶皱十分发育，多呈紧闭，有的呈倒转的复式褶皱，走向与上述背、向斜轴向近于相同，呈北西西向，呈紧闭，有的呈倒转褶皱。
3.采矿区调查研究
3.1矿区的矿产资源赋存情况
青羊峡铅锌矿采矿权东西长1680m、南北宽约400m，共探明大小矿体30多个，其中以1、4、12号矿体规模较大，其余矿体多为单工程或单剖面见矿的小矿体，以红岭山组第四岩段(DhL4)为界，其下为12号矿体，其上为1号、4号矿体。矿区以16线(南家沟)为界分为东、西两段，矿体互不相连，但含矿层位相对应，1、4号矿体实际为同一矿体，在西矿段称为1号矿体，东矿段为4号矿体，根据资源储量核实报告，目前1号矿体及西矿段矿体已采完，东矿段1669m水平以上的4、12号矿体也多已采空，主要保有资源量多位于1669m水平以下。
3.2 采场洞口废渣的分布状况
根据现场调查和实地测量，青羊峡铅锌矿在以往开采过程中共形成了4处较大的矿石及弃碴堆场，堆场集中分布在16线附近南沟沟谷中，部分堆场由于形成时间长渐呈现较稳固态，绝大多数均为随意沿沟堆放，形成较陡峭的坡体坡角，各堆场分布位置及外形特征见下表1。
表1 弃碴堆、矿石堆统计表
| 编号 |
名称 |
纬度N |
经度E |
外形特征
（长×宽×厚） |
体积
（m³） |
| 1 |
矿石堆 |
33°51′45.01″ |
105°20′31.57″ |
50×15×10 |
7500 |
| 2 |
矿石堆 |
33°51′41.85″ |
105°20′30.41″ |
20×12×10 |
2400 |
| 3 |
弃碴堆 |
33°51′40.93″ |
105°20′29.34″ |
60×7×5 |
2100 |
| 4 |
矿石堆 |
33°51′42.91″ |
105°20′28.02″ |
30×15×5 |
2250 |
3.3 采空区的范围及分布形态
3.3.1 采空区平面分布范围
区内采空区已采矿体以12号矿体为主，该矿体在矿区西段呈向斜形态出现，向斜在15线较为宽缓，南翼矿体向北，倾角交陡，多在70°左右，北翼倾向南，倾角缓，仅25°-28°，标高在1740m左右，而在0线向斜紧闭，向斜南翼倾向北，倾角70-75°，向斜北翼似向南倾角80°以上，有时甚至倾向北，倾角70-75°，形成倒转向斜。
从总体分布来看，西和青羊矿业有限责任公司上报的50处矿房分布于23-80线之间，根据区内矿体分布及矿山开采情况，将采空区分布以南沟(16线)分为东坡、西坡两个采区。其中西坡采空区主要分布在23-0线1780-1685m标高之间，长约346m，宽约5～91m，面积约0.0175km2;东坡采空区主要分布在24-80线1736-1570m标高之间，长约725m，宽约9～85m，面积约0.0340km2。
3.3.2 采空区剖面形态特征
从立面图分布来看，青羊峡矿山采空区分布可以划分为东西两处采空区来进行说明：
西采区采空区平面分布范围主要在23-0线，开采中段主要有1780、1740、1700、1685中段，根据各采矿中段采空区分布情况来看：1780m中段以上形成矿房有5个，编号为1780C01-1780C05，形成时间为1996年;1740m-1780m中段之间形成的矿房有4个，编号为1740C01-1740C04，形成时间为1995年;1700m-1740m中段之间形成的矿房有4个，编号为1700C01-1700C04，形成时间为1995年;1685m-1700m中段之间形成的矿房有2个，编号1685C01、1685C02，形成时间为1996年。
东采区采空区平面分布范围主要在24-80线，开采中段主要有1710、1669、1643、1610、1570中段，根据各采矿中段采空区的矿房分布情况来看：1735m-1710m标高之间形成的矿房有6个，编号为1710C01-1710C06，形成时间为2003年;1710m-1669m标高之间形成的矿房有14个，编号1669C01-1669C14，形成之间2002-2010年，该中段矿房较密集，连贯性较好，连续长度在350m左右;1669m-1643m标高之间形成的矿房有5个，编号为1643C01-1643C05，形成时间2003-2010年;1643m-1610m标高之间形成的矿房有6个，编号为1610C01-1610CO6，形成时间为2009-2010年;1610m-1570m标高之间形成矿房有4个，分布比较集中，各矿房连续贯通较好，编号为1570C01-1570C04，形成时间为2007-2008年。
4. 采空区稳定性评价
4.1.1 定性评价
本次采空区调查，在考虑西和青羊矿业有限责任公司青羊峡铅锌矿矿区登记范围、采矿影响范围及选矿厂、尾矿库的分布和影响，确定评估区范围1.176km2。
本次调查在评估区范围内企业上报的50个矿房，调查未发现地表塌陷区。根据西和青羊矿业有限责任公司上报采空区情况，将上报矿房进行投影，采空区地表投影分为2处，均呈东西向条带状分布，其中西坡采空区主要分布在23-0线1780-1685m标高之间，长约346m，宽约5～91m，面积约0.0175km2;东坡采空区主要分布在24-80线1736-1570m标高之间，长约725m，宽约9～85m，面积约0.0340km2。东西长约343～725m，南北宽18～93m，圈定采空区地表投影面积约为0.052km2。
本次调查工作对区内坑道采空区进行调查过程中，采空区围岩岩性为千枚岩、灰岩上盘为灰岩、下盘为千枚岩，采空区未见塌陷，但局部见冒落、片帮现象。局部地段片理、节理裂隙较发育，破坏了岩体的完整性。构成的可移动块体较少，体积也较小，因此，局部围岩虽有冒落、片帮发生的可能，总体上还是较稳定的。但在重要区域垂直节理面方向上未见锚杆支护、注浆、充填等处理措施，围岩有向空区移动的可能，存在一定的安全隐患。
本次采用开采条件判别法对采空区稳定性进行初步评价，根据《煤矿采空区岩土工程勘察规范》(GB51044-2014)中的相关规定，采空区的稳定性等级以采空区终采时间为主要因素，结合地表移动变形特征、顶板岩性等因素，按表2和表3进行综合判别。
表2 按终采时间确定采空区场地稳定性等级
| 稳定性等级 |
不稳定 |
基本稳定 |
稳定 |
| 采空区终采时间t（d） |
t＜0.8T或t≤365 |
0.8T≤t≤1.2T且t＞365 |
t＞1.2T且t＞730 |
注：T为地表移动延续时间，当无实测资料时，地表移动的延续时间T可按下列公式确定：
当H0 ≤400m时，T=2.5H0;
当H0 >400m时，T=1000exp[1-(400/H0)];
H0为开采平均深度。
表3 按变形特征确定采空区场地稳定性等级
评价因子
稳定等级 |
不稳定 |
基本稳定 |
稳定 |
| 地表变形特征 |
非连续变形 |
连续变形 |
连续变形 |
| 抽冒型或切冒型 |
盆地边缘区 |
盆地中间区 |
| 地面有塌陷坑、台阶 |
地面倾斜、有地裂缝 |
地面无地裂缝、台阶、塌陷坑 |
根据青羊峡铅锌矿提供的资料，该矿区上报的采空区平均采深为166m，计算得出T=415d，采空区终采时间均在5年以上，根据表4-1，按终采时间确定采空区场地稳定性等级判定这2处采空区均为稳定。
此次采空区地表调查发现，采空区地表连续变形，且多数处于地表移动盆地中间区，地面有倾斜，根据表4-2，按变形特征确定采空区场地稳定性等级判定这2处采空区均为基本稳定。
根据“就高不就低”的原则，对于采空区的定性评价判定均为基本稳定。
4.1.2 定量评价(类比)
根据西和青羊矿业公司青羊峡铅锌矿矿体呈陡倾斜产出，厚度薄，矿体及上盘围岩较稳固、下盘围岩稳固性稍差以及地表允许陷落等特点，矿山开采使用空场型采矿法中的浅孔留矿法，开采顺序为自下而上分层回采矿房，使用浅孔崩落矿石方法回收。
青羊峡铅锌矿采矿权东西长1680m、南北宽约400m的范围内，共探明有大小矿体30多个，其中以1、4、12号矿体规模较大，其余矿体多为单工程或单剖面见矿的小矿体，以红岭山组第四岩段(DhL4)为界，其下为12号矿体，其上为1号、4号矿体。矿区以16线(南家沟)为界分为东、西两段，矿体互不相连，但含矿层位相互对应。
12号主矿体在西矿段呈不连续的串珠状、囊状产出;矿体倾向北，倾角65-80°;矿体控制长765m，厚0.61—6.13m，平均3.10m，厚度变化系数仅34.4%，属于厚度变化均匀类型。
1号矿体位于西矿段，矿体多呈向斜形态分支出现，分别成为1-1、1-2、1-3、13、14、15、16、17、18等矿体。向斜在15线较为宽缓，南翼矿体倾向北，倾角较陡，多在70°左右。北翼倾向南，倾角缓，仅25-28°，赋存标高在1740m左右。在0线向斜紧闭，南翼倾向北，倾角70-75°，北翼似向南倾，倾角80°以上，有时甚至倾向北，形成倒转向斜。向斜轴倾向南，倾角陡，向斜向东倾伏。
4号矿体赋存于东矿段，为隐伏矿体，属向斜之南翼，相对稳定，仅在浅部出现有分叉现象，矿体走向长达650m。
依据矿体分布特征及上下盘围岩的力学性质和采用的采矿方法，拟定岩体的陷落角和移动角分别为：
上盘陷落角70°、移动角65°;
下盘：陷落角70°、移动角65°;
两翼：陷落角75°、移动角70°。
根据矿体特征及采空区分布特征，由公式Wmax =m·q·cosα计算地面塌陷最大下沉值。
Q ——充分采动下的下沉系数;本次计算取0.85;
m ——矿层法线厚度(m);本次计算取4m;
α ——矿层倾角;本次计算取65°;
Wmax——最大下沉值(mm);
根据上述公式Wmax=4000×0.85×cos65°，计算得出青羊峡铅锌矿的最大下沉值为1437mm。
2、引发地面塌陷移动盆地范围预测，根据移动盆地地面影响区半径预测计算公式：
r=H/tanΒ
H ——矿体开采深度，详见表4-8;
Β ——开采移动角，根据青羊峡铅锌矿所处的区域以及岩性，下盘移动角β=65°;上盘移动角γ=65°
根据各采空区分布状况，分别计算出各点上盘、下盘影响半径，以计算点为圆心，r为半径作圆，通过连接各圆外围切点圈定出地面塌陷移动盆地范围。具体计算点及计算结果见下表4。
表4 地面塌陷移动盆地影响半径对照表
| 点号 |
下界采深H1（m） |
下山影响半径r1（m） |
上界采深H2（m） |
上山影响半径r2（m） |
| D01 |
126 |
58.8 |
91 |
42.4 |
| D02 |
177 |
82.5 |
104 |
48.5 |
| D03 |
185 |
86.3 |
56 |
26.1 |
| D04 |
90 |
42.0 |
80 |
37.3 |
| D05 |
62 |
28.9 |
43 |
20.1 |
| D06 |
166 |
77.4 |
121 |
56.4 |
| D07 |
224 |
104.5 |
68 |
31.7 |
| D08 |
240 |
111.9 |
81 |
37.8 |
| D09 |
229 |
106.8 |
149 |
69.5 |
| D10 |
161 |
75.1 |
95 |
44.3 |
依据上述计算结果，预测地面沉陷范围是在井田受采动的影响范围向外扩大26.1～111.9m左右，圈定的两处地表陷落范围南北宽约80～230m，东西长约435～820m，面积约为0.21km2。
3、引发地面塌陷地表最大变形值预测
最大倾斜值：i0= Wmax/r=1437/26.1=55.06mm/m
最大曲率值：K0=1.52Wmax/r2=1.52×1437/26.12=3.21mm/m2
最大水平移动值：U0=b·Wmax=0.4×1437=574.8mm
最大水平变形值：ε0 =1.52·b·i0=1.52×0.4×55.06=33.48mm/m
(注：b——水平移动系数，一般取0.3～0.4，本次计算取0.4)
根据《煤矿采空区岩土工程勘察规范》(GB51044-2014)中12.2.4条的规定，按地表移动变形确定场地稳定性等级判定青羊峡铅锌矿上报的2处采空区均为不稳定状态。
根据“就高不就低”的原则，结合定性评价和定量评价结论，对青羊峡铅锌矿上报的2处采空区的稳定性进行综合判定，判定该2处采空区均为不稳定状态。
4.1.3 稳定性分区
本次采空区影响范围稳定性分区，按“就高不就低”的原则，将矿山采空区影响范围划分为矿山采空区影响范围不稳定区、基本稳定区和稳定区。
1.矿山采空区影响范围不稳定区
不稳定区主要为地表移动盆地影响范围，根据上、下盘移动半径作圆，然后连接各圆切点圈定地表移动盆地范围。最终圈定两处采空区影响范围不稳定区范围分别为：
西坡采空区影响范围不稳定区西起23线、东至7线，范围起止坐标东经105°20′04″～105°20′22″，北纬33°51′42″～33°51′49″;东西长约435m，南北宽约95～195m，面积约为0.065km2。
东坡采空区影响范围不稳定区西起32线、东至80线，范围起止坐标东经105°20′29″～105°21′01″，北纬33°51′36″～33°51′44″;东西长约820m，南北宽约80～230m，面积约为0.145km2。
2、矿山采空区影响范围基本稳定区
基本稳定区范围是在不稳定区域范围向外扩大100m圈定的，圈定的范围西起23线、东至80线，范围起止坐标东经105°20′02″～105°21′05″，北纬33°51′33″～33°51′52″;东西长约1590m，南北宽约220～402m，面积约为0.358km2。
3、矿山采空区影响范围稳定区
稳定区范围为除上述范围以外的评估区范围，范围起止坐标东经105°20′02″～105°21′16″，北纬33°51′27″～33°51′55″;东西长约1900m，南北宽约482～787m，面积约为0.608km2。
5. 防治措施建议
1、经过对矿区范围内的地面调查，明确了解了矿山地表的危险源。矿山地质环境监测的重点为矿山的工程地质条件，要密切监测矿山工程地质条件在矿山开采过程中的变化，对坡体滑落、不稳定斜坡、地面开裂、岩层错动、沟谷泥石流等现象的出现要及时预警。根据矿山各危险源分布情况在地表共布设10个监测点，对矿山的安全生产提供一个全面可靠的保障。
2、本次调查工作在区内发现1处滑坡H1，布设检测点J8，主要监测方法为人工监测，每月至少4次监测，雨季期间可随时增加监测次数，每次监测要有记录档案，当危险性提高时，及时进行治理。另外，在上述地质灾害点处必须设立安全警示牌，以示过往行人、车辆注意安全。
3、对矿山采空区进行定量分析，于地表划分出不稳定区，现分布于不稳定区内的所有建筑物都要进行搬迁，搬迁建筑物主要位于矿山开采区内南沟沟谷东侧，主要为临时住房及空压机房等。
4、在不稳定区外围5米处拉设警戒线，其中在人员居住集中的地方设立防护网，警戒线及防护网内不允许闲杂人等进入，并设有监测点东坡10个、西坡6个，需派出人员不定时进行巡查，在连续降雨时巡查密度加大。于不稳定区外围向外延伸100米作为基本稳定区，基本稳定区内不允许再修建建筑物，已有建筑物有搬迁条件的建议搬迁，没有搬迁条件的要时刻进行监测，一旦发现有裂缝等现象，要立即搬迁。
5、区内规划开采的56-96线1610m中段以下区域，主要为1610C01-1610C06矿房，需对上报的这6处矿房进行监测，监测频率为每月4～6次，一旦发现采空区有垮落迹象，需立即上报，由矿山领导通知停止矿山的一切开采活动，撤出硐内工作人员，待采取措施且由专家认可安全之后，方可继续进行开采。考虑到下部开采活动对采空区稳定性的影响因素，在进行下部矿体开采时尽量采取绕道巷道掘进，减轻垂直面上部荷载对下面支撑体的压力,开拓时避免与上部采空区垂直。
6、由于6#、8#废矿弃碴堆位于道路侧面，且6#弃碴堆时常有滚石现象，直接威胁到道路上的车辆和行人安全，建议在这两处弃碴堆前修筑拦碴墙，其中8#弃碴堆现在是一边堆放，一边拉运，故在修筑拦碴墙时，在弃碴堆前预留5米的车辆通道。
在5#弃碴堆下方为矿山居民建筑物，如果弃碴堆发生滑移，直接威胁矿山居民的生命财产安全，建议在此弃碴堆下方修筑拦碴墙，减少其对矿山居民生命财产的威胁。
7、由于1570C1-1570C4四处矿房位于下一步开采矿体的西侧，为了下一步的采矿安全，建议将这几处矿房进行回填。
参考文献
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