矿山土地复垦方案中对开采塌陷区预测方法的探讨

矿山土地复垦方案中对开采塌陷区预测方法的探讨 矿山土地复垦方案中对开采塌陷区预测方 法的探讨 2010年27卷 ? 54? 贵州地质 GUIZHOUGEOLOGY Vo1.27No.1(ToL102)2010 第1期(总第102期) 矿山土地复垦方案中对开采塌陷区预测方法的探讨 冉启洋,杨洪 (1.贵州省国土资源勘测规划院,贵州贵阳550004;2.贵州省土地整理中心) [摘要]通过对土地复垦方案采用的几种方法的比较及分析,选择导水裂隙带最大高度与移 动角组合判别法的方法,圈定出矿山因开采易导致地表塌陷的区域,为矿山土地复垦方案中 主 要拟破坏土地的确定提供方便,实用的方法. [关键词]矿山;土地复垦;方案;塌陷区;预测 [中图分类号]×32,P694[文献标识码]A[文章编号]1000—5943(2010)01—0054—05 我省是矿产资源大省之一,破坏性采矿特别 是在采矿过程中进行的岩土体开挖,抽排地下水, 废石尾矿堆放等人为活动对矿山地质环境的损害 较为严重.据调查统计,全省已发现采空塌陷 106处,按规模计有104处为小型,按矿种计97 处为矿山,造成直接损失500万元.按贵州省国 土资源公报,20O7年度矿山破坏土地4450.48hm2, 其中尾矿压占1219.23hm2,露天采坑1581.7hm, 采矿塌陷449.37hm.并且,为保障西电东送建 设工程,全省有煤矿山1900多个,非煤矿山几千 个,大量的地下开采矿山采空也将形成一定的塌 陷区,从而导致农田,耕地毁损.《贵州省地质环 境管理条例》第十八条规定:”(二)整治破坏的土 地,使之达到种植,养植或者其他可供利用的状 态;(三)修整露天采矿场的边坡,断面并恢复植 被,消除安全隐患,使之与周围环境相协调”.为 促进矿业开发与维护和谐环境,有效保护耕地,合 理预测塌陷区是矿山土地复垦的前提条件之一. 在过去在复垦方案的编制过程中,通常使用的塌 陷区预测方法有3种,即概率积分法,导水裂隙带 最大高度法,地质灾害危险性大区比例折算法等, 不同的方法有不同的预测结果.基于如此现状, 本次通过对上述方法的系统分析及评述,选择一 种适用性强,能反映客观实际又能被使用都接受 的方法,为复垦方案的编制及评审提供科学的 依据.- 1土地复垦方案中采用的几种 方法评述 1.1概率积分法 概率积分法是以正态分布函数为影响函数, 用积分式表示地表移动盆地的方法.是我国地表 移动和变形计算的常用方法.半无限开采(即充 分采动)倾斜矿层(仪<15.)地表移动盆地主断面 的移动和变形值的概率积分法有专门的计算公 式;其他方法请参见《建筑物,水体,铁路及主要 井巷矿柱留设与压矿开采规程》. 该方法计算公式复杂,引用应具备相应的参 数,如果参数引用不当,则会产生较大的误差.该 方法适用于平原地区,山区地带由于受地形和地 质结构影响,其有效性尚需进一步核定. 1.2导水裂隙带最大高度法 是目前使用得最多的一种方法.其计算公式 如表1. 该方法预测的塌陷区通常是距地面几十米的 浅表部分.对于开采深度小,可采矿层少且较厚 的地区,有一定的适用性,但计算时M应该按综 合作用厚度取值,得出导水裂隙带最大高度后,需 再按移动角划出导水裂隙带的相邻影响带,以此 [收稿日期]20o9—08—17 [作者简介]冉启洋,女,从事国土资源勘测规划,综合研究等工作. 第1期冉启洋,杨洪:矿山土地复垦方案中对开采塌陷区预测方法的探讨?55? 鬟喜,硅质石英岩,砾岩,全部陷落H:100M/(2.4n+2.1)+11.2砂砾岩,砂质页岩等一’. 0—54中硬:砂质页岩,泥质砂岩,页岩全部陷落H=~00M/(3.3n+3.8)+5.1 婺器砂岩,粘土岩,全部陷落H:100~/(5.1+5.2)+5.1第四系和第三系松散层等一’……’ 耋,硅质石英岩,砾岩,全部陷落H:100M~(4.1+13.3)+8.4砂砾岩,砂质页岩等,…一 皇屈全部陷落H:100Mh/(7.5h+293)+7.3岩,风化岩石,第四系和第三系松散层等一’.’’ ?M一综合作用厚度(m);n一矿层分层层数;h一采矿工作面小阶段垂高(in). 备注?导水裂隙带最大高度,对于缓倾斜和倾斜矿层,系指从矿层顶面算起和法向高度;对于急倾斜 矿屡桑括从开采卜阳i}己的垂『占I高席 注:公式引自《矿区水文地质工程地质勘探规范》 综合确定塌陷区. 1.3地质灾害危险性大区比例折 算法 方法为以被评价该矿山的地质灾害危险性评 估结果中的危险性大区为基础,考虑到评估划定 的危险性大区通常较大,既包括了地表移动盆地 范围,也含有滑坡,崩塌,泥石流,地裂缝等地质灾 害发生的范围,因此按5%,20%不等的比例折 算为塌陷区. 问题在于采用了5%,20%不等的比例进行 折算,一是折算比例取值无依据可循.二是不知 折算后的塌陷区范围具体落位何处.中国建筑工 业出版社的《工程地质手册》(第四版)在”地表移 动和变形的预计”中,对方法的评述为:未经实测 充分验证的方法,在预计中不宜采用. 以上3种方法中,概率积分法公式太复杂,参 数较多,不具实用性,因此在建设工程地质灾害危 险性评估过程中均未采用,未被验证;导水裂隙带 最大高度法适用于开采深度小,可采矿层少且较 厚的地区,适用条件有限;引用地质灾害危险性大 区比例折算法无从确定塌陷区的具体位置.因此 3种方法均具有一定的局限性. 2地表移动盆地内土地影响程 度分析 移动盆地内不同部位土地受影响的的程度是 不一样的,这主要与采矿层的采厚,采深,采矿方 法和盆地积水等因素有关. 介于土地复垦的对象是指被破坏后难以利用 的土地,而地表移动盆地的外边缘地带变形以张 裂隙为主,裂隙宽通常几毫米至几厘米,且上宽下 窄,很容易填埋,对土地利用基本元影响;内边缘 地带主要产生压缩变形,地表通常形成斜坡,同样 对土地的利用影响不大;中间区下沉幅度大,地表 岩土体结构被破坏,且暴雨后易积水淹没,需复垦 后才能使土地恢复可利用状态. 3塌陷区预测的方案建议 通过以上比较分析,结合贵州矿业开发的实 际,提出如下两种方案. 3.1导水裂隙带最大高度与移动角 组合判别法 实际调查表明,矿山地下开采形成的地表塌 陷区通常多发生在矿层埋深几十米至百余米的地 表分布地带,导水裂隙带最大高度法是目前使用 较多的一种方法,依据表1的公式计算方便,得出 导水裂隙带最大高度后,需再按移动角划出导水 裂隙带的相邻影响带(即塌陷区旁侧的裂隙带), 以此综合确定塌陷区.同时考虑矿坑顶板岩石弯 曲带. 3.2安全采深与移动角组合判别法 以地质剖面图为基础,垂向上以安全采深为 下限,并结合移动角圈定出地表移动盆地的中间 ? 56?贵州地质2010年第27卷 区(即地表下沉值最大的区域),作为拟破坏的塌 陷区. 具体操作过程如下: (1)以矿产资源赋存分布图为基础,根据产 状选定图切矿层(体)的走向和倾向控制剖面 位置. (2)根据矿区实际情况,按附件1分别计算 出走向,上山及下山移动角. (3)在剖面图上,按移动角圈定出塌陷区投 影的平面位置,用安全采深控制垂向深度.方法 是在安全采深范围内,采用移动角从矿层内推至 地表投影的平面范围. (4)将各剖面投影后圈定的位置,投到预测图 上,扣除保护矿柱后,即得出预测的塌陷区范围. 3.3两种方案的合理性分析 用开采深度和开采厚度的比值来比较上述种 方案预测的结果.表2显示,安全采深与移动角 组合判别法预测的塌陷区内,除6剖面中部少部 分采采厚比大于30外,其余均小于3O,导水 裂隙带最大高度与移动角组合判别法预测的塌陷 区内,采采厚比均小于30. 两种方法的比值大体相近,且预测计算的顶 板稳定,临界高度与采采厚的接近,只是安全 采深与移动角组合判别法圈定的范围较大,近露 头线距风氧化带有一定的距离;导水裂隙带最大 高度与移动角组合判别法圈定的范围小些,且从 风氧化带开始. 表2两种方案预测的塌陷区采深采厚比值对比表 Table2Comparisonofdepthandthicknessratiointhecollapseareaoftwoplans 注:采深采厚比<30的,易产生塌陷;采深采厚比>30的,不易塌陷. 3.4相关参数计算及取值深度篙曩妻 3.4.1移动角的确定按覆岩性质区分,单矿层下层矿开采的影响超过上层矿开采时已经移动 的 移动角取值见上表.覆岩,则移动角在上表的基础上减小10.,15.. 表3按覆岩性质区分的地表移动参数表(a<50.) Table3Surfacemovingparametersaccordingtothecoveredlithlogy 覆岩类型覆岩性质移动角(.) 主要岩性8YB 注:贵州煤矿以P3为主,通常取中硬类型.盘江矿区的统计值:8=65.5.,=59.5.,p=67.5.;llfJ=54. 上表多数属中硬岩性,缓倾斜及倾斜矿层,中 等开采深度(<350m)条件.选用参数时,还应根 据本区特点进行综合分析,遇特殊性况应酌情 处理. 据《建筑物,水体,铁路及主要井巷煤柱留设 与压煤开采规程》第24条,在设计山区建(构)筑 物保护煤柱时,为防止采动滑坡和滑移的附加影 响,应采取下列措施:1.位于可能发生采动滑坡 和古滑坡地基上的或可能受采动引起陡崖峭壁崩 塌危害的建(构)筑物,应首先考虑采取搬迁措 施,否则应将可能发生采动滑坡的坡体(范围应 考虑扩大到滑坡的后缘外一定距离)划人受护范 围,或者采取防治采动滑坡的技术措施.2.为防 止山体采动滑移附加变形对受护建筑物的影响, 当保护煤柱受护边界至煤柱边界范围内地表平均 倾角大于15.时,应采用本矿区求得的山区移动 第1期冉启洋,杨洪:矿山土地复垦方案中对开采塌陷区预测方法的探讨?57? 角留设保护煤柱,如无本矿区实测资料而采用平 地移动角留以保护煤柱时,建筑物上坡方向移动 角应减小50,10.;下坡方向移动角一般应减小 2.,3.. 3.4.2安全深度 1)计算公式 在所有条件完全相同的情况下,地面建筑物 和主要井巷等的变形因采矿深度的加深而减小, 因而地面建筑物和主要井巷等可能发生一定限度 的变形但不致于损坏.当采用一定的采矿方法, 采矿顺序和在一定地质条件下时,应注意各种不 同级别的地面建筑物和主要井巷的深度标准.在 此深度以下进行采矿时,才不会使地面建筑物或 主要井巷等遭到坍塌或破坏,这个深度称为安全 深度.开采地表下单层矿时,计算公式为: H(安全深度,m)=m(矿层采高,m)?k(安 全系数). 2)取值 采用充填方法采矿时,式中的m为矿层采高和 充填材料压实后的充填高度之差数一即”作用高 度”.不同矿田的安全系数不相同,详见表4,表5. 表4地面建筑物和主要井巷的安全系数 Table4Safetyparametersofsurfacebuildingandmainmines 表5地面建筑物和主要井巷的安全系数 Table5Safetyparametersofsurfacebuildingandmainmines 煤田类别各类煤田的特征 一 般特征煤系上覆岩层强度的鉴定 开采煤层群时,则需计算综合作用厚度M,其 方法详见《地方煤矿实用手册》第249,250页. 公式H=M?k,适用于开采地表下第一个煤层, 即开采上部一层煤时,用其计算安全深度. 在同一地区内只采上部翦一层煤和上下各层 均采时,对地面移动所起的影响是不同的.因此, 在开采煤层群时,要决定其安全深度,则需计算综 合作用厚度m,该厚度对地面所造成的影响即是 回采数个煤层后给地面造成的总影响. 计算综合作用厚度的公式,对解决许多采煤 技术问题有着重要的意义,该公式对我国各煤田 来说只是一个近似的公式,目前仍可采用. 设有四个可采煤层.其层厚自下而上分别为 m.,m:,m,,m.各综合作用厚度依次用M,M, M及M(由上依次往下)表示,在采用不充填的 采煤方法时,各综合作用厚度可按下列公式表示: M4:m4 M3=m3+C3M4 M2m2+C2M3 M1=m2+C1M2 系数C为相邻两煤层间距n与两层靠下一层的 层厚m之比的函数,C值可由表6查得. ? 58?贵州地质2010年第27卷 4结语 采空塌陷区范围预测方法的合理性,决定着 土地复垦工作的范围,工作量.推荐了”导水裂 隙带最大高度与移动角组合”和”安全采深与移 动角组合”两种判别法,经与生产矿山的实际情 况比较,认为可行性较高.可供矿山复垦方案编 制参考使用. 致谢:本文在构思和成文过程中,一直得到省 地矿局王明章研究员的指导和帮助,在此致以诚 挚的谢意! [2】 [3] [4] [参考文献] 《工程地质手册》编委会.工程地质手册(第四版)[M]. 北京:中国建筑工业出版社,2007. 煤行管字[2000]第81号文通知《建筑物,水体,铁路及主 要井巷煤柱留设与压煤开采规程》,jE京:煤炭工业出版 社.2004.6. GB12719—91,矿区水文地质工程地质勘探规范[S].国家 技术监督局,1991.2. 地方煤矿实用手册编写组.地方煤矿实用手册[M】.北 京:地质出版社,1989年. PredictionofCollapseDistrictExploration inMineLandReclamationProgram RANQi—Yang,YANGHong (1.GuizhouLandSurvey&PlanInstitute,Gu咖ng550004,Guizhou,China; 2.GuizhouLandConsolidationCenter,Gung550004,Guizhou,China) [Abstract]Bycompareandanalysisthemethodswhichareusedinthelandreclamationprogram,thedi- versionfissurezonehighestheightandmovinganglecombinationmethodischoice.Delimitthedistrictwhere easytocoHapsebymineexploration,affordeasyandavailablemethodfortheplanedlandinthemineland reclamationprogram. [KeyWords]mine;landreclamation;plan;collapsearea;prediction