采矿引起地表沉降的影响因素

1 引言

地下采矿引起的地表沉降和破坏是采矿工程设计和运行时必须考虑的一个事项, 而引起地表沉降的原因则是由于各种因素之间复杂的相互作用。Laubscher (2000年)开发了一种经验方法来预测崩落作业造成的地表沉降。该方法基于MRMR分类系统, 它将预测的崩塌角与MRMR、开采深度和开采宽度联系起来。崩落角(caving angle) 定义为从采空区边缘延伸到活动崩落区边缘线的角度，如下图所示。崩落区(caved zone)通常位于采区的正上方，这是最大的地表扰动区域，通常表现为充满破碎的不规则块体的凹坑。断裂起始角(fracture initiation angle)是指从采空区边缘延伸到断裂区边缘线的角度, 该区包括与采空区相邻的所有明显的地表变形，典型的特征是大的裂缝,类似于边坡的倾倒破坏。下沉角(angle of subsidence)标志着最外层的区域和地表上可测量的地表变形的极限, 这些一般描述为弹性或连续的非弹性应变，垂直位移大于2毫米。事实上, 这个预测方法也适用于煤矿地表沉降预测. 这个笔记简要描述了煤层开采和非煤开采, 特别是崩落采矿引起地表沉降的控制因素.

2 影响因素

在典型的煤层开采, 例如长臂采矿法和房柱采矿法中, 引起地表沉降的主要因素有如下几个方面:

(1) 采层高度。垂直沉降量与采矿区的高度成正比，一般不超过采层(coal seam)的高度。在经典的经验估算中, 地表最大垂直沉降量是采层高度的0.6~0.9倍.

(2) 无支撑或支护的宽度。地表沉降的面积与无支撑或支护顶板的宽度呈正比关系。可以通过开采面积与断裂角所确定的面积相加来粗略估计出潜在的地表沉降面积.

(3) 覆盖层厚度。地表垂直沉降量与覆盖层深度或厚度之间成反比。开采区较深时，地表垂直沉降量往往较小。

(4) 岩石强度。地表沉降量与上覆岩石的强度密切相关。在数值模拟(FLAC/UDEC)预测地表沉降时, 作为必须的输入参数---岩石强度的确定非常重要, 需要根据工程岩体分类指标(RMR, GSI等)对岩石强度进行折减, 估算出岩体的真实强度.

(5) 支柱尺寸。在房柱采矿中, 间柱的尺寸选择非常重要. 间柱越大沉降量越小。但间柱尺寸太大,导致回采率太低, 因此采矿工程师必须考虑多种因素对间柱尺寸进行优化设计。

(6) 地下水。地下水位的波动会影响地表沉降, 除了地下水对岩石的反复侵蚀外, 水-力之间的相互作用影响也非常大。FLAC和UDEC能够模拟在稳态流和瞬态流情况下的水-力相互作用.

(7) 断裂/节理。当上覆岩层中存在断裂和大的节理时，顶板强度会被严重削弱，更容易发生地表沉降。而且由于这种不连续的扩展，地表沉降在极限情况下甚至有可能超出矿区的边界(越界是采矿工程非常麻烦的一件事情)。

(8) 时间。随着时间的增加, 当开采深度和范围逐渐增加时，地表沉降会在较长时间内渐进发展。

对于崩落采矿, 地质和地表地形特征会显著地表沉降的发展，包括：  

(1) 矿体的倾角和几何形状

(2) 采矿深度和相关的原位应力场

(3) 采场岩体强度及覆盖层岩体的强度

(4) 地表坡度(即不规则的地表地形)

(5) 断层和节理的性质

(6) 以前的深部露天开采---特别说一下这个因素. 许多大型露天开采矿山在达到一定开采深度后,逐渐由露天开采转向地下开采, 比如Chuquicamata矿和Palabora矿, 在这种情形下,地下开采活动会直接影响原露天采矿的边坡稳定性, 一个典型的例子是Palabora矿, 在由露天开采专为地下崩落采矿法后, 于2005年在西面的边坡发生了大规模的破坏, 如下图所示. Chuquicamata矿于2020年开始转入地下开采, 今后也可能面临着同样的状况. 

3 相对影响程度

从最初的采准巷道准备到最后的矿体崩落, 随着崩落区域的不断增大, 地表沉降逐渐显现, 下图所示的是一个沉降发展示意图.

在上面所列的各种影响因素中,究竟哪些因素起主导作用呢? Flores and Karzulovic (2002)对18个崩落采矿的矿山进行了分析，总结了10个最大的影响因素, 显示出这些因素对沉降的相对影响程度, 如下图所示。其中, 岩体结构, 岩体质量和崩落高度是最起主导作用的三个影响因素.

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