在构造应力型矿山中,构造应力的存在使得地表变形与岩层移动变得十分复杂,在其地下开采过程中常常由于岩层移动角、沉陷角预测不准导致矿山建设规划不合理,地表征地、居民搬迁范围过小,造成巨大经济损失,影响矿山正常安全生产。因此,对构造应力型矿山地下开采引起地表和岩层的变形移动规律进行分析研究十分必要。本文以典型的构造应力型矿山——程潮铁矿地下开采为工程背景,采用工程地质分析、现场综合立体监测、理论分析和数值计算等多种手段与方法,探讨了构造应力型矿山地下开采引起的岩层移动规律。论文的主要内容与研究成果有:
1、调查研究了程潮铁矿的工程地质、水文地质背景、矿体赋存条件以及矿山的采矿概况,并对地表塌陷坑的发生、发展在地质和采矿的基础上进行了分析。
2、矿区岩层变形破坏的影响因素主要有岩性、岩体结构构造特征、地应力场、水的作用和地下采矿等。地下采矿是矿区岩体变形的直接原因。地下开采形成的采空区大小、形态、位置决定了地表塌陷坑的大小、形状、位置。只有地下开采形成了一定大小的采空区,塌陷才有可能发生。
3、矿体围岩的岩性,尤其是采空区上覆岩层的岩性对岩层移动和地表沉陷具有重要影响。如果上覆岩层质量较好,其在开采过程中作为支撑拱起到的作用就越好,可以有效减缓地表沉陷速度和减少沉降的范围。另外特殊岩性的存在,将影响着地表沉陷的过程与规律。
4、矿区特殊地质构造例如断层或岩层分界面,对地表的塌陷界限有重要影响。如果塌坑周围存在断层,将会有效阻断塌陷范围向断层以外传播。围岩中存在的节理、裂隙等地质缺陷会增加地表塌陷的范围与速度。另外,矿体围岩中存在的岩溶在地下采矿和地下水疏干的扰动下会在其内部形成真空负压,引起地表塌陷。
5、地下水疏干本身就可以导致地表的变形塌陷。地下水产生的静水压力和动水压力强化了岩体的变形和破坏。在岩溶等特殊地质条件存在的前提下,水的流动作用会引起地表塌陷。另外,地下水突涌可以引起岩体的突发性变形与破坏。
6、地应力场是地表变形、塌陷的驱动力。应力和应力差愈大,岩体变形量和破坏范围愈大。构造地应力的存在会引起较大的岩层移动量和地表变形、沉陷范围。
7、根据程潮铁矿东、西区地表变形塌陷过程及其机理分析,认为构造应力型矿山地下开采引起的岩层移动破坏过程可以分为以下四个阶段:地下采空区形成阶段、采空区顶部岩体塌落阶段、塌坑围岩卸荷变形阶段、塌坑扩展放缓阶段。
8、为分析构造应力在构造应力型矿山地下开采岩层变形破坏过程中的作用,可以把岩层变形破坏过程分为塌坑形成前和塌坑形成后两个阶段。地表首次塌陷以前,重力的作用使上部岩层逐步垮落或者整体产生柱塞状下沉直至形成塌坑,此时水平方向上的构造应力影响着采空区上部岩体的垮落、破坏的速度。塌陷坑形成以后,塌坑围岩因水平构造应力的释放而向塌坑产生位移,塌坑将在水平构造应力和重力的共同作用下快速向外扩展。
