紀(jì)曉飛
(赤峰山金紅嶺有色礦業(yè)有限責(zé)任公司, 內(nèi)蒙古 赤峰市 025400)
金屬礦地下開采過程中,必然會形成數(shù)量龐大、形狀復(fù)雜的采空區(qū)[1],這些采空區(qū)的上覆巖層在自重、構(gòu)造應(yīng)力及開采擾動作用下,會產(chǎn)生多種形式的破壞,如跨落、斷裂、離層、彎曲等,進而發(fā)展到地表形成一定區(qū)域內(nèi)的地表塌陷[2-3]。國內(nèi)外對煤礦開采巖層移動規(guī)律研究較多,但煤礦床是賦存相對規(guī)則的水平煤層,通常采用綜放式開采,而在金屬礦床中賦存條件復(fù)雜,礦體形狀不規(guī)則且呈現(xiàn)分支復(fù)合現(xiàn)象,因而金屬礦床開采后形成的空區(qū)形狀千差萬別[4-6],同時金屬礦床存在復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造、采空區(qū)相互連通,致使一些用于煤層開采的地表沉陷、巖層移動等理論難以適用于地下金屬礦床,金屬礦山開采的巖層沉陷機理、地表移動規(guī)律等理論研究仍處于起步階段[7-9]。
紅嶺鉛鋅礦用空場法聯(lián)合崩落法開采,即空場法回采礦房,崩落法回收礦柱。由于采空區(qū)采用強制崩落上覆圍巖充填處理,不僅造成體積達210萬m3的地表塌陷坑,同時危及提升豎井井筒及地表工業(yè)設(shè)施安全。因此,有必要針對紅嶺鉛鋅礦地質(zhì)條件和開采特征,研究巖層移動規(guī)律,圈定礦床開采地表巖層移動帶,為礦山安全決策及地表工業(yè)建筑布置提供科學(xué)依據(jù)。
紅嶺鉛鋅礦屬于矽卡巖型多金屬礦,礦體總體走向北東59°,傾向北西,傾角60°~80°,平均傾角75°,走向長度1350 m。紅嶺礦業(yè)公司井下目前有8個中段,三中段及以上已塌陷,四、五、六中段為主要生產(chǎn)中段,七、八中段正在進行采準(zhǔn)工程。礦山采用階段空場崩落聯(lián)合采礦法,礦房寬度為 32 m,礦柱寬度為18 m,頂柱厚度10 m,礦房空場法回采、頂?shù)字捎帽缆浞ɑ夭伞?/p>
經(jīng)過十幾年的開采,礦山留下了大量的采空區(qū)。隨著各中段的礦柱相繼回收,空區(qū)連通至地表造成大面積塌陷。根據(jù)統(tǒng)計,地表塌陷區(qū)面積為52416 m2,體積為210萬m3,底部最上部到達三中段底板,最下部延深至五中段底板。隨著地下礦體不斷回采,地表塌陷區(qū)逐漸擴大。
總結(jié)國內(nèi)外在該領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀與研究成果,巖層移動的預(yù)測理論與預(yù)測方法主要有:觀測、探測、測試方法;理論分析方法;物理模擬方法;數(shù)值分析方法;工程類比法等。
工程類比法是目前最常采用的一種方法,也是礦床開拓設(shè)計的首選方法。根據(jù)巖體的普氏分級系數(shù)、地質(zhì)構(gòu)造、礦體的產(chǎn)狀等情況,將設(shè)計礦山與地質(zhì)、采礦條件相類似的開采礦山進行比較,綜合考慮確定相適應(yīng)的巖層移動參數(shù)。
礦區(qū)鋅1號礦體為主要礦體,分布6~45線間,長1350 m,地表可見露頭,賦存標(biāo)高1110~630 m,控制最大垂深480 m,厚度一般為5~6 m,走向北東59°,傾向北西,傾角70°~80°。礦體延深西淺東深,主礦段為29線至1線長800 m,垂深200~400 m,連續(xù)性好,礦體最大厚度 28.33 m,最小厚度0.99 m,平均厚度9.99 m,上盤f=8,下盤f=12。
經(jīng)工程對比,認為武山銅礦與赤峰山金紅嶺鉛鋅礦1號礦體各方面條件最為接近。武山銅礦的巖層移動角見表1。
表1 武山銅礦巖層移動角
根據(jù)采礦手冊上所提供的礦山移動角資料,研究表明,圍巖的普氏系數(shù)愈高,巖體移動角愈大。所以,赤峰山金紅嶺鉛鋅礦1號礦體上下盤普氏系數(shù)均略大于武山銅礦,經(jīng)過對比與修正,該礦體巖層移動角為 α=59°,β=64°,γ=69°。
依據(jù)紅嶺鉛鋅礦礦區(qū)地質(zhì)剖面建立礦床開采三維有限元數(shù)值模型,分析計算礦山1至6中段礦體開挖后采空區(qū)不充填工況下的地表變形[9-10],根據(jù)地表變形狀態(tài)圈定地表移動帶。
以紅嶺鉛鋅礦 1#至 29#勘探線地質(zhì)剖面圖為基礎(chǔ),建立高精度符合礦體復(fù)雜曲面形狀的三維有限元數(shù)值模型。本次建模共劃分29個group,按照材料特征分為礦體、矽卡巖、大理巖、長石斑脈巖及板巖,材料力學(xué)參數(shù)見表2。礦體模型如圖1所示,在模型中部存在一脈巖。
3.2.1 地表位移分析
利用三維計算模型對紅嶺鉛鋅礦各中段礦體開采結(jié)束后的地表移動變形規(guī)律進行分析,分別選取5#勘探線和17#勘探線作為剖面,分析地表沉降,得出巖層移動角,圖2為6中段開采完畢,地表及圍巖的豎向位移場。
開挖六中段后的圍巖塑性區(qū)如圖3所示。
圖2和圖3數(shù)值模擬結(jié)果表明:
(1)開挖一中段至六中段后,地表最大沉降分別為:0.3,1.0,2.3,3.3,4.5,5.0,6.0 cm,開挖至四中段后,地表變形特征明顯;
(2)開挖至三中段以前,地表肪巖附近出現(xiàn)向上的正向位移,這是因為礦體開挖后,巖層具有較大的水平應(yīng)力,泊松效應(yīng)使肪巖地表附近將會產(chǎn)生正向的豎向位移,但隨著礦體往下開采,脈巖保持向下沉降的趨勢。
(3)開挖六中段后的圍巖塑性區(qū)上盤的影響范圍大于下盤的影響范圍,在礦體的西南方向,5#勘探線對比礦體東北方向的 17#勘探線而言,破壞更大,上盤的破壞區(qū)面積也遠大于下盤的破壞區(qū)面積,由于天然巖體的裂隙和地表的風(fēng)化作用,這些破壞的塑性區(qū)在實際中已經(jīng)塌陷。
根據(jù)塑性區(qū)破壞情況推測地表破壞情況,畫出了破壞塑性區(qū)的包絡(luò)曲線(見圖3)。根據(jù)包絡(luò)線推測5#勘探線西南方向地表塌陷寬度約為210 m,17#勘探線東北方向地表塌陷寬度約為130 m。根據(jù)現(xiàn)場實測,西南方向平均地表塌陷寬度為180 m,東北方向平均地表塌陷寬度為115 m,數(shù)值模擬結(jié)果與實測數(shù)值吻合,表明數(shù)值模擬結(jié)論的可靠性。
表2 數(shù)值模擬材料力學(xué)參數(shù)
圖1 礦體模型
圖2 六中段開挖后豎向位移場
圖3 圍巖塑性圖
3.2.2 地表巖層移動角分析
選取六中段開挖后的計算結(jié)果作為移動角選擇依據(jù),圖4為六中段開挖后位移分布。豎直位移指標(biāo)達到或超過變形標(biāo)準(zhǔn)值(10 mm),該節(jié)點即可視為地表破壞點,以此為依據(jù),計算得出:礦體5#勘探線的上盤移動角為59°,下盤移動角為65.7°;17#勘探線的上盤移動角為 59.5°,下盤移動角為61.9°。礦體垂直勘探線的剖面圖可以得出礦體的端部移動角為68.9°。經(jīng)綜合分析,礦體上盤平均移動角α=59.2°,下盤巖層平均移動角β=63.8°,端部移動角 γ=68.9°。工程類比法得出的巖層移動角為α=59°,β=64°,γ=69°,數(shù)值模擬研究得出的巖層移動角與工程類比法計算得出的結(jié)論類似。因此,數(shù)值模擬驗證了工程類比法所得巖層移動角結(jié)論的正確性。
3.2.3 地表巖層移動帶圈定
根據(jù)地表豎向位移為 10 mm圈定六中段開挖后地表的移動帶范圍,如圖5所示,由圖5可知,紅嶺鉛鋅礦移動帶垂直礦體走向方向平均寬度為400 m,沿礦體走向方向平均長度為800 m,面積大約為320000 m2?;肪嚯x移動帶為70 m,如果繼續(xù)向下開采,則箕斗井很有可能會處在移動帶范圍之內(nèi),因此,深部礦體開采時必須采取有效措施控制移動帶范圍的進一步延伸。
圖4 5#勘探線移動角示意圖
圖5 地表移動帶范圍示意圖
(1)運用工程類比法對開采區(qū)域巖層移動進行分析,得到巖層移動角為 α=59°,β=64°,γ=69°。采用數(shù)值模擬的方法對礦體開采后位移進行分析,驗證了工程類比法得到巖層移動角的正確性;根據(jù)豎直方向位移10 mm圈定地表移動帶,移動帶垂直礦體走向方向平均寬度為400 m,沿礦體走向方向平均長度為800 m,移動帶面積大約為320000 m2。
(2)根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果,對開采區(qū)域巖層破壞塑性區(qū)包絡(luò)曲線推算地表塌陷區(qū)范圍與現(xiàn)場實測范圍吻合,驗證了數(shù)值模擬結(jié)論的可靠性。
(3)根據(jù)紅嶺鉛鋅礦巖層移動范圍研究結(jié)果,箕斗井距離移動帶只有70 m,隨著礦體回采向下延伸,移動帶范圍將進一步擴大,如不采取有效措施控制地壓問題,箕斗井等主要地表生產(chǎn)設(shè)施將處于移動帶范圍內(nèi),造成礦山生產(chǎn)安全隱患。