賈彥州,周森林,李天宏,劉偉明,辛明禹

(1.山東煙臺鑫泰黃金礦業(yè)有限責(zé)任公司,山東 煙臺市 265147;2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)能源與礦業(yè)學(xué)院,北京 100083)

0 引言

礦體地下開采破壞了原始應(yīng)力平衡狀態(tài),引起應(yīng)力重新分布,產(chǎn)生圍巖次生應(yīng)力場,當(dāng)達(dá)到臨界變形以后,就會(huì)發(fā)生圍巖破壞和移動(dòng)。開采引起的覆巖移動(dòng)涉及地表變形、開裂,甚至影響地表地質(zhì)環(huán)境、人民生命和財(cái)產(chǎn)安全。

賈林剛等[1]探討了充填開采步距對覆巖移動(dòng)及地表建筑物變形的影響,建立了充填步距與地表建筑物破壞變形之間的相互關(guān)系;張海洋等[2]研究了大傾角煤層開采的地表沉陷及巖層運(yùn)移特征;張吉雄等[3]通過對矸石充填作業(yè)的細(xì)致分析,對覆巖關(guān)鍵層移動(dòng)狀況做了判斷,并對充填作業(yè)當(dāng)中關(guān)鍵層移動(dòng)導(dǎo)致的頂板變形做了描述;郝寶生[4]從實(shí)地測設(shè)出發(fā),對矸石充填作業(yè)面受外力狀況作了觀察,研究成果對探討頂板下沉規(guī)律有明顯的作用;楊寶貴[5]等利用數(shù)值模擬方法研究了充填開采上覆巖層的運(yùn)移規(guī)律;CAO 等[6]提出了力學(xué)模型的邊界條件,得到了覆蓋層運(yùn)動(dòng)和表面沉降規(guī)律;鄒開華等[7]模擬不同開采深度覆巖移動(dòng)時(shí)空演變,確定地表移動(dòng)范圍。

現(xiàn)階段,我國分析淺部井下采動(dòng)對地表沉降影響主要采用經(jīng)驗(yàn)公式法、工程類比法以及現(xiàn)場監(jiān)測法等。但隨著地下金屬礦床開采深度的增加,應(yīng)用上述方法分析地表沉降常導(dǎo)致巖層移動(dòng)愈發(fā)嚴(yán)重,地表變形范圍過大,致使礦山不得不擴(kuò)大地表變形保護(hù)范圍,擴(kuò)大征地面積。對深部采動(dòng)影響地表沉降預(yù)測過小,則無法保證地表建筑物的安全,同時(shí)造成地表環(huán)境嚴(yán)重破壞。

為有效分析井下充填開采誘發(fā)的巖移和地表沉降變形,需要系統(tǒng)研究開采過程中采場以及圍巖的穩(wěn)定性。本文根據(jù)礦區(qū)資源開采現(xiàn)狀,結(jié)合礦山地質(zhì)資料建立開采巖移模型,通過模型分析覆巖移動(dòng)過程,揭示上覆巖層移動(dòng)規(guī)律和地表變形引起建筑物損傷程度,最終實(shí)現(xiàn)地下礦體開采對覆巖移動(dòng)和地表安全性影響的準(zhǔn)確分析。

1 工程背景

以山東省龍口礦區(qū)為工程背景,該礦山生產(chǎn)能力為90 000 t/a,主要采用房柱采礦法(嗣后充填)開采。礦區(qū)位于丘陵地帶,環(huán)境地質(zhì)條件穩(wěn)定,基巖出露較好,巖石完整、堅(jiān)硬。L1、L2為主要礦體,賦礦巖性主要為構(gòu)造角礫狀、碎裂狀黃鐵礦化二長花崗巖,礦體中絹英巖化、硅化、鉀化較強(qiáng)。礦體多沿走向斷續(xù)展布,分枝復(fù)合、尖滅再現(xiàn)、膨脹狹縮等現(xiàn)象明顯。

L1礦體賦存標(biāo)高為－84.59～＋91.23 m,向深部未封閉,平均傾角為33°,控制走向長120 m,寬190 m,礦體厚0.90～4.06 m,平均厚度為2.44 m。L2礦體賦存標(biāo)高－87.99～＋70 m,總體走向180°,傾向90°,傾角為14°～30°,控制走向長280 m,寬320 m,礦體厚0.90～24.42 m,平均厚度為17.60 m。

2 巖移數(shù)值模擬設(shè)計(jì)

2.1 剖面選擇

由于礦區(qū)地表變化較大,將地表的形貌進(jìn)行統(tǒng)一化處理顯然不合理。模擬計(jì)算地表變形值時(shí)需考慮地表形態(tài)隨開采深度變化呈現(xiàn)的差異性。選擇地質(zhì)剖面時(shí),主要遵循以下原則:

(1)剖面應(yīng)穿越地表主要建筑物,直面建筑物安全問題,使得研究具有代表性和說服力。

(2)所選剖面應(yīng)盡可能包含所有主要礦體,用以分析不同礦體在復(fù)雜開采條件下的巖移和地表變形。

綜合以上因素,選取8#、12#、16#剖面作為典型的地質(zhì)剖面進(jìn)行模擬分析。

2.2 采礦方法選擇

結(jié)合礦山開采初步設(shè)計(jì)、礦體物理力學(xué)性質(zhì)、充填體性質(zhì)等資料,構(gòu)建礦區(qū)地表、地層和礦體的數(shù)值計(jì)算模型,分析龍口礦區(qū)地下采場穩(wěn)定性及地表安全。揭示井下空場嗣后充填開采上覆巖層的移動(dòng)規(guī)律,分析地表下沉量、傾斜、曲率、水平變形等地表主要變形參數(shù),揭示地表變形的演化過程。

采用房柱采礦法(嗣后充填)開采,不考慮生產(chǎn)調(diào)度問題,整個(gè)礦山中段自上而下回采,每個(gè)中段高30 m,＋70 m 為首采中段,礦房劃分為寬8 m,礦柱寬為3 m,礦房內(nèi)自下而上回采,所有礦房回采完后回采礦柱。采空區(qū)計(jì)劃用廢石嗣后充填。

由于廢石大小不一,導(dǎo)致不能密實(shí)充填,按照95%的充填率,與頂板之間留有高度為礦體厚度5%的間隙,這為頂板的冒落提供了空間條件。因此,模擬充填時(shí)采用不接頂充填。模擬監(jiān)測地點(diǎn)主要選擇礦體上盤、地表以及頂?shù)装宓任恢?模擬開采過程中誘發(fā)的圍巖移動(dòng)和地表變形等。

3 覆巖移動(dòng)和地表變形分析

3.1 巖移演變

根據(jù)位移數(shù)值模擬,得到不同開采水平礦體充填完畢后對應(yīng)的總位移圖。由于各開采水平的礦體形態(tài)、傾角和厚度各不相同,充填結(jié)束后位移也差異明顯。以12#剖面礦體開采為例,選?。?0 m、＋40 m、＋10 m、－110 m 4個(gè)不同開采水平充填完畢時(shí)的圍巖總位移云圖(見圖1)。8#和16#剖面充填完畢總位移云圖如圖2所示。

圖1 12#剖面礦體充填完畢總位移云圖

圖2 8#、16#剖面礦體充填完畢總位移云圖

以12#剖面－110 m 水平為例(見圖1(d)),充填結(jié)束后,地表最大水平位移為9×10－3m,地表最大沉降量為2.16 cm,頂板總位移為3.11 cm,底板總位移為0.91 cm。從初始回采到全部水平充填完畢的過程中,位移區(qū)域不斷增加且集中于上下盤礦巖接觸帶,這是因?yàn)槌涮铙w占據(jù)采場空區(qū)的比例愈加增高,但其各向物理力學(xué)參數(shù)都小于礦石及圍巖,承擔(dān)了較大的來自上下盤附加的二次分布應(yīng)力,大幅度削弱了對承載圍巖的支撐力度。

3.2 覆巖移動(dòng)規(guī)律

由圖1可知,礦體按照95%充填后形成了部分采空區(qū),這給上覆巖層的移動(dòng)創(chuàng)造了條件。距離開采區(qū)域越近,巖體的位移越大,上盤巖體位移量明顯大于下盤巖體。隨著開采工作的進(jìn)行,因不接頂充填,采空區(qū)愈發(fā)增大,由于礦體并不是水平分布的,而是具有一定的傾角,在自重和采動(dòng)應(yīng)力的共同作用下,覆巖移動(dòng)區(qū)域向深部發(fā)展,位移沿上盤礦巖接觸帶傾斜于地表向上增大。

3.3 地表移動(dòng)變形

以12#剖面為例,在礦體上方地表每間隔50 m的水平距離設(shè)置一個(gè)監(jiān)測點(diǎn),主要觀測地表的移動(dòng),共設(shè)置8個(gè)。地表觀測點(diǎn)布置如圖3所示。

圖3 12#剖面地表觀測點(diǎn)布置

記錄各個(gè)中段礦體開采完成后,采空區(qū)充填結(jié)束時(shí)監(jiān)測點(diǎn)的X軸位移和Z軸位移,繪制成位移變化曲線如圖4和圖5所示,可以看到各開采水平X軸和Z軸位移均呈近似“U”形,但因礦體有傾角且各水平開采時(shí)部分監(jiān)測點(diǎn)距離開采區(qū)域水平距離較遠(yuǎn),所以位移量小,各水平開采后的位移“U”形曲線存在差異。

圖4 12#剖面各監(jiān)測點(diǎn)X 軸位移變化曲線

圖5 12#剖面各監(jiān)測點(diǎn)Z 軸位移變化曲線

從各監(jiān)測點(diǎn)X軸和Z軸觀測數(shù)據(jù)可以看出,回采剛開始時(shí),地表巖移量均增加。＋70 m 水平開采屬于平穩(wěn)階段,礦體厚度較小,充填后采空區(qū)較小,水平和垂直位移變化很小。＋40 m 水平開采后,因采用95%充填,采空區(qū)增大,水平位移和下沉值增加較為緩慢。＋10～－110 m 水平開采后,采空區(qū)達(dá)到較大體積,同時(shí),無法用廢石使充填密實(shí),水平位移和地表下沉值顯著增大。各剖面地表最大位移統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表1 典型剖面地表最大位移

由表1可以看出,選取的各個(gè)典型地質(zhì)剖面地下礦體充填開采后的沉降值和水平位移均較小,說明在采空區(qū)得到有效充填的條件下,地下開采對地表穩(wěn)定性產(chǎn)生影響較小。

當(dāng)采空區(qū)尺寸達(dá)到該地質(zhì)采礦條件下的臨界尺寸時(shí),地表下沉值達(dá)到該地質(zhì)采礦條件下的最大下沉值。根據(jù)概率積分法的基本原理,地表最大傾斜變形εmax、曲率imax和最大水平變形kmax的極限值與地表最大下沉值Wmax、安全開采深度H及主要的影響角正切tgβ之間存在如下關(guān)系:

式中,b為水平移動(dòng)系數(shù),與巖性有關(guān)。

由表2可知,選取的典型剖面地下礦體開采引起的地表變形均較小,經(jīng)過計(jì)算,開采誘發(fā)地表水平變形范圍為5.95×10－3～116.3×10－3mm/m,傾斜變形范圍為13.1×10－3～255.1×10－3mm/m,曲率范圍為3.47×10－5～463×10－5(10－3/m)。根據(jù)《金屬非金屬礦山安全規(guī)定》(GB 16423—2020),磚混結(jié)構(gòu)損壞等級見表3。

表2 典型剖面地表變形

表3 磚混結(jié)構(gòu)建筑物損壞等級

對比表2和表3可知,礦區(qū)地下開采引起的地表磚混結(jié)構(gòu)建筑物損壞等級均在Ⅰ級以內(nèi),充填開采安全性較高,對地表影響較小。

4 結(jié)論

本文通過理論分析和數(shù)值模擬的方法對地下礦體充填開采過程中的覆巖移動(dòng)和地表變形進(jìn)行分析,取得以下結(jié)論:

(1)通過模擬礦體開采活動(dòng)中引起的經(jīng)常性覆巖移動(dòng),可以較為準(zhǔn)確地得到各開采水平相對應(yīng)的巖移云圖,選擇剖面典型,建模細(xì)致,可為后續(xù)開采活動(dòng)引起覆巖移動(dòng)和地表變形分析提供依據(jù)。

(2)開采過程中,上覆巖層移動(dòng)沿礦體上盤礦巖接觸帶傾斜于地表水平線向上增大;地表位移量先是處于平穩(wěn)階段,增量不明顯;隨著開采深度的增加,位移緩慢增加;當(dāng)開采至一定深度時(shí),采空區(qū)體積較大,水平位移和沉降顯著增加。

(3)經(jīng)過計(jì)算,礦體開采誘發(fā)地表水平變形范圍為5.95×10－3～116.3×10－3mm/m,傾斜變形范圍為13.1×10－3～255.1×10－3mm/m,曲率范圍為3.47×10－5～463×10－5(10－3/m),充填開采對地表穩(wěn)定影響較小,地表建筑物損壞等級為I級。