南礦地表移動變形影響及保安礦柱開采安全分析

周 勇,賀應來

(錫礦山閃星銻業有限責任公司,湖南冷水江 417502)

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南礦地表移動變形影響及保安礦柱開采安全分析

周 勇,賀應來

(錫礦山閃星銻業有限責任公司,湖南冷水江 417502)

對錫礦山南礦地表及井下巖移進行了觀測研究,利用不同手段判斷地表移動的變形量,從而了解充填質量和保安礦柱安全開采的情況,結合本礦山實際情況,利用觀測數據來確定采空區上部建筑物的穩定性。

移動變形;保安礦柱;建筑物;沉陷;采空區;地壓

錫礦山礦區面積為11.974 8 km2,礦山采用豎井、斜井、平硐-暗斜井聯合開拓方案,地下開采采礦方法為膠結充填法、普通房柱法、桿柱房柱法、桿柱砂漿膠結充填法、上向連續采礦法等,開采深度:標高從+620 m至-492 m。南礦地面工業場地共占地面積約4.4萬m2,由于歷史原因,在礦山開采范圍有大量地面建構筑物,主要分布在200～400 m標高之間,在平面上呈北東-南西長條形狀分布,從礦區南至北主要建構筑物布置為:南面分布有尾礦庫、油庫和電站;中部布置公司總部、主提升的2#豎井、招待所、生活區、南選廠;北部飛水巖區布置了1#豎井、廢石場、東西翼風井和冶煉廠。本文采用概率積分法對南礦開采引起的地表移動和變形進行計算,綜合分析地表建筑物的安全。

1 地表移動變形影響分析

1.1 地表移動盆地邊界的確定

1.1.1 開采的直接影響和間接影響

地下開采以后,在采空區上方及其周圍地表發生移動和變形。巖層與地表的變形以及它所導致的建筑物、結構物和自然物的損害稱為直接開采損害。在地表主要變形帶之外,地表變形一般都很小,然而這時也可能發現一些開采影響的存在,它們往往與開采間接有關,稱為間接開采損害。

1.1.2 地表移動邊界

按照地表移動變形值的大小及其對建筑物及地表的影響程度,可將地表移動盆地劃分出三個邊界:最外邊界、危險移動邊界和裂縫邊界。地表移動盆地下邊界確定示意圖如圖1所示。

1.移動盆地的最外邊界:移動盆地的最外邊界,是指以地表移動和變形都為零的盆地邊界點所圈定的邊界。一般取下沉為10 mm的點為邊界點。

2.移動盆地的危險移動邊界:移動盆地的危險移動邊界,是指以臨界變形值確定的邊界,表示處于該邊界范圍內的建筑物將會產生損害,而位于該邊界外的建筑物則不會產生明顯的損害。目前我國采用的一組臨界變形值為傾斜i=3 mm/m,水平變形ε=2 mm/m,曲率k=0.2×10-3/m。以上述三變形值中最外一個值確定的邊界即為危險移動邊界,如圖1中的A′C′B′D′所示。

3.移動盆地的裂縫邊界:移動盆地的裂縫邊界,是指根據移動盆地的最外側的裂縫定的邊界,如圖1中的A″C″B″D″所示。

圖1 地表移動盆地下邊界確定示意圖

1.2 地表移動與變形值的預計方法選取

地表沉陷計算采用常用的概率積分法作為計算方法,概率積分法是以正態分布函數為影響函數,用積分式表示地表下沉盆地的方法,適用于地表移動與變形計算。

全盆地的移動與變形計算如下:

下沉:

上述式中x,y為計算點相對坐標(考慮拐點偏移距)/m;D為開采礦層區域;W為下沉變形;r為影響半徑;K為曲率;U為水平移動量;η為下沉系數;i為傾斜變形;S為扭曲變形;γ為剪切變形;ζ為水平移動;ε為水平變形。

1.3 南礦礦區地表下沉實測資料

1995年3月至2009年10月,長期系統地觀測了南礦南煉廠處的地表下沉。該處地表共設49個觀測點,沿4條線布置,包括沿公路布置的公18～公25點,沿庫房至爐房布置的爐3至庫12點,沿澡堂至食堂布置的35至49點,沿斜坡道地表布置的斜27至斜34點。南煉廠地表下沉實測點的布置見圖2。

選取觀測點公22、庫12、爐3、爐6的下沉實測數據繪制時間位移曲線如圖3～圖6所示。

從實測數據可以看出,1995年3月至2009年10月南煉廠位置地表下沉值達到30～55 mm,各點下沉量相差在25 mm之內。

1.4 南礦地下開采沉陷計算

南礦地下開采活動引起巖層移動,有可能影響到地表建筑及豎井安全,其遭受損害的程度,可通過地表移動變形計算來予以評估。

本次采用概率積分法對南礦導致的地表移動變形進行計算分析。

1.4.1 計算參數的確定

采用工程類比法,并結合現場實測資料來綜合確定計算參數。本次計算主要依據本礦區、本省及國內地質條件、上覆巖層及開采技術條件詳盡的礦井、礦區地表移動參數,經綜合分析后選取。

圖2 南煉廠地表下沉實測點布置圖

圖3 爐3點實測下沉圖

圖4 庫12點實測下沉圖

綜合確定本礦區內地表移動與覆巖移動參數如下:

充填法開采下沉系數:q=0.1

水平移動系數:b=0.15

主要影響范圍角:β=60°

1.4.2 計算結果

地表移動變形計算采用了常用的概率積分法作為計算方法,用計算機對開采導致地表變形的各種參數:下沉變形W、水平移動U和傾斜變形i進行模擬計算,得到的地下開采導致地表移動變形,東西向下沉剖面圖如圖7所示,南北向下沉剖面圖如圖8所示,對地表主要構筑物的影響見表1。

圖5 爐6點實測下沉圖

圖6 公22點實測下沉圖

圖7 東西向下沉剖面圖

圖8 南北向下沉剖面圖

表1 地下開采對主要構筑物影響計算結果

受采動影響上覆巖層可能出現冒落、斷裂、離層和彎曲等現象,進而發展到地表,在地表形成一個比采空區大的沉陷盆地。對采空區進行充填處理可以有效控制圍巖變形和地表下沉,實測資料和計算結果都表明,南礦采用充填法處理空區,有效地控制了地表移動和變形。

計算得到南礦地表最大下沉值為85 mm;地表最大傾斜發生在采空區邊界上方地表,最大值0.6 mm/m;開采邊界正上方地表水平移動最大,東西向水平移動最大值9 mm;開采引起的地表水平變形和曲率計算值很小,水平變形值小于0.1 mm/m,曲率值小于10-5/m。

1.5 開采對地表主要建筑物的影響分析

1.5.1 損害的表現形式

采空區上覆巖層的移動波及地表后,引起地面下沉,不均勻沉降可導致地表建筑破壞。地表沉陷過程的拉伸、壓縮、傾斜變形減小了建筑地基的內磨擦力和內聚力,會引起其承載力的下降,使建筑物出現裂縫。巖體移動和變形會引起豎井的傾斜。

1.5.2 開采對地表主要構筑物的影響

建筑物受開采影響的損壞程度取決于地表變形的大小和建筑物本身抵抗變形的能力,其損壞等級的劃分見表2。

1.南2號豎井產生10 mm下沉,0.3 mm/m的傾斜,水平變形值小于 0.1 mm/m,曲率值小于10-5/m,小于表 2中規定的建筑物損壞時的變形值。

2.南1號豎井位置地表產生80 mm下沉,水平變形值小于0.1 mm/m,曲率值小于10-5/m,傾斜值為0.3 mm/m,小于表2中規定的建筑物損壞時的變形值。

3.礦本部處于下沉影響范圍內,下沉值達到20～35 mm,水平變形值小于0.1 mm/m,曲率值小于10-5/m,傾斜值為0.55～0.6 mm/m,遠小于表2中規定的變形值,地表建筑不會破壞。

表2 磚混結構建筑物損壞等級

4.南煉廠處的地表水平變形值小于0.1 mm/m,曲率值小于10-5/m,傾斜值為0.5～0.6 mm/m,小于表2中規定的建筑物損壞時的變形值,地表建筑不會損壞。

5.東翼風井處的地表水平變形值小于 0.1 mm/m,曲率值小于10-5/m,傾斜值為0.6 mm/m,小于表2中規定的建筑物損壞時的變形值。

2 保安礦柱開采安全分析

由于南礦地表工業場地基本上布置在采動影響范圍內,飛水巖河也在礦區范圍內,南礦的礦體開采基本上都是“三下”開采,對地表下沉量的控制要求比較高,解放后,為確保重要工業建筑物和飛水巖河床安全,在開采的南礦上部中段留有河床、一號豎井、通風井、南煉廠、辦公室等五大保安礦柱。

為保持南礦的生產水平,1982年5月開始了淺部保安礦柱的開采,其中“五中段以上河床保安礦柱”、“一號豎井保安礦柱”、“南煉廠保安礦柱”先后得到了湖南省冶金工業局、湖南省有色金屬工業公司的批復,允許開采。各保安礦柱開采歷史及現狀和開采保障措施如下。

2.1 保安礦柱開采歷史及現狀

2.1.1 五中段以上河床保安礦柱開采

1982年12月,對南礦五中段以上河床保安礦柱進行采準設計,原湖南省冶金工業局和湖南省有色金屬工業公司聯合發文同意對錫礦山南礦二至五中段保安礦柱進行開采(《對錫礦山南礦二至五中段保安礦柱開采初步設計的批復》[(83)湘冶色字第008號])。

設計時,考慮到河床礦柱距河床底板太近、危險性大,對三中段以上距河床底板小于30 m的礦體未設計開采。

1986年6月開始對南礦五中段以上河床保安礦柱進行回采,現除部分殘采地點外,大部分已采完。2.1.2 一號豎井保安礦柱開采與設計

1984年4月經湖南省有色金屬工業公司批準,對“一號豎井保安礦柱”進行施工,1988年6月開始進行一號豎井保安礦柱的回采作業。

目前除一號豎井旁邊的14、16、18、20四個礦塊,32m范圍的保安礦柱未回采外,絕大部分保安礦柱已經回采完畢。

2.1.3 南煉廠保安礦柱開采與設計

1993年6月,經湖南省有色金屬工業公司同意,礦山開始對南煉廠保安礦柱下分層礦體進行施工, 2004年基本已完。2003年對其上分層礦體進行設計與施工,現正在進行回采施工。

2.2 保安礦柱開采保障措施

由于上世紀六十至七十年代礦山曾先后發生三次大面積的地壓活動,造成巷道和采礦區頂板塌落、礦柱破壞、巖層移動、地表開裂下沉、公路及附近廠房等建筑物設施都遭到了較為嚴重的影響,給礦山正常生產帶來了嚴重的影響。因此,為保證保安礦柱安全回采,減小和控制保安礦柱回采過程中的地表沉降,礦山采取了一系列有效措施。

1.開展保安礦柱安全回采科研和現場試驗。與相關科研院所合作開展了《南煉廠保安礦柱開采地壓監控技術研究》、《錫礦山河床保安礦柱開采及其地壓規律的研究》等多項科研,一系列科研成果的應用和現場試驗為南礦保安礦柱的回采提供了技術保障。

2.采用充填法處理空區,消除空區隱患。為了保證坑內外安全,有效控制地壓,確保安全生產,從1950年起,南礦即開始對采空區進行充填處理工作,當時主要用矸石充填西部和河床下面的采空區,以保護地表的建筑物。1970年,礦山完善了上部中段水砂充填系統,興建了膠結充填系統,至1980年底,共充填了216.1萬m3,占總采空區的70%,有效地控制了礦山地壓活動和地表下沉,地壓活動開始趨向相對穩定。為了滿足深部中段采礦的要求和解決充填能力不足的問題,礦山先后建立了深部和淺部兩個充填系統,采用粗顆粒水砂充填、分級尾砂膠結充填以及混凝土膠結充填等方式,對遺留的采空區進行充填,至1991年底,四中段以上除少量的解放前遺留的采空區無法充填接頂外,大部分采空區已經基本充填。

3.采用充填法開采,控制地壓。根據礦體的賦存條件,為保證礦山安全高效開采,經過多年反復探索、應用和篩選,目前,南礦采礦方法主要為膠結充填法,邊緣礦體或傾角大于40°的礦體采用普通房柱法、桿柱房柱法、桿柱砂漿膠結充填法、上向連續采礦法等采礦方法進行回采,所有的采空區都采用充填的方法進行采空區處理,基本實現了采充平衡,有效地控制了井下地壓活動和地表有害沉降。

4.開展了地表沉降和地壓監測。南礦是我國最早開展井下地壓和地表沉降監測的礦山,通過地壓和地表沉降監測綜合分析了淺部及地表和保安礦柱開采的巖移和地壓變化規律。

2.3 保安礦柱開采條件

南礦已開采的保安礦柱“五中段以上河床保安礦柱”、“一號豎井保安礦柱”、“南煉廠保安礦柱”的開采,通過立項審批程序,采取了科學有效的控制措施,既提高了礦產資源回收率,也保證了地表建構筑物的安全正常使用,同時公司嚴格按審批的設計方案,進行開采,已達到理想的預期目的。

3 結束語

錫礦山閃星銻業有限責任公司南礦通過采用充填法全面處理老空區,同時采用充填采礦法開采,地表位移沉降得到有效控制,沒有發生大面積地壓活動的跡象。但隨著開采深度的增加,原巖應力場增大,為保持井巷和采場穩定,應對支護方式、采場結構參數進行研究和優化,建立井下地壓活動監測網,健全地壓監測管理。

[1] 錫礦山銻志編委會.錫礦山銻志[M].冷水江:錫礦山閃星銻業有限責任公司,1981.

[2] 錫礦山銻志編委會.錫礦山銻志[M].冷水江:錫礦山閃星銻業有限責任公司,1996.

[3] 張根深.南礦采空區處理實踐及其探討[J].錫礦山科技, 1993,(4):1-5.

[4] 錫礦山礦務局.錫礦山南區地壓總結[J].湖南冶金,1974,(增刊):14-34.

Surface Movement and Deformation Effect of South Mine and Mining Safety Analysis of the Security Pillar

ZHOU Yong,HE Ying-lai
(Hsikwangshan Twinkling Star Co.,Ltd,Lengshuijiang417502,China)

The surface and underground rock shift of Xikuangshan south mine was observed and studied.It used different means to determine the amount of deformation of the surface movement to understand the filling quality and security pillar safe mining.Combined with the actual situation of the mines,the observational data was used to determine the building’s stability in the upper part of the empty area.

movement and deformation;security pillar;buildings;subsidence;goaf;pressure

TD801

A

1003-5540(2012)05-0001-06

周勇(1968-),男,工程師,主要從事地壓巖移觀測技術管理工作。

2012-07-26