小汪溝鐵礦采空區(qū)冒落進(jìn)程控制及監(jiān)測技術(shù)研究

劉 娜 任鳳玉 張東杰

(東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819)

小汪溝鐵礦深部采區(qū)應(yīng)用無底柱分段崩落法開采，分段高度15 m，進(jìn)路間距18 m，首采分段位于+60 m水平，該分段自2011年3月開始回采，到目前為止，已經(jīng)回采至0 m分段水平。隨著開采的進(jìn)行，在井下形成了大規(guī)模連續(xù)的采空區(qū)，而現(xiàn)今正在使用的地面運(yùn)輸?shù)V巖的道路與露天炸藥暫存庫均位于采空區(qū)之上，深受空區(qū)頂板冒落的威脅[1-3]。目前在所形成的塌陷坑周圍(近道路一側(cè))已經(jīng)可以觀測到明顯的斷裂線，見圖1所示。

為保障道路使用安全，礦山?jīng)Q定向塌陷坑充填廢石，借助充填料的側(cè)向壓力來限制塌陷坑的進(jìn)一步擴(kuò)張[4-5]，從而保護(hù)道路不受破壞。本研究采用數(shù)值模擬手段預(yù)測了深部采空區(qū)上覆巖體冒透地表并出現(xiàn)塌陷坑的時(shí)間，同時(shí)進(jìn)一步模擬分析了向塌陷坑充填散體對邊壁巖體穩(wěn)定性的影響；隨后，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際鉆孔監(jiān)測對井下空區(qū)上覆巖體的冒落跡象進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測觀察，以此來準(zhǔn)確掌握采空區(qū)冒透地表形成塌陷坑的時(shí)間，為運(yùn)礦道路的安全使用提供依據(jù)。礦山道路與塌陷坑相對位置及監(jiān)測孔位置見圖2所示。

圖1 運(yùn)礦道路一側(cè)斷裂線發(fā)育情況Fig.1 Development situation of the fracture lineon one side of ore-transported road

圖2 礦山道路與地表塌陷坑位置Fig.2 Location of mine road and surface collapse pit

1 地表塌陷的數(shù)值模擬分析

1.1 模型的建立

在現(xiàn)有數(shù)值模擬軟件中，F(xiàn)LAC3D軟件作為近年來興起并發(fā)展起來的有限差分計(jì)算軟件，其基本原理雖類同于離散單元法，但卻能像有限元那樣，適用于多種材料模式與邊界條件的非規(guī)則區(qū)域的連續(xù)介質(zhì)問題求解[6]。結(jié)合小汪溝開采實(shí)際情況建立的FLAC3D模型見圖3所示。

圖3 礦山FLAC3D模型Fig.3 FLAC3D model of mine

數(shù)值模擬的可靠性在一定程度上取決于所建立的計(jì)算模型是否合理，因此需要選擇適當(dāng)?shù)挠?jì)算剖面及計(jì)算范圍，確定計(jì)算模型的約束條件及應(yīng)力邊界條件，選取適當(dāng)?shù)拈_挖步數(shù)，并對計(jì)算模型進(jìn)行離散化處理。本方案設(shè)計(jì)模型尺寸為1 500 m×1 500 m×600 m，模型坐標(biāo)原點(diǎn)為0 m水平面的塌陷坑中心處，為便于計(jì)算，模擬開挖過程在實(shí)際開采計(jì)劃的基礎(chǔ)上做了一定程度的簡化，但回采順序與實(shí)際采礦一致，自上而下將礦體分成若干分段進(jìn)行回采，分段高度為15 m。模型計(jì)算所用巖體力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameter

1.2 采空區(qū)塌陷時(shí)間預(yù)測

當(dāng)+30 m分段回采結(jié)束后，隨著后續(xù)開采的進(jìn)行，模擬其開挖后的塑性區(qū)見圖4，塑性區(qū)顯示在采空區(qū)上部裂紋已經(jīng)擴(kuò)展至地表，此時(shí)地表相關(guān)區(qū)域應(yīng)該會(huì)出現(xiàn)塌陷坑。

圖4 +30 m分段開挖后的塑性區(qū)Fig.4 Plastic zone of +30 m section after excavation

1.3 塌陷坑被散體充填后地表變形情況

隨著地表塌陷坑的形成，向塌陷坑內(nèi)充填廢石，用以支撐邊壁巖體、防止塌陷坑進(jìn)一步擴(kuò)張，在此基礎(chǔ)上對模型進(jìn)行回采模擬分析。在模型中，距離塌陷坑每隔40 m設(shè)定1個(gè)變形監(jiān)測點(diǎn)，分別沿走向與傾向方向記錄地表的水平與豎直變形，如圖5所示。

模擬結(jié)果表明，當(dāng)?shù)乇沓霈F(xiàn)塌陷坑時(shí)，說明已經(jīng)發(fā)生了比較嚴(yán)重的變形，表現(xiàn)為水平方向向塌陷坑處收縮(最大變形20 mm)以及塌陷坑周邊的地表沉降(最大變形73 mm)。在礦體走向方向(模型X方向)與傾向方向(模型Y方向)上，豎直方向變形均大于水平方向變形，即變形以沉陷為主導(dǎo)。此外，在塌陷坑的4個(gè)監(jiān)測方向上，變形量也有一定區(qū)別，導(dǎo)致這種情況的主要原因在于深部采空區(qū)形態(tài)不規(guī)則，這對上覆巖體的冒落有比較明顯的影響。由于塌陷坑內(nèi)廢石充填散體的擠壓作用，隨著礦體開采延深，地表沒有發(fā)生明顯的變形增大趨勢。

1.4 塌陷坑未被充填時(shí)地表變形情況

當(dāng)?shù)乇硭菘有纬珊螅椅幢粡U石散體充填時(shí)，地表變形情況見圖6。

模擬結(jié)果表明，沒有充填體支撐圍巖將導(dǎo)致塌陷坑周邊圍巖的變形隨著礦體向下開采而不斷變大，增大塌陷坑繼續(xù)擴(kuò)張的可能性。特別需要注意，靠近礦體上盤側(cè)的塌陷區(qū)域會(huì)隨著采深的增加而增大；隨著開采的進(jìn)行，上盤側(cè)采空區(qū)逐漸擴(kuò)大，致使上覆巖體承受較大的采動(dòng)壓力，達(dá)到一定程度后隨即發(fā)生冒落，使塌陷坑范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。

圖5 塌陷坑被廢石散體充填后地表變形情況Fig.5 Surface deformation of collapse pit filled with waste rocks 注：由下往上開采中段分別為+45 m、+30 m、0 m、-30 m、-60 m、-90 m、-120 m

圖6 塌陷坑未被散體充填時(shí)地表變形情況Fig.6 Surface deformation of collapse pit without filling the waste rock 注：由下往上開采中段分別為+45 m、+30 m、0 m、-30 m、-60 m、-90 m、-120 m

分析結(jié)果表明，由地表向塌陷坑充填的廢石散體會(huì)起到很好的支撐作用，可有效地控制塌陷坑周圍巖體破壞范圍的擴(kuò)大以及塌陷坑的進(jìn)一步發(fā)展。同時(shí)，地表塌陷坑周邊圍巖的變形以豎直沉降變形為主，向塌陷坑的水平方向收縮變形為次。如果不對地表塌陷坑進(jìn)行廢石充填，礦體上盤圍巖的變形會(huì)隨著開采的延深而變形加劇，導(dǎo)致塌陷坑進(jìn)一步擴(kuò)大。

2 采空區(qū)冒落監(jiān)測

為監(jiān)測采空區(qū)冒落進(jìn)程，前期共布置2個(gè)監(jiān)測鉆孔，分別為1#監(jiān)測孔與2#監(jiān)測孔，實(shí)際監(jiān)測深度均為120 m。其中1#監(jiān)測孔在距地表12.3 m處堵塞，已經(jīng)無法監(jiān)測使用。因此，本次研究主要應(yīng)用2#監(jiān)測孔，2#監(jiān)測孔位置見圖2。2#監(jiān)測孔具體的監(jiān)測變化情況見表2所示。

表2 不同時(shí)期2#監(jiān)測孔監(jiān)測變化情況Table 2 Monitoring changes of 2# monitoring hole in different periods

經(jīng)了解，2015-09-10 21:00時(shí)左右采空區(qū)發(fā)生了通達(dá)地表的大冒落，地表出現(xiàn)了較大范圍的塌陷坑，見圖7所示。通過現(xiàn)場實(shí)測，形成的地表塌陷坑長約110 m，寬約55 m，深約30 m。此次大冒落，在0 m水平井下淺采工作人員聽到較大冒落聲響，并有少量灰塵從采場內(nèi)透出。2015-09-11上午通過2#監(jiān)測孔進(jìn)行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)孔深未發(fā)生變化，但孔底空區(qū)高度由原來的16 m減小到4 m，表明監(jiān)測孔所在位置的采空區(qū)上覆巖體并未發(fā)生冒落，主要是來自其他部位的冒落散體將下部的采空區(qū)進(jìn)行了充填[7-9]，充填高度達(dá)12 m。

圖7 地表塌陷坑形態(tài)Fig.7 Shape of the collapse pit

3 地表塌陷控制技術(shù)

鑒于空區(qū)冒落威脅的緊迫性，于2015-09-21下午開始對地表塌陷坑進(jìn)行充填，充填過程中廢石向空區(qū)內(nèi)流動(dòng)的跡象明顯，見圖8所示。

由于2處塌陷坑充填點(diǎn)所在位置并不安全，應(yīng)將充填位置調(diào)整至巖性較好，且空區(qū)對地表影響較小的區(qū)域，傾倒時(shí)邊緣處理成斜面或利用散體流沖擊成斜面，保證充填車輛遠(yuǎn)離空區(qū)邊緣，最大限度確保充填作業(yè)的安全。截止2015-09-23下午，向塌陷坑共回填約1.5萬m3廢石。

圖8 塌陷坑充填現(xiàn)狀圖Fig.8 Present situation of filling the collapse pit

通過對不同時(shí)期計(jì)算所得的散體下移量進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)塌陷坑冒透地表后，并對塌陷坑進(jìn)行充填至散體不再下移時(shí)，在此期間通過監(jiān)測孔測得的采空區(qū)內(nèi)渣堆下移量最小為2.86 m，而采空區(qū)未冒透地表及冒透地表后未進(jìn)行充填時(shí)的渣堆下移量均大于此數(shù)值，說明向塌陷坑內(nèi)充填散體可有效減緩空區(qū)內(nèi)渣堆的下移速度，縮小采空區(qū)的空間暴露面積，進(jìn)而控制空區(qū)頂板的冒落進(jìn)程。

據(jù)此分析確定，地表運(yùn)輸?shù)V巖的道路能否有效得到保護(hù)取決于向塌陷坑內(nèi)充填散體的速度，隨著空區(qū)內(nèi)散體的下移，同步快速充填地表塌陷坑，保障充填散體堆始終高于地表，使采空區(qū)內(nèi)散體渣堆與覆巖無法形成大的空隙，利用散體的側(cè)向壓力對靠近道路一側(cè)的邊壁巖體形成支撐作用，控制裂紋向道路方向發(fā)展，進(jìn)而解除道路面臨的陷落危害。

4 結(jié) 論

(1)通過數(shù)值建模，模擬了礦山當(dāng)前情況下地表塌陷坑形成的原因及過程。結(jié)果表明，隨著深部采礦的進(jìn)行，當(dāng)+30 m分段開采結(jié)束后，采空區(qū)上覆巖體的裂紋將擴(kuò)展至地表，此時(shí)在地表的相關(guān)區(qū)域可能會(huì)形成塌陷坑，該依據(jù)為后續(xù)運(yùn)礦道路安全行車提供了保障。

(2)數(shù)值模擬結(jié)果表明，向地表塌陷坑充填的廢石散體會(huì)起到很好的支撐作用，可有效地控制塌陷坑周圍巖體破壞范圍的擴(kuò)大以及塌陷坑的進(jìn)一步發(fā)展。同時(shí)，地表塌陷坑周邊圍巖的變形以豎直沉降變形為主，向塌陷坑的水平方向收縮變形其次。

(3)地表運(yùn)輸?shù)V巖的道路能否有效得到保護(hù)取決于向塌陷坑內(nèi)充填散體的速度，確保充填散體堆始終高于地表，使采空區(qū)內(nèi)散體渣堆與覆巖無法形成大的空隙，借此控制裂紋向道路方向發(fā)展，進(jìn)而解除道路面臨的陷落危害。

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