二道溝礦深井開采地表移動影響分析

吳清明 曹敏 嚴鵬

摘要：二道溝礦以急傾斜極薄礦脈為主，開采深度已達1 500 m，深井開采時地壓活動加劇，采動影響增加。根據巖體力學理論，應用Midas-GTS軟件，通過數值分析，研究了深井開采高應力環境影響下地表移動的規律。對于二道溝礦區的地質及巖石條件，在采用淺孔留礦采礦法開采的中段，地表下沉量持續增加，開采到420 m中段時，地表最大下沉量達到7 mm左右，繼續向深部開采，地表下沉量趨于穩定。深井開采對地表移動影響甚微，地表最大下沉量小于8 mm，未達到傳統邊界角的劃定邊界。

關鍵詞：深井開采;急傾斜極薄礦脈;地表移動;數值分析;Midas-GTS

中圖分類號：TD323文獻標志碼：A

文章編號：1001-1277（2020）06-0040-04?doi：10.11792/hj20200609

引?言

隨著黃金礦山地下開采不斷向深部發展，急傾斜極薄礦脈開采引起的巖層移動問題，具有與傾斜、緩傾斜礦體開采及淺部開采造成巖層移動特征不同的特點，因此，成為采礦界關注的研究方向之一[1-2]。巖層及地表移動的主要影響因素包括地質條件（如礦巖力學性質、礦體產狀與埋深、地形地貌及覆蓋層情況等）和采動狀態（如開采范圍、采礦方法、重復采動等）[3]。一般來說，在礦巖條件一定時，隨著采動范圍的擴大，采場地壓會增大，圍巖穩定性會受到影響，繼而發生一定程度的巖層位移。地下采場開挖空間是一種極其復雜的結構物，其圍巖巖體具有非均質、非線性、不連續加卸載條件、邊界條件復雜等特征[4]。

對于礦山開采過程中巖層及地表的移動，傳統的研究方法是利用有關儀器設備取得大量監測數據，然后采用相應的經驗公式進行分析。隨著計算機及數字技術的發展，利用有關數值模擬方法進行巖層及地表移動分析，尤其是復雜條件下的巖層及地表移動分析更為精確及時。常用的數值模擬方法有多種，有限單元法在處理復雜條件下的巖層及地表移動問題時更具有優越性。Midas-GTS是將通用的有限元分析內核與巖土結構的專業性要求有機結合而開發的三維數值分析軟件，其技術成熟，直觀可視[5]。

中國黃金集團夾皮溝礦業有限公司（下稱“夾皮溝礦業公司”）二道溝礦與長沙礦山研究院有限責任公司合作開展了“二道溝礦地下開采巖移研究”項目，這一研究對正確認識和掌握急傾斜極薄金礦脈深井開采引起巖層及地表移動特性，合理安排礦山開采具有重要意義。

1?礦山開采概況

二道溝礦是夾皮溝礦業公司的主力礦山，開采急傾斜極薄礦脈，目前開采深度已超過1 500 m。深井開采時地壓活動加劇，采動影響增加[6]，因其引起的巖層及地表移動是礦山十分關注的問題。

1.1?礦山地質

夾皮溝礦業公司二道溝礦地處長白山系威虎嶺南端。礦區最高標高694 m，最低侵蝕基準面標高538 m，最大相對高差156 m，地貌特征屬構造剝蝕低山區。

礦區大地構造位置處于天山—陰山東西向構造帶東端與新華夏系第二隆起帶張廣才嶺交接地段，是輝南—樺甸—和龍金鐵成礦帶中部主要的金礦集中區和產金基地。

二道溝礦床位于啞鈴狀鉀質花崗巖上盤接觸帶。礦體呈脈狀和似板狀產出，以石英脈為主，呈北西向分布，傾向為北東向50°±，傾角58°～87°。控制的工業礦體總延長675 m，總延深1 210 m。礦體最大厚度5.15 m，平均厚度1.50 m，礦體深部變薄，平均厚度0.53 m。礦體上盤圍巖為各種片麻巖，包括混合片麻巖、細粒斜長片麻巖、斜長片麻巖及碎裂巖等，下盤圍巖以斜長角閃巖為主。

目前，主要開采深部新1號礦體和12號礦體。礦體均受壓扭性斷裂構造控制，主要賦存在斜長角閃巖與角閃斜長片麻巖接觸帶的擠壓蝕變斷裂帶中。新1號礦體沿走向最大連續延長750 m，最大見礦深度在-602 m標高;礦體走向350°～360°，傾向80°～90°，傾角70°～80°，平均厚度0.71 m。12號礦體在690 m中段沿脈控制長度400 m;礦體走向335°～350°，傾向65°～80°，傾角65°～75°，平均厚度0.47 m。

礦體與圍巖均屬堅硬—極堅硬巖石，構造條件簡單，圍巖穩定性好，工程地質條件屬簡單類型。礦山水文地質條件也屬簡單類型。

1.2?開采現狀

二道溝礦采用平硐-豎井-盲豎井聯合開拓。豎井采用三段提升，明豎井（一段提升）開拓0 m～240 m中段，一盲井（二段提升）開拓240 m～690 m中段，二盲井（三段提升）開拓690 m～1 500 m中段。

采礦方法以削壁充填采礦法為主，當脈厚大于0.8 m時采用干式充填法。淺部510 m中段以上礦脈比較厚，采用淺孔留礦采礦法開采。目前開采至1 365 m中段。

1.3?地表采動影響現狀

二道溝礦區多為林地，植被覆蓋率高，對礦體露頭部分也未開采，最淺0 m中段距地表平均距離約20 m，經對礦區周邊多點多次踏勘，未發現明顯塌陷區域及巖層移動產生的裂縫，礦山的地下開采工程對地表基本無影響。

2?地表移動數值模擬分析

2.1?巖石力學性質

二道溝礦區礦體圍巖為角閃巖和混合片麻巖，利用MTS-815全數字型液壓伺服控制巖石力學試驗系統對2種巖石取樣試驗，分別得到巖石的單軸抗壓強度、抗拉強度和泊松比等力學參數，結果見表1。

2.2?計算模型及參數

采用具有良好前處理建模功能的Midas-GTS有限元軟件建立計算網格。

根據地表地形圖、井上下對照圖及0 m～1 365 m中段的各中段平面圖，建立數值計算模型，研究區域數值模型見圖1。數值計算模型尺寸為：長1 700 m，寬1 300 m，最大高度約2 100 m（包括地表），共劃分為475 203個節點和83 727個單元。

計算過程采用Mohr-Coulomb本構模型。邊界約束條件為：模型四周約束水平位移，模型底部約束垂直位移，上部地表為自由表面，模型主要考慮角閃巖及混合片麻巖物理力學參數（見表1）。

2.3?計算方案

根據礦山由上向下逐個中段開采的順序，目前主要開采對象為新1號礦體，礦體平均厚度0.71 m，傾角70°～80°，傾向80°～90°，走向350°～360°，位于14勘探線—15勘探線，總體上呈比較規則的單脈產出。淺部240 m～510 m中段采用淺孔留礦采礦法開采并回收了殘礦而遺留為采空區，510 m中段以下主要采用削壁充填采礦法開采。礦體模型見圖2。

數值模擬分54步計算，首先計算初始應力平衡，之后分別計算各中段采動影響。2～7步計算240 m中段及以上淺部礦體的開采影響;8～14步計算285 m～465 m中段開采1號、2號、新1號、0號礦體的影響;15～18步計算510 m～555 m中段開采1號、2號、新1號礦體的影響;19～54步計算600 m～1 365 m中段開采新1號礦體的影響，同時考慮對采用削壁充填采礦法開采的各中段進行充填模擬。除0 m～240 m各中段高度為40 m外，其他中段高度皆為45 m，中段分布情況見圖2。

2.4?地表影響分析

通過對模擬計算結果的分析，發現二道溝礦地表移動變形值未達到移動角邊界界定值，不能劃定傳統定義的移動角;最大下沉值不到8 mm，也未達到傳統邊界角的劃定邊界（10 mm），同樣不能劃定傳統意義的邊界角。

為了直觀描述礦山地下開采對地表的影響趨勢及擴張方向，定義下沉量2 mm為下沉邊界來分析。模型計算的二道溝礦開采過程中地表下沉的部分典型等值線見圖3～7。

從圖3可以看出：240 m中段開采結束時，傾向影響范圍約400 m，走向方向約405 m，最大下沉量約6.6 mm。

從圖4可以看出：420 m中段開采結束時，傾向影響范圍約478 m，走向方向約506 m，最大下沉量約7.4 mm。

從圖5～7可以看出：690 m、870 m及1 365 m中段的下沉區規模及下沉量無明顯變化，傾向影響范圍約603 m，走向方向約601 m，最大下沉量約7.8 mm。

反映各中段開采過程中地表最大下沉量的曲線（見圖8）能看出其變化規律。從圖8可以看出：明豎井開采階段（綠色箭頭）最大下沉量變化速度較快，進入一盲井開采階段（藍色箭頭）最大下沉量變化速度趨于緩和，二盲井開采階段（橙色箭頭）基本維持不變。

由于淺部礦體采用淺孔留礦采礦法開采，并回收了殘礦，在明豎井段形成采空區，是礦區地表下沉量增加相對較快的時期，地表形成一個似橢圓的下沉區域，但下沉量較小，最大下沉量僅為6 mm左右;在一盲井開采階段（285 m～690 m中段），由于上部中段仍繼續采用淺孔留礦采礦法開采，地表下沉量繼續增加，在開采到420 m中段時，地表最大下沉量達到7 mm左右，繼續向深部開采，地表下沉量趨于穩定。

3?結?論

1）通過計算分析得知，二道溝礦深井開采對礦山地表影響甚微，地表最大下沉量在420 m中段開采結束時趨于穩定，最大下沉量未超過8 mm，與地表實地踏勘情況相符，不能劃定傳統意義的邊界角，或者說難以用傳統意義上的邊界角來解釋二道溝礦開采與地表移動的關系。

2）由于二道溝礦在420 m中段向下開始采用削壁充填采礦法開采，加之開采深度加深，地下開采對地表的影響越來越小，420 m～1 365 m中段開采過程中，地表最大下沉量沒有增加且一直維持在8 mm以下，主要變化在于下沉量2 mm的等值線范圍局部擴大，但是對地表影響甚微。這一定程度上說明，對于如二道溝礦這種急傾斜極薄礦脈，其深部開采對地表移動基本無影響。

3）深井開采時地應力增大，地壓活動加劇是客觀存在的，在采礦生產過程中要加強開采順序、采準結構、采充工藝的綜合協調，防止巖層移動的發展。

[參 考 文 獻]

[1]?廖文景，徐必根，李偉明，等.地下金屬礦山急傾斜薄礦脈采空區群穩定性研究[C]∥中國冶金礦山企業協會.2010’中國礦業科技大會論文集.北京：中國冶金礦山企業協會，2010：121-123.

[2]?趙海軍，馬鳳山，丁德民，等.急傾斜礦體開采巖體移動規律與變形機理[J].中南大學學報（自然科學版），2009，40（5）：1 423-1 429.

[3]?付俊.金屬礦山急傾斜薄礦體開采巖層移動及地表影響研究[D].長沙：長沙礦山研究院，2014.

[4]?趙小稚，徐振軍.曹家洼金礦采場圍巖穩定性分析[J].地下空間與工程學報，2014，10（2）：486-491.

[5]?祝澤輝，郭佳寧，陳國濤.基于Midas-GTS的礦山開采對地表村莊沉降分析[J].黃金，2017，38（12）：35-38.

[6]?顏榮貴.建筑物下采礦的巖移隨機介質理論及其在黃金礦山的應用前景[J].黃金，1992，13（7）：13-16.