相鄰復雜礦體開采過程對地表穩定性的時空影響研究

王輝鏡 許 威

(1.江西江銅銀珠山礦業有限公司,江西 貴溪 335400;2.江西理工大學資源與環境工程學院,江西 贛州 341000)

隨著社會對礦產資源需求的增長,地下礦山的開采深度逐漸加大[1],同時帶來了巖體失穩、地表變形等安全問題[2]。由于地下開采將原始應力狀態打破,引起圍巖和礦體的應力重分布,易誘發覆巖變形、移動,不可避免地會對地表穩定性產生影響[3]。尤其是相鄰礦山同時開采將對安全生產帶來諸多不利因素[4],例如開采過程中的鑿巖爆破工程易造成生產上的相互干擾,增大地壓管理成本和難度;相鄰礦山開采中段多、采出礦量大時,將對礦體、圍巖造成較強的應力擾動,形成的地表移動帶范圍擴大甚至將出現“相互重疊”的狀態,產生的地表水平變形、垂直沉降將對移動帶內的井筒、斜井、尾礦庫、礦部、居民區、河床等造成不利影響[5]。因此,探究相鄰復雜礦體開采過程與地表穩定性的時空規律,能夠為礦山提供合理的安全生產建議,為開采方案設計和優化提供理論依據。

現階段,地下開采對地表穩定性影響的分析方法主要有數值模擬法、理論法和相似模型模擬法[6-7]。其中較為常用的數值模擬法有適用于連續介質力學的有限元法、邊界元法、有限差分法等,以及適用于非連續介質力學的離散元法、流行元法等。近年來,不少學者通過有限元法分析了礦山開采對地表穩定性的影響。鄒開華等[8]利用Rhino-Flac3D數值模擬法分析了開采深度與地表巖移的時空演變規律,為礦山合理開采與地表巖移控制提供了理論依據;朱鵬瑞等[9]通過現場監測數據與Flac3D數值模擬結果相結合,綜合分析了深部聯合開采交錯區的應力、位移等時空規律,為深部開采地壓顯現的監測預警提供了有效手段;張耀平等[10]通過Flac3D對龍橋鐵礦空區形成過程進行了模擬計算,認為首先達到極限剪切破壞的區域是空區四周各角處,在此基礎上對礦山后續開采設計及生產提供了建議。以上研究表明:基于Flac3D數值模擬法研究地下開采對地表穩定性的影響具有切實可行性,但以往研究傾向于圍繞單一礦山開采展開,涉及多礦山、毗鄰甚至上下交疊的相鄰礦山集中開采的分析較少。因此,本研究以貴溪冷水坑銀鉛鋅礦田內3 座相鄰且中段下降速度不同的礦山為例,提出考慮開采過程的Flac3D三維數值模擬計算方法,將實際生產過程與計算工況相結合,研究開采與地表穩定性的時空規律,供相關研究參考。

1 工程概況

江西省貴溪市銀珠山礦區(銀珠山礦業)、鮑家礦區(鮑家礦業,分南、北礦段和銀路嶺礦體)、下鮑礦區(銀海礦業)均屬冷水坑銀鉛鋅礦田[11](圖1)。由于該礦田被分割成3 個礦權開采(圖1),均有獨立的采礦系統,相互毗鄰甚至上下交疊,開采深度大、服務年限長、中段下降速度不一致,地表內有工業場地、村莊、公路、河流、尾砂庫等重點保護對象,且部分建(構)筑物位于礦山開采地表移動帶以內(如銀海礦業尾礦庫、豎井),開采環境較為復雜。

圖1 冷水坑銀鉛鋅礦田各礦權分布示意Fig.1 Distribution schematic of mineral rights in Lengshuikeng Ag-Pb-Zn ore field

銀珠山礦業的銀珠山礦區位于礦田北部,該礦山正處于基建期,礦區范圍最大,銀鉛鋅資源儲量最多,設計開采標高最深(+110 ～-640 m),礦山服務年限最長(至2043 年),礦區地表橫跨一條公路(鄉道)、3個村莊、冷水河、銀海礦業尾礦庫等。銀海礦業的下鮑礦區位于礦田西南部,設計開采標高為-80 ～-420 m,當前生產中段為-160 m 標高,礦山服務年限至2041 年,礦區地表主要為其工業場地。鮑家礦業雖然處于生產狀態,但其采礦證內資源即將枯竭(暫未深部延伸)。北礦段位于銀珠山礦區南部,與銀珠山礦區緊密相接,最低開采標高為+180 m;南礦段平面上位于下鮑礦區范圍內,與其部分重疊,垂直方向上+50 m 以上為鮑家南礦段,+50～-70 m為隔離礦柱,-70 m 以下為下鮑礦區,南礦段因采用無底柱分段崩落法形成的采空塌陷區面積約14 300 m2;銀路嶺礦區位于鮑家北礦段以南,已開采20 余年,現已閉坑,地表已形成約27 000 m2的采空塌陷區。

3 座礦山均屬于同一礦田甚至同一礦體,礦區范圍屬人為分割,礦床類型均主要為層狀型(層狀、似層狀)和斑巖型(透鏡狀)[12],地層巖性以白堊系下統晶屑凝灰巖(K1e)和燕山期早世花崗斑巖(γπK1e2)為主[13]。

2 礦山建模與數值計算

2.1 礦體建模與網格劃分

首先以3 座礦山的儲量核實報告、勘探線剖面圖等為基礎資料,采用相連線段法(顯式建模法)建立各礦體模型[14]。然后以礦山1 ∶2 000 實測地形等高線生成地表模型,通過勘探線剖面圖中的巖層線將地表模型切割成晶屑凝灰巖(下盤圍巖)和花崗斑巖(上盤圍巖)兩種巖性模型(圖2、圖3)。最后根據圣維南原理,取X軸方向2 500 m、Y軸方向2 800 m、Z軸方向-850 m 標高至地表為數值模擬范圍(圖1)。將礦體劃分成10 m、圍巖劃分成20 m 的三角網格,整個模型節點數為1 590 424、單元數為9 413 354。

圖2 圍巖模型Fig.2 Surrounding rock model

圖3 礦體—圍巖復合模型Fig.3 Composite model for orebody-surrounding rock

2.2 計算參數選取

由于銀珠山礦業未基建開拓、鮑家礦業礦體埋藏較淺,二者存在礦巖體物理力學資料較少、不具代表性等問題,根據《巖石物理力學性質試驗規程》(DZ/T 0276—2015)和《工程巖體試驗方法標準》(GB/T 50266—2013),在銀海礦業下鮑礦區的生產中段對礦體、晶屑凝灰巖、花崗斑巖、充填體進行取樣,開展物理力學性質試驗。在銀海礦業下鮑礦區進行工程/水文地質(結構面)調查,通過GSI 法、彈性波法、系數換算法對礦巖物理力學試驗值進行折減,得到礦巖/充填體物理力學參數推薦值,見表1。

表1 巖體力學參數推薦值Table 1 Recommended values of rock mass mechanical parameters

2.3 礦山開采Flac3D 數值模擬計算

2.3.1 邊界條件

采用彈塑性力學模型,考慮自重應力。前后左右面(X、Y軸)設置邊界位移為0,Z軸方向底部設置邊界位移為0,頂部為自由邊界。

2.3.2 考慮開采過程的工況設計

為準確模擬相鄰復雜礦體開采對地表穩定性的影響過程,選取的開采工況必須與實際生產相結合。故根據冷水坑銀鉛鋅礦田各礦山排采計劃(表2),以年份順序為計算步驟(2025—2043 年),在Flac3D軟件中對礦體先開挖,再充填,在此基礎上,進入下一狀態模擬。具體順序為:工況1(2025KC)模擬計算開采至銀海-120 m 中段→工況2(2025CT)模擬計算充填銀海-120 m 中段→工況3(2030KC)模擬計算開采銀海-160 m 中段、銀珠山110、-240、-390 m 中段→工況4(2030CT)模擬計算充填銀海-160 m 中段、銀珠山110、-240、-390 m 中段,一直計算(開采、充填)到2043 年銀海礦業結束開采。由于鮑家礦業即將閉坑且礦體通地表,數值模擬中只開采不充填。

表2 冷水坑銀鉛鋅礦田各礦山排采計劃Table 2 Drainage plan of each mine in Lengshuikeng Silver-lead-zinc Orefield

3 相鄰復雜礦體開采過程與地表穩定性時空規律

3.1 穩定性判據

本研究地表穩定性判據指標采用《有色金屬采礦設計規范》(GB 50771—2012)、2017 年局部修訂的《煤礦采空區巖土工程勘察規范》 (GB 51044—2014)、《采空塌陷防治工程設計規范(試行)》(TCAGHP 012—2018)、《地質災害地面傾斜監測技術規程(試行)》(T-CAGHP 051—2018)、《煤礦測量規程》(2013 版)、《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》等對于Ⅰ級保護物或一般磚石結構建筑物給出的臨界變形極限值(傾斜量i=3 mm/m、曲率變形K= 0.2 mm/m2、水平變形ε=2 mm/m)。

3.2 計算結果及分析

按照冷水坑銀鉛鋅礦田各礦山排采計劃確定的計算工況計算后,提取出地表節點的X、Y、Z軸方向上的最大位移值,即Δxmax、Δymax和Δzmax,并計算出相鄰點的最大傾斜量imax、最大曲率Kmax及最大水平變形εmax,如圖4所示。

圖4 數值模擬計算結果Fig.4 Calculation results for numerical simulation

選取各開采年度的充填工況計算結果,將開采年度與Δxmax、Δymax和Δzmax、imax、Kmax、εmax6 個參數進行非線性擬合,得到各變形參數的擬合曲線及方程,如圖5所示。

圖5 礦體開采過程與地表穩定性參數擬合結果Fig.5 Fitting results of orebody mining process and surface stability parameters

由圖4、圖5 可知:

(1)冷水坑銀鉛鋅礦田各礦山開采過程中的最大傾斜量imax為0.852 1 mm/m,最大曲率Kmax為0.018 4 mm/m2, 最大水平變形εmax為0.390 1 mm/m,均小于規范要求的臨界變形極限值,說明礦田各礦山采用嗣后充填采礦法且保證充填質量的前提下,礦體開采對地表無顯著不利影響。

(2) 隨著礦田各礦山的開采,Δxmax、Δymax和Δzmax、imax、Kmax、εmax等參數呈雙參數遞增指數關系,擬合關系式為y=e(cx2+bx+a)(a、b、c為擬合參數,x為開采年份)。且2025—2035 年、2037—2041 年間各地表變形參數增長率均顯著增大,是因為銀珠山礦業在該生產階段進行了多中段集中開采,且開采區域內的礦體儲量較大;2035—2037 年、2041—2043 年間各地表變形參數增長率均相對較小,前者是因為開采中段相對較少,后者是由于銀海礦業結束開采和銀珠山礦業深部資源量少所致。

3.3 安全生產建議

針對2025—2035 年和2037—2041 年兩個重點生產階段可能出現地表變形顯著增大的情況,相關措施建議為:① 加強對地表的變形監測,在地表設置變形監測點(水平位移、垂直位移、傾斜等),將村莊、主副井、風井、斜坡道、尾礦庫、河流等列為重點監測對象。② 加強對井下圍巖的地壓監測,預防冒頂、片幫等對井下工作人員造成傷害,對不穩定區域采取錨噴、錨管等支護措施,必要時留設保安礦柱。③ 充分保證充填質量,適當提高充填體強度并及時充填采空區。

4 結 論

(1)冷水坑銀鉛鋅礦田各礦山采用嗣后充填采礦法且保證充填質量的前提下,礦體開采對地表無顯著不利影響;根據開采過程對地表穩定性的時空規律分析可知,2025—2035 年和2037—2041 年兩個重點生產階段可能出現地表變形顯著增大的情況,對此提出了監測、支護、充填采空區等相關建議。

(2)銀珠山礦區資源儲量最多、開采范圍最大、開采標高最深,該礦開采對整個冷水坑銀鉛鋅礦田地表穩定性影響最大,建議礦山基建或試產后,進行采礦方案試驗研究,驗證該礦區開采作業對地表穩定性及相鄰礦山安全的影響。