龍口礦區地下開采覆巖移動和地表變形研究

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有限責任公司,山東 煙臺市 265147;2.中國礦業大學(北京)能源與礦業學院,北京 100083)

0 引言

礦體地下開采破壞了原始應力平衡狀態,引起應力重新分布,產生圍巖次生應力場,當達到臨界變形以后,就會發生圍巖破壞和移動。開采引起的覆巖移動涉及地表變形、開裂,甚至影響地表地質環境、人民生命和財產安全。

賈林剛等[1]探討了充填開采步距對覆巖移動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移特征;張吉雄等[3]通過對矸石充填作業的細致分析,對覆巖關鍵層移動狀況做了判斷,并對充填作業當中關鍵層移動導致的頂板變形做了描述;郝寶生[4]從實地測設出發,對矸石充填作業面受外力狀況作了觀察,研究成果對探討頂板下沉規律有明顯的作用;楊寶貴[5]等利用數值模擬方法研究了充填開采上覆巖層的運移規律;CAO 等[6]提出了力學模型的邊界條件,得到了覆蓋層運動和表面沉降規律;鄒開華等[7]模擬不同開采深度覆巖移動時空演變,確定地表移動范圍。

現階段,我國分析淺部井下采動對地表沉降影響主要采用經驗公式法、工程類比法以及現場監測法等。但隨著地下金屬礦床開采深度的增加,應用上述方法分析地表沉降常導致巖層移動愈發嚴重,地表變形范圍過大,致使礦山不得不擴大地表變形保護范圍,擴大征地面積。對深部采動影響地表沉降預測過小,則無法保證地表建筑物的安全,同時造成地表環境嚴重破壞。

為有效分析井下充填開采誘發的巖移和地表沉降變形,需要系統研究開采過程中采場以及圍巖的穩定性。本文根據礦區資源開采現狀,結合礦山地質資料建立開采巖移模型,通過模型分析覆巖移動過程,揭示上覆巖層移動規律和地表變形引起建筑物損傷程度,最終實現地下礦體開采對覆巖移動和地表安全性影響的準確分析。

1 工程背景

以山東省龍口礦區為工程背景,該礦山生產能力為90 000 t/a,主要采用房柱采礦法(嗣后充填)開采。礦區位于丘陵地帶,環境地質條件穩定,基巖出露較好,巖石完整、堅硬。L1、L2為主要礦體,賦礦巖性主要為構造角礫狀、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。礦體多沿走向斷續展布,分枝復合、尖滅再現、膨脹狹縮等現象明顯。

L1礦體賦存標高為－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 巖移數值模擬設計

2.1 剖面選擇

由于礦區地表變化較大,將地表的形貌進行統一化處理顯然不合理。模擬計算地表變形值時需考慮地表形態隨開采深度變化呈現的差異性。選擇地質剖面時,主要遵循以下原則:

(1)剖面應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)所選剖面應盡可能包含所有主要礦體,用以分析不同礦體在復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剖面進行模擬分析。

2.2 采礦方法選擇

結合礦山開采初步設計、礦體物理力學性質、充填體性質等資料,構建礦區地表、地層和礦體的數值計算模型,分析龍口礦區地下采場穩定性及地表安全。揭示井下空場嗣后充填開采上覆巖層的移動規律,分析地表下沉量、傾斜、曲率、水平變形等地表主要變形參數,揭示地表變形的演化過程。

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

由于廢石大小不一,導致不能密實充填,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,模擬充填時采用不接頂充填。模擬監測地點主要選擇礦體上盤、地表以及頂底板等位置,模擬開采過程中誘發的圍巖移動和地表變形等。

3 覆巖移動和地表變形分析

3.1 巖移演變

根據位移數值模擬,得到不同開采水平礦體充填完畢后對應的總位移圖。由于各開采水平的礦體形態、傾角和厚度各不相同,充填結束后位移也差異明顯。以12#剖面礦體開采為例,選取＋70 m、＋40 m、＋10 m、－110 m 4個不同開采水平充填完畢時的圍巖總位移云圖(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,位移區域不斷增加且集中于上下盤礦巖接觸帶,這是因為充填體占據采場空區的比例愈加增高,但其各向物理力學參數都小于礦石及圍巖,承擔了較大的來自上下盤附加的二次分布應力,大幅度削弱了對承載圍巖的支撐力度。

3.2 覆巖移動規律

由圖1可知,礦體按照95%充填后形成了部分采空區,這給上覆巖層的移動創造了條件。距離開采區域越近,巖體的位移越大,上盤巖體位移量明顯大于下盤巖體。隨著開采工作的進行,因不接頂充填,采空區愈發增大,由于礦體并不是水平分布的,而是具有一定的傾角,在自重和采動應力的共同作用下,覆巖移動區域向深部發展,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的水平距離設置一個監測點,主要觀測地表的移動,共設置8個。地表觀測點布置如圖3所示。

圖3 12#剖面地表觀測點布置

記錄各個中段礦體開采完成后,采空區充填結束時監測點的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部分監測點距離開采區域水平距離較遠,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#剖面各監測點X 軸位移變化曲線

圖5 12#剖面各監測點Z 軸位移變化曲線

從各監測點X軸和Z軸觀測數據可以看出,回采剛開始時,地表巖移量均增加。＋70 m 水平開采屬于平穩階段,礦體厚度較小,充填后采空區較小,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,采空區達到較大體積,同時,無法用廢石使充填密實,水平位移和地表下沉值顯著增大。各剖面地表最大位移統計結果見表1。

表1 典型剖面地表最大位移

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

當采空區尺寸達到該地質采礦條件下的臨界尺寸時,地表下沉值達到該地質采礦條件下的最大下沉值。根據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之間存在如下關系:

式中,b為水平移動系數,與巖性有關。

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,經過計算,開采誘發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《金屬非金屬礦山安全規定》(GB 16423—2020),磚混結構損壞等級見表3。

表2 典型剖面地表變形

表3 磚混結構建筑物損壞等級

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

4 結論

本文通過理論分析和數值模擬的方法對地下礦體充填開采過程中的覆巖移動和地表變形進行分析,取得以下結論:

(1)通過模擬礦體開采活動中引起的經常性覆巖移動,可以較為準確地得到各開采水平相對應的巖移云圖,選擇剖面典型,建模細致,可為后續開采活動引起覆巖移動和地表變形分析提供依據。

(2)開采過程中,上覆巖層移動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階段,增量不明顯;隨著開采深度的增加,位移緩慢增加;當開采至一定深度時,采空區體積較大,水平位移和沉降顯著增加。

(3)經過計算,礦體開采誘發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),充填開采對地表穩定影響較小,地表建筑物損壞等級為I級。