某銅礦地下開采對(duì)地表古銅礦遺址的安全影響

何承堯 范 慶 霍洪巖 范進(jìn)才

(1.浙江漓鐵集團(tuán)有限公司；2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司；3.金屬礦山安全與健康國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；4.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司；5.天津礦山工程有限公司；6.海南山金礦業(yè)有限公司)

某銅礦始建于1995年7月，生產(chǎn)規(guī)模為原礦3萬t/a，采用淺孔留礦法采礦，對(duì)角式通風(fēng)系統(tǒng)，一段排水方式，目前開采深度為52～-50 m水平。礦區(qū)西側(cè)為某古銅礦遺址，為全國重點(diǎn)文物保護(hù)單位，區(qū)域內(nèi)有2處核心保護(hù)區(qū)域，一處為西周至漢代的銅礦冶煉遺存，占地面積約150萬m2，煉渣堆厚度為0.5～1.5 m，古煉渣儲(chǔ)量約50萬t，居全國之首；另一處為南北朝至唐宋時(shí)期的冶煉遺存，占地面積約22萬m2，主要以煤礦為燃料，煉渣堆積厚達(dá)8 m以上，儲(chǔ)量超過40萬t，十分罕見。礦山遠(yuǎn)景規(guī)劃將向西側(cè)擴(kuò)界，因此需要進(jìn)一步研究遺址下方采礦活動(dòng)對(duì)其影響，從而為礦山后期開采提供理論支撐[1-2]。

1 水文及工程地質(zhì)特征

1.1 水文地質(zhì)特征

礦區(qū)位于長江南岸沿江丘陵區(qū)域，地勢總體特征為西南高、東北低。礦區(qū)內(nèi)最高標(biāo)高86.00 m，位于礦區(qū)東部；最低標(biāo)高59.76 m，位于礦區(qū)西南部，相對(duì)高差26.24 m，地形總體較平緩，坡度均在10°以下，植被較發(fā)育。礦區(qū)內(nèi)地表水體屬長江水系，水體不發(fā)育，其補(bǔ)給主要來自大氣降水，且由于地形稍有起伏，地表水排泄通暢。按含水介質(zhì)、孔隙類型和地下水的賦存條件，礦區(qū)及外圍地下水類型可劃分為松散巖類孔隙水、碳酸鹽類裂隙溶洞水和基巖類裂隙水等。水量極貧乏的松散巖類孔隙水的含水巖組分布于礦區(qū)北、西南外側(cè)，含水巖組巖性為全新統(tǒng)沖洪積粉質(zhì)黏土、含碎石粉質(zhì)黏土，厚度約5.0 m，水力性質(zhì)為潛水，水位埋深為2～3 m，富水性?。凰恳话愕奶妓猁}類裂隙溶洞水含水巖組分布于整個(gè)礦區(qū)及外圍，含水巖組由三疊系下統(tǒng)和龍山組灰?guī)r、矽卡巖等組成，該含水巖層為礦區(qū)礦層頂板，巖溶弱發(fā)育，局部構(gòu)造裂隙發(fā)育，富水性弱；水量極貧乏的塊狀巖類裂隙含水巖組分布于礦區(qū)東南及其外側(cè)，含水巖組由燕山晚期花崗閃長巖等組成，巖體淺部風(fēng)化裂隙較發(fā)育，發(fā)育深度一般為4～8 m，深部發(fā)育有構(gòu)造裂隙，呈閉合狀。礦區(qū)地下水富水性較差，賦存于風(fēng)化裂隙中。

礦區(qū)地下水接受大氣降水垂向入滲補(bǔ)給，并沿構(gòu)造裂隙向下部運(yùn)移，區(qū)內(nèi)地下水流向大體上自南東向北西運(yùn)移，并以泉、地下徑流等形式排泄于區(qū)外，同時(shí)，蒸發(fā)也是地下水的主要排泄方式之一。目前，礦山最低開采標(biāo)高為-50 m，地下水仍接受大氣降水垂直入滲補(bǔ)給，但徑流、排泄條件發(fā)生了變化，地下水向礦山地下開采坑道徑流，排泄方式以人工排泄為主，礦區(qū)總體水文地質(zhì)條件為簡單類型。

1.2 工程地質(zhì)特征

根據(jù)巖土體的成因類型、物質(zhì)成分、巖體結(jié)構(gòu)、物理力學(xué)性質(zhì)等因素，礦區(qū)可分為第四系松散巖組、碳酸鹽巖類工程地質(zhì)巖組、巖漿巖類工程地質(zhì)巖組。

(1)第四系松散巖組。該巖組分布于礦區(qū)北部及西南外側(cè)，巖性為第四系全新統(tǒng)蕪湖組粉質(zhì)黏土、含碎石粉質(zhì)黏土，厚度為0.5～5.0 m。該土體呈可塑狀，中壓縮性，自由膨脹率為23%～28%，含水量為20.1%～25.7%，孔隙比為0.54～0.70，塑性指數(shù)為15.2～22.5，液性指數(shù)為0.03～0.24，壓縮系數(shù)為0.11～0.28 MPa-1，黏聚力為30～50 kPa，內(nèi)摩擦角為 12.7°～21.0°，承載力特征值為200～300 kPa。

(2)碳酸鹽巖類工程地質(zhì)巖組。該巖組分布于整個(gè)礦區(qū)，由三疊系下統(tǒng)和龍山組灰?guī)r夾薄層狀鈣質(zhì)泥頁巖、灰?guī)r經(jīng)熱變質(zhì)及接觸交代變質(zhì)形成的矽卡巖等組成，薄層狀結(jié)構(gòu)，密度為2.68～2.92 g/cm3，干抗壓強(qiáng)度為78.4～110.5 MPa，受巖體影響，巖石角巖化蝕變較強(qiáng)。

(3)巖漿巖類工程地質(zhì)巖組。該巖組分布于礦區(qū)東南角，由燕山晚期花崗閃長巖組成，全晶質(zhì)半自形中粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，新鮮巖石堅(jiān)硬，干抗壓強(qiáng)度為80.0～168.0 MPa。巖體淺部風(fēng)化裂隙發(fā)育，巖體呈破碎狀，風(fēng)化裂隙發(fā)育深度一般為4～8 m，風(fēng)化巖石力學(xué)強(qiáng)度明顯降低，深部巖體發(fā)育有構(gòu)造裂隙，呈閉合狀。

礦山頂?shù)装鍨榛規(guī)r及花崗閃長巖，穩(wěn)固性好，但靠近礦體的位置，主要為層狀、條帶狀矽卡巖，塊狀矽卡巖或?qū)訝钗◣r化大理巖，巖石較破碎，采礦時(shí)需防止掉塊。在裂隙及巖溶發(fā)育地段易造成局部垮塌。該礦床屬于中等工程地質(zhì)類型礦床[3-4]。

2 開采沉陷對(duì)地表建(構(gòu))筑物的影響

2.1 建(構(gòu))筑物下采礦理論依據(jù)

(1)建(構(gòu))筑物容許變形值較地表靜態(tài)變形值大，即固定開采邊界上方的地表變形值不會(huì)對(duì)建(構(gòu))筑物產(chǎn)生有害影響[3]。

(2)采用安全可靠的對(duì)策措施可有效減小地表變形。

(3)通過采取一些建筑加固措施來提高其抗變形能力，使其允許變形值較地表動(dòng)態(tài)和靜態(tài)變形值大[3]。

(4)當(dāng)建(構(gòu))筑物允許變形值與地表靜態(tài)變形值相差不大時(shí)，采動(dòng)之后可對(duì)建(構(gòu))筑物采取維修等措施進(jìn)行修復(fù)。

2.2 地下開采對(duì)地表建(構(gòu))筑物的影響

地下開采對(duì)地表的影響主要表現(xiàn)在垂直方向和水平方向的移動(dòng)和變形上，包括下沉、曲率、傾斜、水平移動(dòng)和水平變形。不同條件下的地表移動(dòng)和變形，對(duì)建(構(gòu))筑物的影響程度有所區(qū)別。地表產(chǎn)生的變形和移動(dòng)，對(duì)建(構(gòu))筑物與地基之間的初始應(yīng)力平衡造成破壞，同時(shí)重新建立力學(xué)平衡，建(構(gòu))筑物由此產(chǎn)生附加應(yīng)力，進(jìn)而導(dǎo)致建(構(gòu))筑物發(fā)生破壞[3]。

2.3 建(構(gòu))筑物變形和破壞與地表變形的關(guān)系

在地下開采的影響下，地表建(構(gòu))筑物的變形和移動(dòng)是由地面各節(jié)點(diǎn)在時(shí)間和空間上與井下作業(yè)面的相對(duì)位置決定的，建(構(gòu))筑物一般具備一定的承受附加應(yīng)力的能力，而建(構(gòu))筑物的變形由采空區(qū)上方及地表產(chǎn)生的變形和移動(dòng)傳遞于建(構(gòu))筑物的基礎(chǔ)產(chǎn)生。在開采過程中，建(構(gòu))筑物變形隨著采動(dòng)不斷變化。與此同時(shí)，建(構(gòu))筑物的變形與地表變形的關(guān)系與建(構(gòu))筑物基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)形式及相關(guān)性質(zhì)有關(guān)。在進(jìn)行建(構(gòu))筑物下開采前，應(yīng)提前對(duì)地質(zhì)采礦條件及工藝進(jìn)行分析預(yù)測，并由分析預(yù)測的變形值再結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定建(構(gòu))筑物的損壞程度，由此提出相應(yīng)的保護(hù)地面建(構(gòu))筑物的對(duì)策措施，并對(duì)開采方案及技術(shù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最終確定最優(yōu)開采方案[5-8]。

3 工程巖體物理力學(xué)指標(biāo)取值

根據(jù)礦區(qū)工程地質(zhì)資料及前期工程勘察報(bào)告，結(jié)合室內(nèi)巖體各項(xiàng)物理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果以及各種力學(xué)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算，本研究選定的巖體強(qiáng)度指標(biāo)見表1。

表1 巖體物理力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)

4 有限元模型構(gòu)建及計(jì)算

4.1 數(shù)值模擬研究內(nèi)容

由于擬擴(kuò)大的礦區(qū)范圍地表有古銅礦遺址，為較全面了解該銅礦在開采擾動(dòng)下采場與圍巖的地壓活動(dòng)規(guī)律，以便確定合理的采場結(jié)構(gòu)參數(shù)，使開采引起的擾動(dòng)范圍最小，本研究結(jié)合礦山實(shí)際情況，對(duì)該銅礦在開采擾動(dòng)下的礦柱、頂?shù)装鍑鷰r的應(yīng)力、位移狀態(tài)、屈服區(qū)分布、采礦方法選擇及結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化等進(jìn)行模擬分析，模擬研究內(nèi)容為：①建立該銅礦及周邊地下開采數(shù)值分析力學(xué)模型；②采用有限元程序，分析計(jì)算礦山地下開采巖體變形破壞模式、規(guī)律及發(fā)展態(tài)勢；③對(duì)礦山及周邊分別采用上向分層充填法、淺孔留礦嗣后充填法進(jìn)行模擬分析；④通過數(shù)值模擬，分析地下開采對(duì)地表的影響，結(jié)合相關(guān)規(guī)范所允許的地表變形參數(shù)，進(jìn)行采礦方案的安全性分析[9-10]。

4.2 本構(gòu)模型

本研究數(shù)值模擬采用摩爾-庫倫模型。該模型的破壞包線包括兩部分，一段剪切破壞包線和一段拉伸破壞包線。與剪切破壞相對(duì)應(yīng)的為相關(guān)聯(lián)的流動(dòng)法則，與拉伸破壞對(duì)應(yīng)的為不相關(guān)聯(lián)的流動(dòng)法則[11]。

4.3 模擬方案

方案一采用上向水平分層膠結(jié)充填法(圖1)進(jìn)行數(shù)值模擬分析。采場沿礦體走向布置，長度50 m，階段高度為50 m，頂柱寬度為6 m，間柱寬度為6 m；普通分層高度3 m，分段高度為1.2 m；回采過程中，最小控頂高度1.5 m，最大控頂高度4.5 m。開采范圍為-200～0 m標(biāo)高，要求0 m標(biāo)高以上至第四系之間的隔離礦柱至少保證100 m，不足時(shí)，應(yīng)在-50 m中段留設(shè)足夠的頂柱進(jìn)行補(bǔ)充。充填體強(qiáng)度要求3 d強(qiáng)度不小于0.3 MPa，28 d強(qiáng)度不小于1 MPa。

圖1 上向水平分層尾砂膠結(jié)充填采礦方法示意(單位：mm)

方案二采用淺孔留礦嗣后充填法(圖2)進(jìn)行數(shù)值模擬分析。單礦塊沿走向布置，長50 m，寬為礦體厚度，階段高度50 m，留頂柱6 m，間柱6 m，底柱6 m，采用平底結(jié)構(gòu)。開采范圍為-200～0 m標(biāo)高，要求0 m標(biāo)高以上至第四系之間的隔離礦柱至少保證100 m，不足時(shí)，應(yīng)在-50 m中段留設(shè)足夠的頂柱進(jìn)行補(bǔ)充[12-15]。

2種采礦方法特點(diǎn)對(duì)比見表2。

圖2 淺孔留礦嗣后充填采礦方法示意(單位：mm)

表2 采礦方法特點(diǎn)對(duì)比[16]

4.4 數(shù)值模擬計(jì)算

本研究通過ANSYS有限元分析軟件[17]對(duì)-200 m 以上水平進(jìn)行模擬開挖，并對(duì)圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了靜力學(xué)分析，結(jié)果如圖3、圖4所示。分析圖3、圖4可知：礦體開采完畢后，在采動(dòng)礦體周圍圍巖形成了一定程度的應(yīng)力集中，對(duì)地表影響較小。采用淺孔留礦嗣后充填法所產(chǎn)生的最大水平向位移為1.05 mm，最大豎向位移為18.68 mm；采用上向水平分層膠結(jié)充填法所產(chǎn)生的最大水平向位移為0.6 mm，最大豎向位移為15.77 mm?？梢姡捎蒙舷蛩椒謱幽z結(jié)充填法開采后，有利于確保地表建(構(gòu))筑物穩(wěn)定。

5 結(jié) 語

圖3 水平向位移(單位：m)

圖4 豎向位移(單位：m)

以某銅礦為例，為深入分析該礦地下開采對(duì)地表古銅礦遺址的安全影響，分別采用上向水平分層膠結(jié)充填法、淺孔留礦嗣后充填法進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。結(jié)果表明：采用上向水平分層膠結(jié)充填法有助于提高礦石回收率，延長礦山服務(wù)年限，提升礦山開采安全性，也有利于確保地表古銅礦遺址安全。