三山島北部海域金礦大規(guī)模海下開采地表巖移預測分析

陳小偉，范文錄，蔡光輝，徐興保

(1.中國恩菲工程技術有限公司，北京 100038；2.萊州市瑞海礦業(yè)有限公司，山東 萊州 261400)

海下采礦屬于“三下開采”中的地表水體下開采，不同于普通陸地開采，海下金屬礦床大規(guī)模開采、高強度爆破作業(yè)容易導致海床沉降變形，引發(fā)基巖開裂形成導水通道，尤其對于深井礦山形成的高水壓大流量的地表水進入井下，將對礦山造成致命的災難。世界范圍內多個國家進行過海下采煤實踐[1]，如英國、澳大利亞、日本、加拿大和智利等，最早英國在1560年已經開始海下煤層的開采。山東龍口礦業(yè)是我國最早也是唯一實施海下采煤的礦山[2-3]。山東黃金集團三山島金礦新立礦區(qū)是我國成功實施海下黃金開采的礦山[4-5]，表明我國在海下采礦方面已經積累了一定的經驗。

三山島北部海域金礦緊鄰三山島金礦，礦床全部賦存在渤海海面以下，與龍口煤礦和三山島金礦新立礦區(qū)相比，該礦開采范圍、開采規(guī)模、開采深度都要大很多，開采技術條件更加復雜。解決海下采礦的關鍵是防止海水和井下導通，國內外常用做法是在上部留設一定厚度的保護礦柱，在保證安全開采的前提下，應盡可能減小防水礦柱的厚度，以提高礦產資源的綜合利用率。

本文通過采用有限差分程序FLAC3D，對三山島北部海域金礦海下多中段開采對地表巖移影響進行研究，為礦山安全高效開采提供理論依據。

1 工程概況

1.1 礦區(qū)概況

三山島北部海域金礦位于山東省萊州市北部，西南鄰近國內第一個海底黃金礦山——三山島金礦，礦區(qū)周邊水陸交通極為方便。礦區(qū)地處渤海海灣，近岸及海底地形低平，海拔標高-5.80～2.00 m，區(qū)內地表水發(fā)育，主要為渤海海水，分布整個礦區(qū)。

1.2 礦區(qū)開采技術條件

礦床處于三山島—倉上斷裂帶，該斷裂帶內金礦床是最早發(fā)現(xiàn)的破碎帶蝕變巖型超大型金礦床，倉上金礦、新立金礦、三山島金礦、三山島北部海域金礦均處于該斷裂帶上，見圖1。礦區(qū)共發(fā)現(xiàn)金礦體48個，均分布在20線至66線之間黃鐵絹英巖化(花崗質)碎裂巖帶內，主要礦體為深部的Ⅰ-4礦體，標高-950～-1 900 m，控制走向長約1 750 m，沿走向兩端均未封閉，傾斜最大延深1 230 m，深部未封閉，主要礦體平均傾角39°，平均礦體厚度10～15 m。

圖1 三山島北部海域金礦計算模型Fig.1 Numerical model of gold mine

礦體賦存于渤海海面以下，因地表第四系粉質黏土隔水層將地表海水、第四系含水層與礦體隔開，在生產過程中需要重點保護第四系黏土隔水層不受破壞。礦床充水的主要來源是構造裂隙含水層。經預測，礦山正常涌水量約7 000 m3/d，最大涌水量11 000 m3/d，礦山水文地質條件為中等—復雜類型。

礦床頂板和底板為絹英巖化花崗巖、絹英巖化碎裂巖、黃鐵礦絹英巖化花崗碎裂巖等，巖性較單一，飽和單軸抗壓強度為13.6～84.1 MPa。礦床工程地質條件取決于巖石構造發(fā)育程度，斷裂帶內局部巖石較破碎，蝕變較強烈、裂隙較發(fā)育，巖心較破碎，穩(wěn)固性相對較差，需要加強支護措施。礦山工程地質條件為中等類型。

2 數值模型

2.1 材料參數

根據礦山工程概況，將計算模型設為三類巖層，分別為上盤圍巖，礦體和下盤圍巖，礦巖體和充填體力學參數見表1。

表1 礦巖體和充填體力學參數

參考項目周邊礦山的已有地應力資料，礦區(qū)內地應力場以水平構造應力為主導，其中最大水平主應力、最小水平主應力和垂直主應力均隨深度變化而線性增加，其規(guī)律用下述方程描述：

σhmax=1.433+0.043H

(1)

σhmin=1.304+0.024H

(2)

σz=0.07+0.028H

(3)

式中：σhmax—最大水平主應力，MPa；σhmin—最小水平主應力，MPa；σz—垂直應力，MPa。

2.2 計算模型

根據礦體實際特征進行適當簡化，簡化計算模型包括三條礦體，其特征見表2，構建礦體開采數值計算模型見圖1，模型地表標高為0 m。

表2 礦體特征

2.3 破壞準則

模型中巖礦體均假設為理想彈塑性連續(xù)介質，計算采用破壞準則為摩爾-庫侖準則，力學模型為：

(4)

式中：fs—摩爾—庫侖準則的函數關系；σ1—最大主應力，MPa；σ3—最小主應力，MPa；φ—內摩擦角，(°)；c—介質黏聚力，MPa。

2.4 開采順序

1)下部1#礦體開挖與充填模擬

1#礦體從-1 480中段和-1 300中段兩中段同時回采，中段高60 m，每次按20 m分段進行回采與充填模擬，如此反復至中段回采完畢，見圖2所示。

圖2 1#礦體開采示意圖Fig.2 Mining sketch of 1# ore body

2)上部2#礦體與3#礦體開挖與充填模擬

待下部1#礦體回采充填完畢，開始對2#礦體和3#礦體進行回采模擬，2#礦體與3#礦體厚度較小，為簡化模擬過程，2#礦體與3#礦體同時進行回采，每次按20 m高度進行開挖模擬，開采直至設定的頂柱厚度結束，見圖3，開采計算后分別摘取頂柱厚度為180 m、160 m及110 m計算結果分析。

圖3 2#、3#礦體開采示意圖Fig.3 Mining sketch of 2#，3# ore bodies

3 數值結果分析

3.1 豎剖面位移結果

圖4左側為三維模型下地表沉降等值線，根據地表垂直位移分布情況可知，地表最大沉降區(qū)位于礦體對應的上盤區(qū)域；根據圖4右側模型豎剖面垂直位移圖結果，在多中段同時開采下，距離開采區(qū)域越近，沉降位移就越大，往上至地表位移逐漸變?。煌瑫r，在開采深部中段時，地表沉降位移較小，而開采中段逐漸往淺部區(qū)域靠近時，地表沉降位移逐漸增大。因此地下開采必須留設足夠的頂柱隔離層，才能保護地表沉降變形不超允許范圍，而海底開采頂柱隔離層的留設尤為重要。

圖4 三維模型地表沉降等值線與豎剖面垂直位移云圖Fig.4 Surface subsidence map in 3D model and vertical displacement contour of vertical profile

3.2 預設頂柱不同厚度下地表垂直位移結果

根據豎剖面位移分析結果，安全頂柱隔離層厚度主要通過地表最大沉降變形與水平變形值來進行確定。根據圖5～7結果，留設180 m頂柱地表最大沉降值約為151 mm，地表最大傾斜變形值約為0.58 mm/m；留設160 m頂柱地表最大沉降值約為160 mm，最大傾斜變形值約為1.07 mm/m；留設110 m頂柱地表最大沉降值約為175 mm，最大傾斜變形值約為2.63 mm/m。根據相關規(guī)定，地表滿足I類保護等級要求時，地表傾斜變形最大不允許超過3 mm/m?；谏鲜鼋Y果，預設110 m厚礦柱時，地表沉降變形接近地表保護等級要求，而預設160 m厚頂柱，最大傾斜變形值完全小于允許規(guī)定。由于水下開采的特殊性，應相應提高地表保護要求，因此，建議留設頂柱厚度不小于160 m。另據圖8地表中部最大沉降曲線對比結果，留設頂柱厚度越小，地表沉降值越大，地表沉降變形曲線愈陡，相對應，地表傾斜值也越大。因此，留設足夠厚度的頂柱是保證海下安全開采的重要措施。

圖5 180 m厚頂柱地表垂直位移等值線Fig.5 Surface vertical displacement contour of 180 m thick crown pillar

圖6 160 m厚頂柱地表垂直位移等值線Fig.6 Surface vertical displacement contour of 160 m thick crown pillar

圖7 110 m厚頂柱地表垂直位移等值線Fig.7 Surface vertical displacement contour of 110 m thick crown pillar

圖8 不同礦柱厚度下地表中部最大沉降量Fig.8 The maximum settlement of middle surface under different thickness pillars

3.3 預設頂柱不同厚度下地表水平位移結果

圖9 180 m厚頂柱地表水平位移等值線圖Fig.9 Surface horizontal displacement contour contour of 180 m thick crown pillar

圖10 160 m厚頂柱地表水平位移等值線圖Fig.10 Surface horizontal displacement of 160 m thick crown pillar

根據圖9～11結果，留設180 m頂柱，地表最大水平位移約為58 mm，地表最大水平變形約為0.24 mm/m；留設160 m頂柱地表最大水平位移約為61 mm，地表最大水平變形約為0.29 mm/m；留設110 m頂柱下地表最大水平位移約為63 mm，地表最大水平變形約為0.52 mm/m。根據相關規(guī)定，地表滿足I類保護等級要求時，地表水平變形最大不允許超過2 mm/m，由水平變形計算結果可知，預設頂柱厚度為180 m、160 m及110 m均滿足規(guī)范要求。另據圖12地表中部水平位移曲線對比結果，預設頂柱不同厚度下地表水平位移曲線對比結果，頂柱預設厚度越小，地表水平位移值越大，地表水平變形值也越大。

圖11 110 m厚頂柱地表水平位移等值線圖Fig.11 Surface horizontal displacement contour of 110 m thick crown pillar

圖12 不同礦柱厚度下地表中部最大水平位移曲線對比Fig.12 The maximum horizontal displacement of middle surface under different thickness pillars

通過地表垂直位移計算結果和水平變形結果分析可知，為保證三山島北部海域金礦海下高效安全開采，地表最大傾斜值和最大水平變形值不應超過允許規(guī)定，因此，建議留設頂柱厚度不小于160 m。

4 結論

1)多中段同時開采下，距離開采區(qū)域越近，沉降位移就越大，開采中段逐漸往淺部區(qū)域靠近時，地表沉降位移逐漸增大，且地表最大沉降區(qū)位于礦體對應的上盤區(qū)域，上盤巖體位移量要明顯大于下盤巖體位移量，因此，為控制地表沉降變形，需留設一定的安全隔離礦柱。

2)根據地表傾斜變形結果，預設110 m厚礦柱時，地表最大傾斜值為2.63 mm/m，接近保護等級要求，預設160 m厚頂柱，最大傾斜變形值為1.07 mm/m，符合地表保護規(guī)定。

3)根據地表水平變形結果，留設礦柱厚度為180、160及110 m下的地表最大水平變形值均小于允許規(guī)定，滿足地表保護等級要求。

綜合地表沉降位移計算結果和地表水平變形結果，建議留設頂柱厚度不小于160 m。