充填法采礦影響下地表沉降及豎井位移安全評(píng)價(jià)分析

吳永剛

(北京國(guó)信安科技術(shù)有限公司，北京 100160)

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展，為研究金屬非金屬礦山地下開(kāi)采引起的地表沉降和位移提供了越來(lái)越多的手段[1]。諸多學(xué)者采用數(shù)值模擬的手段研究地下開(kāi)采對(duì)地表建筑物的影響程度，李全明等[2]對(duì)礦山地下開(kāi)采對(duì)地表建筑物影響的評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了研究，劉金山等[3]開(kāi)展了地下開(kāi)采引起的地面沉降對(duì)鐵路安全的影響性分析研究。目前對(duì)于定量評(píng)價(jià)采用充填法開(kāi)采的礦山由于開(kāi)采引起的地表沉陷問(wèn)題較少。而隨著資源開(kāi)采的進(jìn)程逐步推進(jìn)，受到條件限制和為了最大限度地開(kāi)發(fā)利用礦產(chǎn)資源，按照常規(guī)的工程類比法或經(jīng)驗(yàn)分析法確定的地表巖石移動(dòng)范圍有時(shí)不可避免地有受保護(hù)的對(duì)象落入其中，如果按照常規(guī)的定性分析評(píng)價(jià)方法進(jìn)行此類建設(shè)項(xiàng)目的安全評(píng)價(jià)工作則難以客觀且準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)項(xiàng)目的安全可行性，本文旨在提供一種采用數(shù)值模擬的手段進(jìn)行定量評(píng)價(jià)的方法以期能在項(xiàng)目的可行性研究階段進(jìn)行定量的安全評(píng)價(jià)，為下一步安全設(shè)施設(shè)計(jì)階段提供針對(duì)性地安全對(duì)策措施建議。

1 礦山可研設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)述

某銅礦為了平衡接續(xù)礦量，開(kāi)展了某礦體(MTS)-560 m標(biāo)高以下端部礦體開(kāi)采接續(xù)工程的可行性研究，以下簡(jiǎn)稱“可研報(bào)告”，屬于改擴(kuò)建建設(shè)項(xiàng)目，按照《建設(shè)項(xiàng)目三同時(shí)監(jiān)督管理辦法》需要在可行性研究階段開(kāi)展安全預(yù)評(píng)價(jià)。

1.1 礦山開(kāi)采現(xiàn)狀

MTS礦體-560 m以下(W5A線以西)共劃分有16#、17#、18#、19#、20#、21#、22#、23#、24#、25#、26# 11個(gè)采場(chǎng)。其中-560 m以上21#采場(chǎng)已回采并充填結(jié)束，17#采場(chǎng)正在回采。22#采場(chǎng)分布在-615 m水平以上，23#采場(chǎng)分布在-625 m水平以上，24#采場(chǎng)分布在-635 m水平以上，25#、26#采場(chǎng)分布在-640 m水平以上。圖1為MTS礦體-560 m以下礦體開(kāi)采縱投影圖。

圖1 MTS礦體-560 m以下礦體開(kāi)采縱投影圖(單位：m)Fig.1 MTS ore body mining vertical projection of ore body below -560 m(Unit:m)

1.2 可研報(bào)告設(shè)計(jì)開(kāi)采方案

可研報(bào)告設(shè)計(jì)的開(kāi)采范圍為MTS礦體-560 m以下、-640 m以上(W5A線以西)的礦體，設(shè)計(jì)利用資源儲(chǔ)量為84.87萬(wàn)t。開(kāi)采方式為地下開(kāi)采，采用自下而上的開(kāi)采順序，首采地段為-630 m水平24#采場(chǎng)。

根據(jù)礦體形態(tài)分布特征、頂?shù)装鍑鷰r工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件確定選用該銅礦應(yīng)用多年的大直徑深孔(或深孔)采礦法。21#采場(chǎng)(含)以東18#、19#、20# 采場(chǎng)與-560 m以上的礦體一并開(kāi)采。

采場(chǎng)構(gòu)成要素：為了與-560 m水平以上采場(chǎng)垂直對(duì)齊，采場(chǎng)垂直礦體走向布置，采場(chǎng)劃分礦房、礦柱，寬度均為15 m，長(zhǎng)度為礦體厚度。分兩步驟回采，一步驟回采礦柱，采用1∶4～1∶8的尾砂膠結(jié)充填；二步驟回采礦房，采用全尾砂充填。中段高度60 m，分段高度30～40 m。

2 礦巖開(kāi)采界限評(píng)價(jià)分析

根據(jù)礦床生產(chǎn)勘探報(bào)告，礦體的頂板圍巖主要為閃長(zhǎng)巖、大理巖，類比其它礦段選取的巖石移動(dòng)角為上盤(pán)α=65°，下盤(pán)β=65°，側(cè)翼δ=70°，表土為40°，按開(kāi)采到-640 m中段重新圈定的移動(dòng)范圍見(jiàn)圖2。

可研設(shè)計(jì)范圍內(nèi)礦體頂板圍巖主要是白云石大理巖、大理巖和透輝石矽卡巖；底板為閃長(zhǎng)巖、透輝石矽卡巖，除局部破碎、風(fēng)化、穩(wěn)定性稍差外，一般巖石穩(wěn)固性較好，充填采礦法礦體移動(dòng)帶圈定的范圍為65°～70°。綜合二者考慮，《可研報(bào)告》按照上盤(pán)ɑ=65°、下盤(pán)β=65°、側(cè)翼δ=70°、表土為40°圈定開(kāi)采移動(dòng)范圍。

影響巖層移動(dòng)角的主要因素很多，如巖石性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、礦體厚度、傾角與開(kāi)采深度以及采礦方法等，設(shè)計(jì)時(shí)可參照類似的礦山數(shù)據(jù)選取。一般地，上盤(pán)移動(dòng)角α小于下盤(pán)移動(dòng)角β，而走向端移動(dòng)角δ最大，各種巖石移動(dòng)角概略數(shù)據(jù)如表1所示。

圖2 經(jīng)驗(yàn)值圈定的地表移動(dòng)范圍Fig.2 The range of surface movement delineated by empirical value

表1 巖石移動(dòng)角[4]

按照可研報(bào)告確定的巖石移動(dòng)角，地面已有的采選工業(yè)場(chǎng)地未落在工程設(shè)計(jì)重新劃定的礦巖開(kāi)采移動(dòng)界限內(nèi)，但西風(fēng)井(+40.5～-280 m，井口安裝一臺(tái) DK-8-№28型風(fēng)機(jī)，功率N=2×355 kW，為礦山主出風(fēng)井)位于本次劃定的礦巖開(kāi)采移動(dòng)界限范圍內(nèi)。針對(duì)此問(wèn)題，安全預(yù)評(píng)價(jià)報(bào)告引入數(shù)值模擬的手段對(duì)開(kāi)采移動(dòng)界限劃定進(jìn)行安全評(píng)價(jià)分析。

3 采動(dòng)過(guò)程數(shù)值模擬過(guò)程

3.1 數(shù)值模型分析構(gòu)建

1)基本假定

為了構(gòu)建數(shù)值模型，按照目前礦山巖體工程數(shù)值分析研究的通常做法，做如下假定[5]：

(1)每一種巖體和充填體均為各向同性的連續(xù)介質(zhì)。

(2)充填體充分接頂，但是，需要特別設(shè)定充填體與直接頂板之間的接觸面單元，該接觸面僅能傳遞上部頂板對(duì)充填體的壓應(yīng)力，而充填體無(wú)法向巖體傳遞拉應(yīng)力，接觸面單元的抗拉強(qiáng)度等強(qiáng)度參數(shù)忽略不計(jì)[5]。

(3)在模擬計(jì)算中僅考慮礦山地應(yīng)力和重力的靜力學(xué)作用，忽略地震、爆破振動(dòng)和氣-水-熱等滲流場(chǎng)因素對(duì)巖體和充填體穩(wěn)定性的影響。

(4)巖體和充填體都是服從摩爾-庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則的彈塑性結(jié)構(gòu)體。

2)采場(chǎng)標(biāo)識(shí)和回采、充填順序

MTS礦體W5A線以東1～21#采場(chǎng)繼續(xù)遵循“隔三采一”開(kāi)采原則布置采充時(shí)序，進(jìn)行各個(gè)采充時(shí)序的計(jì)算平衡得到本次研究區(qū)域的初始地應(yīng)力狀態(tài)。

結(jié)合《可研報(bào)告》，對(duì)本次重點(diǎn)研究的MTS礦體-560 m以下(W5A線以西)的礦體采用的采充時(shí)序如下：

一步驟開(kāi)挖22#、24#、26#采場(chǎng)，計(jì)算平衡。所有采場(chǎng)進(jìn)行尾砂膠結(jié)充填(每個(gè)采場(chǎng)下部10 m采用1∶4的膠結(jié)充填體充填，余下高度采用1∶8膠結(jié)充填體充填)，計(jì)算平衡。二步驟開(kāi)挖23#、25#采場(chǎng)，計(jì)算平衡，所有采場(chǎng)進(jìn)行尾砂非膠結(jié)充填，計(jì)算平衡。

3)材料參數(shù)

MTS礦體為含銅矽卡巖和含銅閃長(zhǎng)巖，在數(shù)值模型中為了方便建模，將礦體的傾角假定為90°，且對(duì)所有實(shí)際采場(chǎng)的不規(guī)則邊界進(jìn)行平整化處理。礦體的上盤(pán)圍巖為大理巖，下盤(pán)圍巖為閃長(zhǎng)巖，主要巖體物理力學(xué)參數(shù)如表2所示(參考該礦已有的巖體力學(xué)研究報(bào)告)。

表2 巖體物理力學(xué)參數(shù)表

目前，該礦山的充填體主要分為3類：充填體1，也稱高強(qiáng)度尾砂膠結(jié)充填體，灰砂比為1∶4，主要用于采場(chǎng)充填體底板充填；充填體2，也稱低強(qiáng)度尾砂膠結(jié)充填體，灰砂比一般在1∶8左右，主要用于一步驟采場(chǎng)充填；充填體3，即尾砂非膠結(jié)充填體，主要用于二步驟采場(chǎng)充填。本次數(shù)值模擬分析中選用的3類充填體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3(參考相關(guān)研究中對(duì)舊采場(chǎng)高強(qiáng)度膠結(jié)充填體底板的現(xiàn)場(chǎng)鉆探取樣和實(shí)驗(yàn)結(jié)果)。

表3 充填體物理力學(xué)參數(shù)表

構(gòu)建的數(shù)值模型的三維尺寸為1 170 m×675 m×1 095 m。沿著礦體走向方向定義為X方向，總寬度1 170 m；垂直于礦體走向方向定義為Y方向，總長(zhǎng)度675 m；實(shí)際垂直方向定義為Z方向，總高度1 090 m。該數(shù)值計(jì)算模型涵蓋了MTS礦體W10號(hào)勘探線以西自地表+45～-640 m水平內(nèi)的所有采場(chǎng)。圖3為構(gòu)建的三維數(shù)值模型圖(圖3a)以及沿著Y=10 m截面的投影正視圖(圖3b)。從圖3b中可以看出，整體模型的網(wǎng)格單元采用了不等劃分方式，其中：重點(diǎn)分析的采場(chǎng)區(qū)域-365～-640 m的網(wǎng)格較密，網(wǎng)格邊長(zhǎng)在5 m/格左右；礦體上下盤(pán)圍巖均采用了由中間向四周輻射放大的網(wǎng)格劃分模式，與礦體單元接觸的圍巖網(wǎng)格等于相連接的礦體網(wǎng)格尺寸(5～10 m/格左右)，并向模型外圍逐步擴(kuò)大，圍巖區(qū)域平均網(wǎng)格邊長(zhǎng)在10～20 m/格之間。

圖3 構(gòu)建的數(shù)值模型(a)三維數(shù)值模型；(b)沿Y=10 m截面圖Fig.3 Built numerical model (a)Three dimensional numerical model，(b)Section along Y=10 m

4)初始地應(yīng)力和邊界條件

初始地應(yīng)力采用礦山實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，在數(shù)值模型的側(cè)向邊界上分別施加相應(yīng)的最大和最小水平地應(yīng)力邊界，其中，垂直于礦體走向(沿勘探線方向、沿采場(chǎng)長(zhǎng)度方向)的側(cè)面邊界施加隨埋深線性增加的最大水平主應(yīng)力，沿礦體走向(沿采場(chǎng)寬度方向)的側(cè)面邊界施加隨埋深線性增加的最小水平主應(yīng)力。整體模型的底面限制三向位移，側(cè)面僅限制水平位移，頂面(地表)為自由面。

3.2 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與分析

本次數(shù)值模擬從開(kāi)挖開(kāi)始直到所有采場(chǎng)采充完畢的整個(gè)過(guò)程中，對(duì)地表的沉降進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，得到了最終位移云圖(圖4)，MTS礦體的開(kāi)采劃定的礦巖移動(dòng)界限與本次可研劃定的礦巖移動(dòng)界限相接近，均將地表有出口的西風(fēng)井劃入其中，因此本次數(shù)值模擬著重對(duì)西風(fēng)井在整個(gè)MTS礦體開(kāi)采過(guò)程中的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，得到西風(fēng)井地表最大豎直沉降位移曲線如圖5所示，西風(fēng)井井筒內(nèi)各處的位移隨井筒深度變化曲線如圖6所示。

圖4 地表沉降位移云圖(單位：m)Fig.4 Contour of surface subsidence and displacement(Unit：m)

圖5 西風(fēng)井地表出口處的沉降位移曲線Fig.5 Displacement curve at the surface outlet of Xifeng shaft

圖6 井筒內(nèi)位移隨井筒深度變化曲線Fig.6 Curve of displacement in shaft with shaft depth

由圖4～6可知，西風(fēng)井地表出口處在整個(gè)MTS礦體開(kāi)采過(guò)程中產(chǎn)生的最大沉降位移值為3.4 mm，沉降值較小，而井筒內(nèi)的位移量隨深度的增大而增大，在靠近井口處(40.5～10.5 m段)變化較快，在深部(10.5～-280 m段)變化趨緩并達(dá)到最大值4.9 mm，與根據(jù)理論值劃定移動(dòng)界限時(shí)的規(guī)律一致。

西風(fēng)井位于巖石移動(dòng)界限范圍內(nèi)，通過(guò)數(shù)值模擬的結(jié)果可知，由于該礦山采用充填法進(jìn)行開(kāi)采，開(kāi)采后的采空區(qū)經(jīng)充填體支撐后對(duì)整個(gè)圍巖保持其完整性有積極作用，產(chǎn)生的位移錯(cuò)動(dòng)不顯著。雖然西風(fēng)井不作為安全出口，但是作為主要的回風(fēng)設(shè)施，應(yīng)在以后的開(kāi)采過(guò)程中加強(qiáng)監(jiān)測(cè)(包括井筒內(nèi)的位移)，一旦發(fā)現(xiàn)位移有突變等異常情況時(shí)立即采取相應(yīng)的工程措施。

4 結(jié)論

1)分析了當(dāng)前安全評(píng)價(jià)過(guò)程中缺少地下開(kāi)采礦山地表巖石移動(dòng)帶圈定的定量評(píng)價(jià)手段，以往的評(píng)價(jià)方法存在依據(jù)工程類比和經(jīng)驗(yàn)分析方法進(jìn)行定性分析這一弊端。

2)較為詳細(xì)地介紹了定量評(píng)價(jià)巖石移動(dòng)界限的數(shù)值模擬方法，包括數(shù)值模擬的假定、采充時(shí)序的確定、模型分析構(gòu)建、原始地應(yīng)力和邊界條件設(shè)定。

3)通過(guò)某礦山平衡接續(xù)礦量擴(kuò)建工程項(xiàng)目的安全預(yù)評(píng)價(jià)案例進(jìn)行了定量評(píng)價(jià)，根據(jù)評(píng)價(jià)的結(jié)果提出了相關(guān)的安全對(duì)策措施建議。