彭敏杰 鄒平 王飛飛
(①內(nèi)蒙古興業(yè)集團融冠礦業(yè)有限公司 錫林郭勒盟026300 ②長沙礦山研究院有限責任公司 長沙 410012)
采用傳統(tǒng)采礦方法開采井下礦體極易引起地表塌陷[1-2]。地表形成的塌陷坑由于不連續(xù)塌陷,形成了塌陷坑陡傾邊坡,給礦山安全生產(chǎn)帶來隱患[3-4]。在融冠礦業(yè)采用無底柱分段崩落采礦法作為主體采礦方法進行開采礦體,于2008 年6 月按1158 中段放頂設計進行了放頂施工,之后井下采空區(qū)與地表連通,地表沉陷形成了最初的地表塌陷坑[5]。隨著井下開采的推進,塌陷區(qū)范圍不斷擴大,至2019 年5 月,已形成一個南北長約275m,東西寬約210m,近似橢圓塌陷坑,呈漏斗狀,塌陷坑上口面積約5.4萬m2,下口約0.78 萬m2,最深處與地表高差近135m,經(jīng)測算漏斗型塌陷坑體積約267萬m3。
地表塌陷坑形成了陡崖式的邊坡,尤其在礦體下盤巖體處邊坡接近垂直,在地表多處有寬度大小不一的裂縫,后期有進一步垮塌或產(chǎn)生滑坡的可能,誘發(fā)井下沖擊波、井下局部突水等安全隱患[6]。
區(qū)內(nèi)出露地層比較簡單,主要有奧陶系中統(tǒng)多寶山組及二疊系下統(tǒng)寶力格組及第四系。
2.1.1 奧陶系中統(tǒng)多寶山組
出露于礦區(qū)中部,主要為其下巖段,巖性主要為石榴石矽卡巖、綠簾石矽卡巖、大理巖、黑云母角巖;為查干敖包鐵鋅礦賦礦層位,總厚度498m。地層產(chǎn)狀:走向NE35~40°,傾向NW,傾角50~62°。
(1)石榴石矽卡巖:灰黃綠、黑綠色,它形~半自形粒狀變晶結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造。主要組成礦物為石榴石,少量透輝石、綠簾石、綠泥石、方解石、石英、磁鐵礦、閃鋅礦等。與磁鐵礦、閃鋅礦關(guān)系密切。石榴石:約占70%,淡黃、黃褐色,半自形~它形晶,粒徑多為0.3~0.8mm,多具環(huán)帶狀光性異常,以鈣鐵石榴石為主,鈣鋁石榴石少量。透輝石:約占10%,淡綠色,柱狀、粒狀半自形晶,粒徑0.1~0.7mm,局部被碳酸鹽、石英交代。磁鐵礦:少量,多以它形~半自形晶充填于石榴石間隙處,少數(shù)呈自形晶。被閃鋅礦交代,有時見磁鐵礦被磁黃鐵礦交代呈骸晶狀。粒徑0.1~0.5mm 左右,少數(shù)呈浸染狀者粒徑小于0.1mm。綠簾石:少量,微粒狀,粒徑小于0.1mm。
(2)綠簾石矽卡巖:黃綠、灰褐色,粒狀變晶結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造。主要組成礦物為綠簾石,其次是石榴石、透輝石、陽起石、綠泥石、磁鐵礦、閃鋅礦、褐鐵礦、方解石。綠簾石呈粒狀,短柱狀,半自形~它形晶,微具走向排列,含量85~90%。巖層厚度80~110m。夾磁鐵礦及閃鋅礦體,為36~49號礦體賦礦巖石。
(3)大理巖:灰白色,粒狀變晶結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造,礦物組成主要為受熱變質(zhì)作用重結(jié)晶的方解石組成。方解石約占90%,其余為白云石、透閃石、石英,巖層厚度98m。
(4)黑云母角巖:灰黑色,鱗片花崗變晶結(jié)構(gòu),礦物成分主要為黑云母(約占60%)、石英(約占30%),少量長石及不透明金屬礦物,巖層厚度10~25m。
2.1.2 二疊系下統(tǒng)寶力格組
出露于礦區(qū)西部及北部,其巖性主要為凝灰質(zhì)板巖、含角礫巖屑凝灰?guī)r及凝灰?guī)r。
(1)凝灰質(zhì)板巖:灰~灰黑色,變余凝灰質(zhì)泥質(zhì)結(jié)構(gòu),板狀構(gòu)造,巖石中隱晶質(zhì)的鱗片狀礦物(黑云母和絹云母)具定向排列,由凝灰質(zhì)礦物蝕變而成。此外,尚含有隱晶質(zhì)的長石和石英及細脈狀的綠泥石集合體等。
(2)含角礫巖屑凝灰?guī)r:巖石呈灰白色,含角礫巖屑凝灰結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造。一般由小于2mm 的火山灰組成,局部含有大于2mm 角礫碎屑物,以巖屑為主,次為晶屑、玻屑和火山塵,一般含有火山角礫,構(gòu)成含角礫凝灰?guī)r。巖屑成分為凝灰?guī)r、流紋巖、熔結(jié)凝灰?guī)r,局部見少量安山巖,棱角狀,含量40%左右,晶屑為斜長石、鉀長石和石英,含量小于10%,其余為火山塵和玻屑。
(3)凝灰?guī)r:巖石為灰色、灰白色、灰粉色、淺紅色、灰紫色等,凝灰結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造。由凝灰物組成,個別含有正常沉積物。凝灰物為小于2mm 的晶屑、巖屑、玻屑、火山塵,晶屑為鉀長石或斜長石、石英,呈次棱角狀-棱角狀,含量為5~40%;巖屑為流紋巖、安山巖、粗安巖等,次棱角狀-棱角狀,含量為5~10%;玻屑,多已脫玻形成長英質(zhì)礦物,長石可見土化,雞骨狀、弧面棱角狀假象清楚,含量為0~45%;火山塵,均已脫玻形成長英質(zhì)礦物,含量為0~25%。副礦物有磷灰石、鋯石。部分巖石可見土化、絹云母化、碳酸鹽化等蝕變。
2.1.3 新生界第四系
廣泛分布于礦區(qū),巖性以殘坡亞砂土含碎石、風成砂為主,一般厚0.8~25m,局部低洼處,厚度可達38m以上。
礦床由27 條工業(yè)礦體組成,地表露頭礦體2 條(1、2 號),隱伏盲礦體25 條(其中鐵鋅礦體12 條,編號為1、1-1、1-3、7、9、10、11、35、36、38、41、43 號;鐵礦體10 條,編號為2、6、13、23、42、44、45、46、48、49號;鋅礦體5 條,編號為31、37、39、40、47 號)。1、1-1、1-3、2、6、7、9、10、11、13、23、31、35號礦體,賦礦巖石為石榴石矽卡巖;36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49號礦體,賦礦巖石為綠簾石矽卡巖。
1 號鐵鋅礦體礦石資源儲量占礦區(qū)總儲量的51.66%,Zn金屬量占總金屬量的50.45%,1-1、1-3為新增礦體,生產(chǎn)勘探工程集中于1、1-1、1-3號礦體,該3條礦體為本次生產(chǎn)勘探增儲對象,也是生產(chǎn)勘探后的首采區(qū),其它礦體均無變化。
(1)1號礦體
分布于7~10線之間,為鐵鋅共生礦體,賦存于石榴石矽卡巖中。礦體呈似層狀、走向23~35°,傾向北西,傾角37~50°,礦體產(chǎn)狀上陡下緩,但總體較穩(wěn)定。地表由探槽控制,深部由5個中段及6個鉆孔控制礦體延深、延長、厚度及品位變化情況。該礦體1068m中段以上大部分采空。
地表:由4 個探槽控制,控制礦體長度210m,控制礦體真厚度3.06~70.80m,平均24.45m;品位:TFe27.09~32.18%,平均品位31.01%;Zn0.69~1.27%,平均品位1.22%。
1156m 中段:由5 個穿脈控制,控制礦體長度210m,礦體厚度15.31~42.00m,平均31.86m;品位:TFe27.72~31.29%,平均品位29.31%;Zn0.92~3.76%,平均品位1.90%。
1117m 中段:由6 個穿脈及8 勘探線的鉆孔ZK4控制,礦體延長355m,礦體厚度8.44~58.66m,平均27.90m;品位:TFe26.59~32.03%,平均品位29.32%;Zn1.78~7.00%,平均品位4.24%。
1068m 中段:由7 個穿脈控制,礦體延長354m,礦 體 厚 度9.39~69.07m,平 均36.96m;品 位:TFe25.10~31.01%,平均品位28.49%;Zn4.35~7.07%,平均品位5.74%。
1021m 中段:由6 個穿脈控制,礦體延長379m,礦 體 厚 度0.64~56.51m,平 均36.12m;品 位:TFe27.13~32.25%,平均品位30.43%;Zn1.47~4.91%,平均品位3.55%。
971m中段:由7個穿脈控制,礦體延長386m,礦體厚度0.64~45.28m,平均26.64m;品位:TFe25.90~32.94%,平均品位29.57%;Zn3.28~8.76%,平均品位4.97%。
921m中段:由5個穿脈控制,礦體延長312m,礦體厚度0.95~60.64m,平均13.33m;品位:TFe31.08~35.19%,平均品位33.66%;Zn3.85~7.19%,平均品位5.40%。
1號礦體最大延長386m,延深425m。厚度0.64~69.07m,平均49.22m,厚度變化系數(shù)94.08%;TFe品位29.90~38.12%,平均品位31.06%,品位變化系數(shù)43.47%;Zn品位1.22~11.30%,平均品位4.60%,品位變化系數(shù)47.28%;其礦體復雜程度中等、有用組分均勻。
(2)1-1號礦體(新增)
分布于7~8 線之間,位于1 號礦體下盤,為本次生產(chǎn)勘探根據(jù)礦山探采工程及取樣控制新圈定的鐵鋅共生盲礦體,賦存于石榴石矽卡巖中。礦體呈透鏡狀,走向23~35°,傾向北西,傾角50~68°,礦體產(chǎn)狀較穩(wěn)定。由3 個中段的坑道工程控制礦體延深、延長、厚度及品位變化情況。
1068m 中段:由5 個穿脈控制,礦體延長233m,礦 體 厚 度10.11~26.51m,平 均18.38m;品 位:TFe29.56~30.98%,平均品位30.43%;Zn3.80~4.60%,平均品位4.20%。
1021m 中段:由7 個穿脈控制,礦體延長329m,礦 體 厚 度11.04~23.89m,平 均17.35m;品 位:TFe29.01~32.86%,平均品位30.79%;Zn4.18~6.07%,平均品位5.19%。
971m中段:由7個穿脈控制,礦體延長321m,礦體厚度14.49~29.07m,平均18.87m;品位:TFe27.16~34.32%,平均品位30.52%;Zn4.60~5.21%,平均品位4.94%。
1-1 號礦體最大延長329m,延深140m。厚度10.11~29.07m,平均18.25m,厚度變化系數(shù)78.32%;TFe 品位27.16~34.32%,平均品位30.48%,品位變化系數(shù)40.35%;Zn 品位3.80~6.07%,平均品位5.01%,品位變化系數(shù)45.17%;其礦體復雜程度中等、有用組分均勻。
(3)1-3號礦體(新增)
分布于7~8 線之間,位于1-1 號礦體下盤,為本次生產(chǎn)勘探根據(jù)礦山探采工程及取樣控制新圈定的鐵鋅共生盲礦體,賦存于石榴石矽卡巖中。礦體呈透鏡狀,走向23~35°,傾向北西,傾角50~68°,礦體產(chǎn)狀較穩(wěn)定。由3個中段的坑道工程控制礦體延深、延長、厚度及品位變化情況。
1068m 中段:由5 個穿脈控制,礦體延長233m,礦 體 厚 度4.65~23.58m,平 均14.95m;品 位:TFe26.76~36.37%,平均品位30.71%;Zn4.17~5.30%,平均品位4.62%。
1021m 中段:由7 個穿脈控制,礦體延長330m,礦 體 厚 度7.34~36.20m,平 均26.48m;品 位:TFe27.73~35.49%,平均品位30.79%;Zn4.43~4.84%,平均品位4.61%。
971m中段:由7個穿脈控制,礦體延長321m,礦體厚度21.84~66.39m,平均40.63m;品位:TFe31.02~33.11%,平均品位32.06%;Zn4.57~4.98%,平均品位4.71%。
1-3 號礦體最大延長320m,延深155m。厚度4.65~66.39m,平均23.19m,厚度變化系數(shù)65.18%;TFe 品位26.76~36.37%,平均品位31.36%,品位變化系數(shù)39.76%;Zn 品位4.17~5.31%,平均品位4.67%,品位變化系數(shù)43.19%;其礦體復雜程度中等、有用組分均勻。
(4)35號鐵鋅礦體
分布于8~14線之間,為盲礦體,礦體賦存于石榴石矽卡巖中,走向30°左右,傾向北西,傾角67~78°,平均75°,礦體呈脈狀產(chǎn)出。地下深部由段高約20m的3個中段控制礦體延深、延長、厚度及品位變化情況。
1138m 中段:由8 個穿脈控制,控制礦體長度210m,控制礦體真厚度16.39~48.30m,平均39.32m;TFe 品位25.17~26.75%,平均品位25.57%;Zn 品位4.79~6.71%,平均品位5.81%。
1118m 中段:由7 個穿脈控制,控制礦體長度210m,控制礦體真厚度15.45~36.70m,平均29.94m;TFe 品位25.30~31.39%,平均品位27.25%;Zn 品位5.14~6.36%,平均品位5.73%。
1098m 中段:由7 個穿脈控制,控制礦體長度200m,控制礦體真厚度7.73~37.28m,平均23.84m;TFe 品位25.75~28.48%,平均品位26.94%;Zn 品位5.05~6.60%,平均品位5.48%。
35 號礦體延長210m,延深105m。厚度7.73~48.30m,平均31.03m,變化系數(shù)83.66%,TFe品位25.17~31.39%,平均品位26.65%,品位變化系數(shù)45.67%;Zn品位4.79~6.71%,平均品位5.78%,品位變化系數(shù)36.88%;礦體形態(tài)復雜,厚度較穩(wěn)定,有用組分均勻。
選取塌陷坑最危險的剖面作為本次研究的主要剖面,剖面見圖1 所示。采用的力學參數(shù)見表1 所示。利用phase2 計算軟件模擬了剖面的應力、位移、剪應變及邊坡拉剪破壞區(qū)域分布[7-9],見圖2~圖3。并進一步計算了在不同折減系數(shù)下的邊坡最大剪應變,見圖4~圖6。
(1)應力分析:通過剖面模型的主應力等值線分布圖(圖2)可知:邊坡巖體的應力大小隨深度的增加而增大,越接近坡面主應力值越小,其方向從坡體深部的垂直方向,逐漸轉(zhuǎn)為淺部的順坡方向,且在坡體的下部受開采臺階的影響,其應力的擾動狀態(tài)較大。
(2)位移分析:剖面模型開挖坡體的位移主要是向塌陷坑臨空面移動(圖3),最大位移值為0.60m。
(3)塑性破壞區(qū)分析:剖面模型坡體的塑性破壞區(qū)主要為拉應力和剪切破壞區(qū)(圖4)。拉應力破壞區(qū)主要分布在坡頂和第四系層面;剪切破壞區(qū)主要分布在風化帶面附近、塌陷坑底和坡頂。
圖1 工程地質(zhì)剖面
圖2 剖面模型的應力分布圖
圖3 剖面模型的位移矢量分布圖
圖4 剖面模型的拉剪破壞區(qū)域圖
圖5 剖面模型F=1.0時最大剪應變分布圖
圖6 剖面模型F=1.20時最大剪應變分布圖
圖7 P1剖面模型F=1.22時最大剪應變分布圖
(4)安全系數(shù):強度折減法計算的安全系數(shù)為F=1.20,比極限平衡的分析結(jié)果(F=1.181)稍大,顯示的滑面位置基本相同,符合一般規(guī)律,結(jié)果可靠。
(5)滑坡機理分析:圖5~圖7為剖面模型強度折減法計算安全系數(shù)的過程,從強度折減系數(shù)F取值為1.0、1.20和1.22的情況下計算出邊坡內(nèi)最大剪應變和剪切破壞區(qū)的發(fā)展趨勢來看,初始階段坡腳范圍存在剪切破壞區(qū),隨著折減系數(shù)的增大(1.0~1.20),剪切破壞區(qū)向上發(fā)展。當折減系數(shù)增大至1.20~1.22 時,坡底剪切破壞區(qū)繼續(xù)向上發(fā)展,邊坡產(chǎn)生整體破壞。
為了得到礦山塌陷坑陡傾斜邊坡穩(wěn)定性情況,采用phase 2 有限元分析軟件分析模擬了邊坡穩(wěn)定性。得到了以下幾點結(jié)論:
(1)邊坡巖體的應力大小隨深度的增加而增大,越接近坡面主應力值越?。?/p>
(2)通過二維有限元分析邊坡位移較大,有失穩(wěn)的可能;
(3)分析結(jié)果顯示塌陷區(qū)邊坡上部凸起部位是目前滑塌產(chǎn)生的主要位置。