上向分段充填開采覆巖移動(dòng)變形及影響范圍預(yù)測
——以貴州某磷礦為例

高 林,蘆慶和,梁 維,申業(yè)興,劉鵬澤,趙世毫

(1.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院,貴州 貴陽 550025;2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 煤炭行業(yè)巷道支護(hù)與災(zāi)害防治工程研究中心,北京 100083;3.貴州大學(xué) 喀斯特地區(qū)優(yōu)勢礦產(chǎn)資源高效利用國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室,貴州 貴陽 550025;4.貴州理工學(xué)院 礦業(yè)工程學(xué)院,貴州 貴陽 550003)

0 引言

磷礦作為非碎屑沉積巖,是一種重要的非金屬礦產(chǎn)資源,主要用于化工和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[1-2]。貴州磷礦資源儲量豐富,居全國第二位,且賦存較為集中,主要分布在開陽、息烽、甕安及福泉等地[3-5],多礦井相鄰集中開采的情況比較常見。已有研究表明,井工礦山開采過程中形成的巖體移動(dòng)范圍會對鄰近礦山開采造成影響,如削弱礦區(qū)及鄰近范圍內(nèi)地表邊坡的穩(wěn)定性、誘發(fā)地表移動(dòng)變形與破壞等[6],對自身及周邊礦井的安全產(chǎn)生重大影響[7-9]。為此,國家礦山安全監(jiān)察局在2022年印發(fā)的《金屬非金屬礦山重大事故隱患判定標(biāo)準(zhǔn)》中指出,相鄰礦山開采巖體移動(dòng)范圍存在交叉重疊等相互影響時(shí),未按設(shè)計(jì)留設(shè)保安礦(巖)柱或者采取其他措施的視為重大事故隱患。因此,金屬、非金屬地下礦山建設(shè)和生產(chǎn)過程中必須分析并圈定礦山開采巖體移動(dòng)范圍,從而為留設(shè)保安礦(巖)柱或者采取其他措施提供依據(jù)。

近年來,一些學(xué)者[10-12]對井工礦山開采地表沉陷規(guī)律展開了研究,結(jié)合下沉、水平移動(dòng)、傾斜、曲率等參數(shù)對地表沉陷規(guī)律進(jìn)行了分析,并提出了針對性的措施和建議。如程立年等[13]對“三下”開采移動(dòng)帶內(nèi)地表穩(wěn)定性進(jìn)行了分析,采用概率積分法計(jì)算出了礦山安全開采深度;賀躍光等[14]研究發(fā)現(xiàn)地表開采沉陷在受自重應(yīng)力作用影響的同時(shí),還受構(gòu)造應(yīng)力作用和礦層傾角大小、頂板巖體節(jié)理發(fā)育程度與結(jié)構(gòu)形式、開采方法與放礦規(guī)律等的影響;廖寶泉等[15]通過對不同充填體灰砂質(zhì)量比和充填率影響下的地表移動(dòng)進(jìn)行了模擬,得出膏體充填開采下覆巖移動(dòng)角會隨著覆巖水平高度的增加而逐漸增大;許夢國等[16]分析了塌陷坑移動(dòng)角和遠(yuǎn)近地表圍巖隨開采深度的變化規(guī)律。以上學(xué)者從安全開采深度、構(gòu)造應(yīng)力作用、不同充填率等方面對地表移動(dòng)變形破壞進(jìn)行了研究,為礦山地表沉陷、移動(dòng)變形等問題提供了有益參考。然而,現(xiàn)有研究大多集中在礦井開采引起的地表移動(dòng)變形、沉陷分析及監(jiān)測等方面,針對礦山開采巖體移動(dòng)范圍對相鄰礦山的影響鮮有提及。因此,本文以貴州A磷礦為例,采用理論計(jì)算與數(shù)值仿真分析相結(jié)合的方法,對上向分段充填開采后的地表移動(dòng)變形及巖體移動(dòng)對相鄰礦山的影響范圍進(jìn)行了分析和預(yù)測,以期為類似條件下多個(gè)磷礦相鄰開采的優(yōu)化提供參考。

1 礦井概況

1.1 地質(zhì)概況

貴州A磷礦礦區(qū)面積0.427 3 km2,開采深度為+1 300～+900 m標(biāo)高,礦區(qū)內(nèi)總體地形為一東高西低、向北西傾斜的斜坡,礦區(qū)環(huán)境較復(fù)雜,同時(shí)與B、C、D磷礦相鄰(見圖1)。礦區(qū)含磷巖組為陡山沱組,由磷塊巖、白云巖、硅質(zhì)巖等組成,礦體平均傾角83°,為急傾斜礦體。礦層由兩層磷塊巖礦層組成(見圖2),a層礦平均厚度18.17 m,b層礦平均厚度15.54 m,總體趨勢是東厚西薄。

圖1 礦區(qū)相鄰位置關(guān)系

圖2 礦層特征圖

1.2 開采現(xiàn)狀及接續(xù)計(jì)劃

設(shè)計(jì)中將A磷礦劃分為一采區(qū)和二采區(qū)兩個(gè)采區(qū),其中一采區(qū)已開采完畢,形成了采空區(qū);二采區(qū)為當(dāng)前開采區(qū)域,礦體開采標(biāo)高為+980～+900 m,按照礦體賦存條件及礦山實(shí)際情況,將二采區(qū)劃分成4個(gè)分段開采,即+900 m、+920 m、+937 m、+951 m分段,分段垂高14～20 m。采用上向分段充填采礦法開采,礦房長度為10～25 m。首采分段為+900 m分段,礦房內(nèi)開采順序是先采b層礦,再采a層礦。

2 地表移動(dòng)變形理論計(jì)算

2.1 概率積分法

概率積分法又稱隨機(jī)介質(zhì)理論法,是一種以隨機(jī)介質(zhì)理論為基礎(chǔ)的開采沉陷預(yù)計(jì)方法,是目前較為成熟、應(yīng)用最廣泛的地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)方法[17]。該方法是由我國學(xué)者劉寶琛等[18-20]在隨機(jī)介質(zhì)理論的基礎(chǔ)上逐步完善發(fā)展而來的。依據(jù)概率積分法原理,地表最大傾斜變形imax、最大水平變形εmax、最大曲率Kmax與地表最大下沉值Wmax、開采深度H及主要影響角正切值tanβ之間存在如下關(guān)系:

Wmax=mqcosα,

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中:m表示礦層厚度,m;q表示下沉系數(shù),根據(jù)礦區(qū)實(shí)際測量資料確定;α表示礦層傾角,(°);r表示采空區(qū)邊界地表主要影響范圍半徑,m;tanβ為主要影響角的正切值;b表示水平移動(dòng)系數(shù),按礦區(qū)實(shí)際測量資料確定。

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)該礦地質(zhì)資料及實(shí)際生產(chǎn)條件,本文分析的開采區(qū)域礦體主要由17#勘探線控制,取下沉系數(shù)q為0.04、主要影響角正切值tanβ為1.5、水平移動(dòng)系數(shù)b為0.25,與其余相關(guān)參數(shù)值一并代入式(1)-式(5),計(jì)算得出地表下沉量、傾斜值、曲率值、水平變形值等(見表1)。

表1 地表移動(dòng)變形計(jì)算結(jié)果

由表1可知,A磷礦a層礦、b層礦開采后地表移動(dòng)變形產(chǎn)生的最大區(qū)域地表傾斜值、水平變形值和曲率值均未達(dá)到GB 50771-2012《有色金屬采礦設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的地表變形臨界值,因此,預(yù)測A磷礦在a層礦、b層礦開采完畢后,整體上不會在地表產(chǎn)生大的移動(dòng)變形。

3 地表移動(dòng)變形數(shù)值仿真分析

3.1 數(shù)值仿真模型建立

采用FLAC3D建立數(shù)值仿真模型,開展A磷礦上向分段充填開采對地表影響范圍的模擬分析。為使模型最大程度地接近真實(shí)情況,依據(jù)地質(zhì)資料,并結(jié)合A磷礦與各勘探線位置關(guān)系建立數(shù)值模型(見圖3)。模型x方向與勘探線平行,長度1 500 m;y方向與勘探線方向垂直,長度1 000 m;z方向?yàn)樨Q直方向,最低標(biāo)高為600 m。模型共劃分為41 175個(gè)單元和50 128個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖3 三維數(shù)值仿真模型

通過開展井下工程地質(zhì)調(diào)查及巖石力學(xué)室內(nèi)試驗(yàn),并采用Hoek-Brown經(jīng)驗(yàn)公式對各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行折減,同時(shí)參考區(qū)域內(nèi)其他礦山數(shù)據(jù),綜合確定模型巖石物理力學(xué)參數(shù)(見表2)。

表2 巖石物理力學(xué)參數(shù)

3.2 分析計(jì)算

分析過程中采用建(構(gòu))筑物損壞等級評判標(biāo)準(zhǔn)來驗(yàn)證移動(dòng)范圍內(nèi)的沉降變形。目前,礦山回采作業(yè)面主要集中于+900～+920m水平,采用充填法處理采空區(qū)。結(jié)合圖3對各分段進(jìn)行模擬開采,同時(shí)為便于分析A磷礦各分段開采后對地表的影響,分別在模型地表位置布置一號測線(x方向)和二號測線(y方向)(見圖4)。

圖4 模型地表測線布置圖

根據(jù)各監(jiān)測點(diǎn)的水平位移和豎直位移數(shù)值仿真數(shù)據(jù),可計(jì)算得出相鄰監(jiān)測點(diǎn)的水平變形值和傾斜變形值,計(jì)算公式[21]如下:

(6)

(7)

(8)

式中:in為地表n點(diǎn)的傾斜值,mm/m;Tn+1、Tn分別為地表n點(diǎn)和n+1點(diǎn)的下沉值,mm;Kn為地表n點(diǎn)的曲率值,mm/m2;Dn～n+1為地表n點(diǎn)和n+1點(diǎn)的水平距離,m;εn為地表n點(diǎn)的水平變形值,mm/m;Hn+1、Hn分別為地表n點(diǎn)和n+1點(diǎn)的水平移動(dòng)值,mm。

3.3 模擬結(jié)果分析

將一號、二號測線測得的位移代入式(6)-式(8)計(jì)算得到+900、+920、+937、+951 m分段開采后的地表位移變化(見圖5)。由圖5可以看出:沿y方向的傾斜值比沿x方向的傾斜值大,最大值0.12 mm/m為+900 m分段開采后的地表傾斜值;各分段沿y方向傾斜值按開采順序依次減小,沿x方向傾斜最大值出現(xiàn)在+937 m分段,為2.74×10-2mm/m;沿x、y方向水平變形最大值均出現(xiàn)在+951 m分段,最大值為1.93×10-2mm/m,且變形值呈逐漸增大的趨勢。

圖5 各分段開采后地表位移變化圖

因文章篇幅所限,以下僅給出+951 m分段開采后的地表位移變形云圖(見圖6、圖7)。

圖6 +951 m分段開采后地表垂直位移變形云圖

圖7 +951 m分段開采后地表位移與礦界相對位置示意圖

從圖中7可以看出,地表整體位移變形主要集中在礦井范圍內(nèi),緊鄰C磷礦,地表沿x方向的水平位移最大值約為9.9 mm,沿y方向的水平位移最大值約為0.5 mm,沿z方向的垂直位移最大值為83.5 mm,地表總體最大位移量約為84 mm。

計(jì)算出+951 m分段開采后該區(qū)域下沉盆地的地表傾斜值、曲率、水平變形值,從x、y方向算得最大地表傾斜值、曲率、水平變形值分別為:x方向傾斜值1.36×10-2mm/m、曲率5.77×10-5mm/m2、水平變形值1.1×10-2mm/m;y方向傾斜值6.02×10-2mm/m、曲率1.2×10-4mm/m2、水平變形值1.93×10-2mm/m。

根據(jù)式(6)-式(8),并結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果計(jì)算得出不同開采時(shí)期的地表變形值(見表3)。由表3可知,A磷礦各分段開采后的地表最大傾斜值為0.12 mm/m、最大水平變形值為0.019 3 mm/m,均未達(dá)到GB 50771-2012規(guī)定的地表變形臨界值。因此,A磷礦現(xiàn)階段開采引起的地表變形整體上較小,初步預(yù)測對相鄰的B磷礦、C磷礦及D磷礦開采影響程度較弱。

表3 不同開采時(shí)期的地表變形值

4 巖體移動(dòng)對相鄰礦山影響范圍的預(yù)測分析

由于巖體長期強(qiáng)度和采空區(qū)穩(wěn)定性的時(shí)間效應(yīng),現(xiàn)階段地表位移較大的區(qū)域有可能成為礦山長期開采潛在的地表移動(dòng)范圍,對比數(shù)值仿真地表移動(dòng)變形區(qū)域,并結(jié)合位移變化可預(yù)測得出A磷礦各分段在上向充填開采后巖體移動(dòng)對相鄰礦山的影響范圍(見圖8)。

當(dāng)開采+900 m分段礦體時(shí),礦體埋深大于400 m,地下開采對地表影響程度較小,潛在的開采移動(dòng)影響范圍主要在16#-17#勘探線之間,影響范圍呈類橢圓形[見圖8(a)],長軸方向長約547 m,短軸方向長約434 m,擴(kuò)展到C磷礦礦界內(nèi)約175 m。由該礦地質(zhì)資料可知,該區(qū)域?yàn)榈V井主要開采部分,受采掘影響,上覆老采空區(qū)發(fā)生下沉,且采空區(qū)上方為高陡山體邊坡,為潛在的開采移動(dòng)影響范圍。

當(dāng)開采+920 m、+937 m分段礦體時(shí),下分段采空區(qū)已完成充填,此時(shí)C磷礦受到的影響范圍較大,該區(qū)域地形為高邊坡并向A磷礦礦井延伸,因此隨著開采范圍的擴(kuò)大,形成的潛在開采移動(dòng)影響范圍逐漸向C磷礦擴(kuò)展,由175 m增加到189 m,而長軸方向由530 m增加到601 m,整體影響范圍分別呈類橢圓形[見圖8(b)]、類三角形[見圖8(c)],對B磷礦的影響逐漸變小。

當(dāng)開采+951 m分段礦體時(shí),上覆地層所受擾動(dòng)范圍和程度亦增大,位移變化最大值處向南移動(dòng),同時(shí)影響范圍再次擴(kuò)展到相鄰的C磷礦,整體影響范圍呈類三角形[見圖8(d)],長軸方向長約683 m,短軸方向長約400 m,下部影響范圍擴(kuò)展到距礦界約189 m處。礦井所處區(qū)域地勢為北高南低、東高西低,主要開采范圍處于該磷礦左部邊界處,此處地表為高陡邊坡并向北延伸至相鄰礦井,因此潛在的開采移動(dòng)影響范圍向B磷礦擴(kuò)展。開采+951 m分段礦體時(shí),因礦脈傾斜向下,老采空區(qū)位于礦井右翼邊界處,此處地表由D磷礦一路延伸而來形成高陡邊坡,因此潛在的開采移動(dòng)影響范圍再次向D磷礦擴(kuò)展。

圖8 各分段依次開采后巖體移動(dòng)對相鄰礦山影響范圍預(yù)測

5 開采建議

綜合理論計(jì)算和數(shù)值仿真分析可知,相比于其他礦井而言,A磷礦開采后對C磷礦的影響范圍最大,B磷礦次之,D磷礦相對較小。因此,提出如下開采建議:

a.后期開采過程中要重點(diǎn)加強(qiáng)因A磷礦開采巖體移動(dòng)對C磷礦影響的預(yù)測預(yù)警工作。

b.相鄰礦井應(yīng)重視本礦山處于A磷礦開采巖體移動(dòng)影響范圍內(nèi)的礦山壓力管理工作,嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)留設(shè)相應(yīng)保護(hù)礦(巖)柱,加強(qiáng)影響區(qū)域采場和巷道支護(hù)。

c.由于A磷礦+980 m以上存在采用空場法處理的歷史遺留采空區(qū),采空區(qū)內(nèi)留設(shè)有礦柱支撐頂板,但隨著時(shí)間的推移,采空區(qū)圍巖應(yīng)力重新分布,礦柱有可能因應(yīng)力集中產(chǎn)生疲勞破壞導(dǎo)致頂板冒落,從而影響采空區(qū)的穩(wěn)定性,故建議礦山在今后開采過程中加強(qiáng)對礦區(qū)范圍礦層露頭一帶高陡邊坡的巡查以及地表變形監(jiān)測工作,以確保礦山開采安全;應(yīng)加強(qiáng)與相鄰礦井的信息溝通,一旦發(fā)現(xiàn)因開采巖體移動(dòng)導(dǎo)致的異常情況可能影響相鄰礦井的建設(shè)和生產(chǎn)安全時(shí),立即向其發(fā)出預(yù)警,并及時(shí)報(bào)告礦山安全監(jiān)管監(jiān)察部門。

6 結(jié)論

a.采用概率積分法對A磷礦開采后的地表移動(dòng)變形進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果顯示該磷礦現(xiàn)階段開采后整體上不會產(chǎn)生大的地表移動(dòng)變形。

b.采用FLAC3D建立三維數(shù)值仿真模型,模擬分析得出A磷礦各分段上向充填開采后的地表總體最大位移量約為84 mm、最大傾斜變形值為0.12 mm/m、最大水平變形值為0.019 3 mm/m,均未達(dá)到GB50771-2012規(guī)定的地表變形臨界值。

c.對A磷礦現(xiàn)階段開采引起的巖體移動(dòng)影響范圍進(jìn)行預(yù)測,相比于其他礦井,A磷礦開采后的巖體移動(dòng)對C磷礦的影響最大,B磷礦次之,D磷礦相對較小。

d.綜合理論計(jì)算和數(shù)值仿真分析結(jié)果,建議下一步開采過程中應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)因A磷礦開采巖體移動(dòng)對C磷礦影響的預(yù)測預(yù)警工作。相鄰礦井應(yīng)重視本礦山處于A磷礦開采巖體移動(dòng)影響范圍內(nèi)的礦山壓力管理工作,嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)留設(shè)保護(hù)礦(巖)柱,加強(qiáng)影響區(qū)域采場和巷道支護(hù)。同時(shí),加強(qiáng)對A磷礦礦區(qū)范圍礦層露頭一帶高陡邊坡的巡查以及地表變形監(jiān)測工作。