南礦地表移動(dòng)變形影響及保安礦柱開采安全分析

周 勇,賀應(yīng)來

(錫礦山閃星銻業(yè)有限責(zé)任公司,湖南冷水江 417502)

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南礦地表移動(dòng)變形影響及保安礦柱開采安全分析

周 勇,賀應(yīng)來

(錫礦山閃星銻業(yè)有限責(zé)任公司,湖南冷水江 417502)

對(duì)錫礦山南礦地表及井下巖移進(jìn)行了觀測(cè)研究,利用不同手段判斷地表移動(dòng)的變形量,從而了解充填質(zhì)量和保安礦柱安全開采的情況,結(jié)合本礦山實(shí)際情況,利用觀測(cè)數(shù)據(jù)來確定采空區(qū)上部建筑物的穩(wěn)定性。

移動(dòng)變形;保安礦柱;建筑物;沉陷;采空區(qū);地壓

錫礦山礦區(qū)面積為11.974 8 km2,礦山采用豎井、斜井、平硐-暗斜井聯(lián)合開拓方案,地下開采采礦方法為膠結(jié)充填法、普通房柱法、桿柱房柱法、桿柱砂漿膠結(jié)充填法、上向連續(xù)采礦法等,開采深度:標(biāo)高從+620 m至-492 m。南礦地面工業(yè)場地共占地面積約4.4萬m2,由于歷史原因,在礦山開采范圍有大量地面建構(gòu)筑物,主要分布在200～400 m標(biāo)高之間,在平面上呈北東-南西長條形狀分布,從礦區(qū)南至北主要建構(gòu)筑物布置為:南面分布有尾礦庫、油庫和電站;中部布置公司總部、主提升的2#豎井、招待所、生活區(qū)、南選廠;北部飛水巖區(qū)布置了1#豎井、廢石場、東西翼風(fēng)井和冶煉廠。本文采用概率積分法對(duì)南礦開采引起的地表移動(dòng)和變形進(jìn)行計(jì)算,綜合分析地表建筑物的安全。

1 地表移動(dòng)變形影響分析

1.1 地表移動(dòng)盆地邊界的確定

1.1.1 開采的直接影響和間接影響

地下開采以后,在采空區(qū)上方及其周圍地表發(fā)生移動(dòng)和變形。巖層與地表的變形以及它所導(dǎo)致的建筑物、結(jié)構(gòu)物和自然物的損害稱為直接開采損害。在地表主要變形帶之外,地表變形一般都很小,然而這時(shí)也可能發(fā)現(xiàn)一些開采影響的存在,它們往往與開采間接有關(guān),稱為間接開采損害。

1.1.2 地表移動(dòng)邊界

按照地表移動(dòng)變形值的大小及其對(duì)建筑物及地表的影響程度,可將地表移動(dòng)盆地劃分出三個(gè)邊界:最外邊界、危險(xiǎn)移動(dòng)邊界和裂縫邊界。地表移動(dòng)盆地下邊界確定示意圖如圖1所示。

1.移動(dòng)盆地的最外邊界:移動(dòng)盆地的最外邊界,是指以地表移動(dòng)和變形都為零的盆地邊界點(diǎn)所圈定的邊界。一般取下沉為10 mm的點(diǎn)為邊界點(diǎn)。

2.移動(dòng)盆地的危險(xiǎn)移動(dòng)邊界:移動(dòng)盆地的危險(xiǎn)移動(dòng)邊界,是指以臨界變形值確定的邊界,表示處于該邊界范圍內(nèi)的建筑物將會(huì)產(chǎn)生損害,而位于該邊界外的建筑物則不會(huì)產(chǎn)生明顯的損害。目前我國采用的一組臨界變形值為傾斜i=3 mm/m,水平變形ε=2 mm/m,曲率k=0.2×10-3/m。以上述三變形值中最外一個(gè)值確定的邊界即為危險(xiǎn)移動(dòng)邊界,如圖1中的A′C′B′D′所示。

3.移動(dòng)盆地的裂縫邊界:移動(dòng)盆地的裂縫邊界,是指根據(jù)移動(dòng)盆地的最外側(cè)的裂縫定的邊界,如圖1中的A″C″B″D″所示。

圖1 地表移動(dòng)盆地下邊界確定示意圖

1.2 地表移動(dòng)與變形值的預(yù)計(jì)方法選取

地表沉陷計(jì)算采用常用的概率積分法作為計(jì)算方法,概率積分法是以正態(tài)分布函數(shù)為影響函數(shù),用積分式表示地表下沉盆地的方法,適用于地表移動(dòng)與變形計(jì)算。

全盆地的移動(dòng)與變形計(jì)算如下:

下沉:

上述式中x,y為計(jì)算點(diǎn)相對(duì)坐標(biāo)(考慮拐點(diǎn)偏移距)/m;D為開采礦層區(qū)域;W為下沉變形;r為影響半徑;K為曲率;U為水平移動(dòng)量;η為下沉系數(shù);i為傾斜變形;S為扭曲變形;γ為剪切變形;ζ為水平移動(dòng);ε為水平變形。

1.3 南礦礦區(qū)地表下沉實(shí)測(cè)資料

1995年3月至2009年10月,長期系統(tǒng)地觀測(cè)了南礦南煉廠處的地表下沉。該處地表共設(shè)49個(gè)觀測(cè)點(diǎn),沿4條線布置,包括沿公路布置的公18～公25點(diǎn),沿庫房至爐房布置的爐3至庫12點(diǎn),沿澡堂至食堂布置的35至49點(diǎn),沿斜坡道地表布置的斜27至斜34點(diǎn)。南煉廠地表下沉實(shí)測(cè)點(diǎn)的布置見圖2。

選取觀測(cè)點(diǎn)公22、庫12、爐3、爐6的下沉實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)繪制時(shí)間位移曲線如圖3～圖6所示。

從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出,1995年3月至2009年10月南煉廠位置地表下沉值達(dá)到30～55 mm,各點(diǎn)下沉量相差在25 mm之內(nèi)。

1.4 南礦地下開采沉陷計(jì)算

南礦地下開采活動(dòng)引起巖層移動(dòng),有可能影響到地表建筑及豎井安全,其遭受損害的程度,可通過地表移動(dòng)變形計(jì)算來予以評(píng)估。

本次采用概率積分法對(duì)南礦導(dǎo)致的地表移動(dòng)變形進(jìn)行計(jì)算分析。

1.4.1 計(jì)算參數(shù)的確定

采用工程類比法,并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測(cè)資料來綜合確定計(jì)算參數(shù)。本次計(jì)算主要依據(jù)本礦區(qū)、本省及國內(nèi)地質(zhì)條件、上覆巖層及開采技術(shù)條件詳盡的礦井、礦區(qū)地表移動(dòng)參數(shù),經(jīng)綜合分析后選取。

圖2 南煉廠地表下沉實(shí)測(cè)點(diǎn)布置圖

圖3 爐3點(diǎn)實(shí)測(cè)下沉圖

圖4 庫12點(diǎn)實(shí)測(cè)下沉圖

綜合確定本礦區(qū)內(nèi)地表移動(dòng)與覆巖移動(dòng)參數(shù)如下:

充填法開采下沉系數(shù):q=0.1

水平移動(dòng)系數(shù):b=0.15

主要影響范圍角:β=60°

1.4.2 計(jì)算結(jié)果

地表移動(dòng)變形計(jì)算采用了常用的概率積分法作為計(jì)算方法,用計(jì)算機(jī)對(duì)開采導(dǎo)致地表變形的各種參數(shù):下沉變形W、水平移動(dòng)U和傾斜變形i進(jìn)行模擬計(jì)算,得到的地下開采導(dǎo)致地表移動(dòng)變形,東西向下沉剖面圖如圖7所示,南北向下沉剖面圖如圖8所示,對(duì)地表主要構(gòu)筑物的影響見表1。

圖5 爐6點(diǎn)實(shí)測(cè)下沉圖

圖6 公22點(diǎn)實(shí)測(cè)下沉圖

圖7 東西向下沉剖面圖

圖8 南北向下沉剖面圖

表1 地下開采對(duì)主要構(gòu)筑物影響計(jì)算結(jié)果

受采動(dòng)影響上覆巖層可能出現(xiàn)冒落、斷裂、離層和彎曲等現(xiàn)象,進(jìn)而發(fā)展到地表,在地表形成一個(gè)比采空區(qū)大的沉陷盆地。對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填處理可以有效控制圍巖變形和地表下沉,實(shí)測(cè)資料和計(jì)算結(jié)果都表明,南礦采用充填法處理空區(qū),有效地控制了地表移動(dòng)和變形。

計(jì)算得到南礦地表最大下沉值為85 mm;地表最大傾斜發(fā)生在采空區(qū)邊界上方地表,最大值0.6 mm/m;開采邊界正上方地表水平移動(dòng)最大,東西向水平移動(dòng)最大值9 mm;開采引起的地表水平變形和曲率計(jì)算值很小,水平變形值小于0.1 mm/m,曲率值小于10-5/m。

1.5 開采對(duì)地表主要建筑物的影響分析

1.5.1 損害的表現(xiàn)形式

采空區(qū)上覆巖層的移動(dòng)波及地表后,引起地面下沉,不均勻沉降可導(dǎo)致地表建筑破壞。地表沉陷過程的拉伸、壓縮、傾斜變形減小了建筑地基的內(nèi)磨擦力和內(nèi)聚力,會(huì)引起其承載力的下降,使建筑物出現(xiàn)裂縫。巖體移動(dòng)和變形會(huì)引起豎井的傾斜。

1.5.2 開采對(duì)地表主要構(gòu)筑物的影響

建筑物受開采影響的損壞程度取決于地表變形的大小和建筑物本身抵抗變形的能力,其損壞等級(jí)的劃分見表2。

1.南2號(hào)豎井產(chǎn)生10 mm下沉,0.3 mm/m的傾斜,水平變形值小于 0.1 mm/m,曲率值小于10-5/m,小于表 2中規(guī)定的建筑物損壞時(shí)的變形值。

2.南1號(hào)豎井位置地表產(chǎn)生80 mm下沉,水平變形值小于0.1 mm/m,曲率值小于10-5/m,傾斜值為0.3 mm/m,小于表2中規(guī)定的建筑物損壞時(shí)的變形值。

3.礦本部處于下沉影響范圍內(nèi),下沉值達(dá)到20～35 mm,水平變形值小于0.1 mm/m,曲率值小于10-5/m,傾斜值為0.55～0.6 mm/m,遠(yuǎn)小于表2中規(guī)定的變形值,地表建筑不會(huì)破壞。

表2 磚混結(jié)構(gòu)建筑物損壞等級(jí)

4.南煉廠處的地表水平變形值小于0.1 mm/m,曲率值小于10-5/m,傾斜值為0.5～0.6 mm/m,小于表2中規(guī)定的建筑物損壞時(shí)的變形值,地表建筑不會(huì)損壞。

5.東翼風(fēng)井處的地表水平變形值小于 0.1 mm/m,曲率值小于10-5/m,傾斜值為0.6 mm/m,小于表2中規(guī)定的建筑物損壞時(shí)的變形值。

2 保安礦柱開采安全分析

由于南礦地表工業(yè)場地基本上布置在采動(dòng)影響范圍內(nèi),飛水巖河也在礦區(qū)范圍內(nèi),南礦的礦體開采基本上都是“三下”開采,對(duì)地表下沉量的控制要求比較高,解放后,為確保重要工業(yè)建筑物和飛水巖河床安全,在開采的南礦上部中段留有河床、一號(hào)豎井、通風(fēng)井、南煉廠、辦公室等五大保安礦柱。

為保持南礦的生產(chǎn)水平,1982年5月開始了淺部保安礦柱的開采,其中“五中段以上河床保安礦柱”、“一號(hào)豎井保安礦柱”、“南煉廠保安礦柱”先后得到了湖南省冶金工業(yè)局、湖南省有色金屬工業(yè)公司的批復(fù),允許開采。各保安礦柱開采歷史及現(xiàn)狀和開采保障措施如下。

2.1 保安礦柱開采歷史及現(xiàn)狀

2.1.1 五中段以上河床保安礦柱開采

1982年12月,對(duì)南礦五中段以上河床保安礦柱進(jìn)行采準(zhǔn)設(shè)計(jì),原湖南省冶金工業(yè)局和湖南省有色金屬工業(yè)公司聯(lián)合發(fā)文同意對(duì)錫礦山南礦二至五中段保安礦柱進(jìn)行開采(《對(duì)錫礦山南礦二至五中段保安礦柱開采初步設(shè)計(jì)的批復(fù)》[(83)湘冶色字第008號(hào)])。

設(shè)計(jì)時(shí),考慮到河床礦柱距河床底板太近、危險(xiǎn)性大,對(duì)三中段以上距河床底板小于30 m的礦體未設(shè)計(jì)開采。

1986年6月開始對(duì)南礦五中段以上河床保安礦柱進(jìn)行回采,現(xiàn)除部分殘采地點(diǎn)外,大部分已采完。2.1.2 一號(hào)豎井保安礦柱開采與設(shè)計(jì)

1984年4月經(jīng)湖南省有色金屬工業(yè)公司批準(zhǔn),對(duì)“一號(hào)豎井保安礦柱”進(jìn)行施工,1988年6月開始進(jìn)行一號(hào)豎井保安礦柱的回采作業(yè)。

目前除一號(hào)豎井旁邊的14、16、18、20四個(gè)礦塊,32m范圍的保安礦柱未回采外,絕大部分保安礦柱已經(jīng)回采完畢。

2.1.3 南煉廠保安礦柱開采與設(shè)計(jì)

1993年6月,經(jīng)湖南省有色金屬工業(yè)公司同意,礦山開始對(duì)南煉廠保安礦柱下分層礦體進(jìn)行施工, 2004年基本已完。2003年對(duì)其上分層礦體進(jìn)行設(shè)計(jì)與施工,現(xiàn)正在進(jìn)行回采施工。

2.2 保安礦柱開采保障措施

由于上世紀(jì)六十至七十年代礦山曾先后發(fā)生三次大面積的地壓活動(dòng),造成巷道和采礦區(qū)頂板塌落、礦柱破壞、巖層移動(dòng)、地表開裂下沉、公路及附近廠房等建筑物設(shè)施都遭到了較為嚴(yán)重的影響,給礦山正常生產(chǎn)帶來了嚴(yán)重的影響。因此,為保證保安礦柱安全回采,減小和控制保安礦柱回采過程中的地表沉降,礦山采取了一系列有效措施。

1.開展保安礦柱安全回采科研和現(xiàn)場試驗(yàn)。與相關(guān)科研院所合作開展了《南煉廠保安礦柱開采地壓監(jiān)控技術(shù)研究》、《錫礦山河床保安礦柱開采及其地壓規(guī)律的研究》等多項(xiàng)科研,一系列科研成果的應(yīng)用和現(xiàn)場試驗(yàn)為南礦保安礦柱的回采提供了技術(shù)保障。

2.采用充填法處理空區(qū),消除空區(qū)隱患。為了保證坑內(nèi)外安全,有效控制地壓,確保安全生產(chǎn),從1950年起,南礦即開始對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填處理工作,當(dāng)時(shí)主要用矸石充填西部和河床下面的采空區(qū),以保護(hù)地表的建筑物。1970年,礦山完善了上部中段水砂充填系統(tǒng),興建了膠結(jié)充填系統(tǒng),至1980年底,共充填了216.1萬m3,占總采空區(qū)的70%,有效地控制了礦山地壓活動(dòng)和地表下沉,地壓活動(dòng)開始趨向相對(duì)穩(wěn)定。為了滿足深部中段采礦的要求和解決充填能力不足的問題,礦山先后建立了深部和淺部兩個(gè)充填系統(tǒng),采用粗顆粒水砂充填、分級(jí)尾砂膠結(jié)充填以及混凝土膠結(jié)充填等方式,對(duì)遺留的采空區(qū)進(jìn)行充填,至1991年底,四中段以上除少量的解放前遺留的采空區(qū)無法充填接頂外,大部分采空區(qū)已經(jīng)基本充填。

3.采用充填法開采,控制地壓。根據(jù)礦體的賦存條件,為保證礦山安全高效開采,經(jīng)過多年反復(fù)探索、應(yīng)用和篩選,目前,南礦采礦方法主要為膠結(jié)充填法,邊緣礦體或傾角大于40°的礦體采用普通房柱法、桿柱房柱法、桿柱砂漿膠結(jié)充填法、上向連續(xù)采礦法等采礦方法進(jìn)行回采,所有的采空區(qū)都采用充填的方法進(jìn)行采空區(qū)處理,基本實(shí)現(xiàn)了采充平衡,有效地控制了井下地壓活動(dòng)和地表有害沉降。

4.開展了地表沉降和地壓監(jiān)測(cè)。南礦是我國最早開展井下地壓和地表沉降監(jiān)測(cè)的礦山,通過地壓和地表沉降監(jiān)測(cè)綜合分析了淺部及地表和保安礦柱開采的巖移和地壓變化規(guī)律。

2.3 保安礦柱開采條件

南礦已開采的保安礦柱“五中段以上河床保安礦柱”、“一號(hào)豎井保安礦柱”、“南煉廠保安礦柱”的開采,通過立項(xiàng)審批程序,采取了科學(xué)有效的控制措施,既提高了礦產(chǎn)資源回收率,也保證了地表建構(gòu)筑物的安全正常使用,同時(shí)公司嚴(yán)格按審批的設(shè)計(jì)方案,進(jìn)行開采,已達(dá)到理想的預(yù)期目的。

3 結(jié)束語

錫礦山閃星銻業(yè)有限責(zé)任公司南礦通過采用充填法全面處理老空區(qū),同時(shí)采用充填采礦法開采,地表位移沉降得到有效控制,沒有發(fā)生大面積地壓活動(dòng)的跡象。但隨著開采深度的增加,原巖應(yīng)力場增大,為保持井巷和采場穩(wěn)定,應(yīng)對(duì)支護(hù)方式、采場結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行研究和優(yōu)化,建立井下地壓活動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng),健全地壓監(jiān)測(cè)管理。

[1] 錫礦山銻志編委會(huì).錫礦山銻志[M].冷水江:錫礦山閃星銻業(yè)有限責(zé)任公司,1981.

[2] 錫礦山銻志編委會(huì).錫礦山銻志[M].冷水江:錫礦山閃星銻業(yè)有限責(zé)任公司,1996.

[3] 張根深.南礦采空區(qū)處理實(shí)踐及其探討[J].錫礦山科技, 1993,(4):1-5.

[4] 錫礦山礦務(wù)局.錫礦山南區(qū)地壓總結(jié)[J].湖南冶金,1974,(增刊):14-34.

Surface Movement and Deformation Effect of South Mine and Mining Safety Analysis of the Security Pillar

ZHOU Yong,HE Ying-lai
(Hsikwangshan Twinkling Star Co.,Ltd,Lengshuijiang417502,China)

The surface and underground rock shift of Xikuangshan south mine was observed and studied.It used different means to determine the amount of deformation of the surface movement to understand the filling quality and security pillar safe mining.Combined with the actual situation of the mines,the observational data was used to determine the building’s stability in the upper part of the empty area.

movement and deformation;security pillar;buildings;subsidence;goaf;pressure

TD801

A

1003-5540(2012)05-0001-06

周勇(1968-),男,工程師,主要從事地壓巖移觀測(cè)技術(shù)管理工作。

2012-07-26