崩落法深部開(kāi)采巖移及地表塌陷規(guī)律分析研究

王運(yùn)敏 ?陸玉根 孫國(guó)權(quán)

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽 馬鞍山243000;2.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 馬鞍山243000)

1 崩落法巖移及塌陷理論

崩落法開(kāi)采引發(fā)上覆巖層冒落是一個(gè)復(fù)雜的空間與時(shí)間問(wèn)題，當(dāng)前對(duì)于煤礦開(kāi)采頂板巖層冒落研究已較為成熟，學(xué)術(shù)界提出了多種理論和假說(shuō)，上覆巖層破斷規(guī)律已被基本掌握，代表性的有砌體梁理論、關(guān)鍵層理論、鉸接巖塊假說(shuō)和壓力拱假說(shuō)等。地下金屬礦山在地層結(jié)構(gòu)、礦體形態(tài)、賦存條件、應(yīng)力狀態(tài)及開(kāi)采方法等多方面與煤礦截然不同，使得地下采礦過(guò)程中圍巖體應(yīng)力分布較為復(fù)雜，崩落過(guò)程中具有其特殊性。所以，地下金屬礦山的巖移及地表塌陷研究不能簡(jiǎn)單地套用煤礦的相關(guān)理論。

當(dāng)前，地表塌陷研究主要采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析、數(shù)值模擬和相似模擬等，其中，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析是最為準(zhǔn)確的研究方法，可真實(shí)和精確地反映出巖層移動(dòng)特性及地表的塌陷沉降規(guī)律。

地下金屬礦床地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜、采場(chǎng)邊界條件多變、開(kāi)采因素影響大，導(dǎo)致巖層的變形破壞連續(xù)及非連續(xù)性并存，拉壓及剪切破壞共在;在復(fù)雜多變的采礦因素影響下，其介質(zhì)的巖體力學(xué)性質(zhì)、變形破壞機(jī)理以及采空區(qū)、結(jié)構(gòu)面等，會(huì)隨著時(shí)間發(fā)生相應(yīng)的變化。井下崩落開(kāi)采引起巖層變形和移動(dòng)，并導(dǎo)致地表出現(xiàn)開(kāi)裂下沉，描述地表開(kāi)裂下沉最重要的參數(shù)就是巖層陷落角，巖層陷落角受上覆巖層巖性、開(kāi)采深度、開(kāi)采厚度、采礦方法及巖石的流變特性等因素影響，較難準(zhǔn)確計(jì)算，因此采用實(shí)測(cè)法分析巖層移動(dòng)規(guī)律，及時(shí)總結(jié)修正適合礦山的巖層陷落角具有重要意義。

2 井下開(kāi)采及地表沉降分析

大紅山鐵礦集露天開(kāi)采和井下開(kāi)采2 種開(kāi)采方式，是國(guó)內(nèi)露天地下協(xié)同開(kāi)采的典型礦山之一，也屬?lài)?guó)內(nèi)最大的地下礦山，綜合生產(chǎn)能力約1 100 萬(wàn)t/a。

井下一期大規(guī)模無(wú)底柱崩落法開(kāi)采標(biāo)高為+380～+500 m，最大開(kāi)采深度距離地表800 多m，目前，主采區(qū)400 m 以上水平已開(kāi)采完畢。

井下大規(guī)模開(kāi)采使得大紅山鐵礦地壓活動(dòng)極為復(fù)雜，深部巷道冒頂片幫現(xiàn)象嚴(yán)重。2011 年8 月，地表1 220 m 標(biāo)高附近出現(xiàn)裂縫。為解除高應(yīng)力地壓隱患，2012 年4 月9 日，礦山在位于主采空區(qū)上部1 090 m平巷進(jìn)行了硐室爆破強(qiáng)制落頂。

為掌握地表開(kāi)裂及沉降規(guī)律，早期礦山在地表建成2 個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)，利用全站儀通過(guò)地表導(dǎo)線點(diǎn)進(jìn)行觀察。圖1 為2 測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，測(cè)點(diǎn)1 位于硐室爆破正上方，為目前地表沉降位移最大處，可見(jiàn)沉降與水平移動(dòng)規(guī)律較為一致，受硐室爆破強(qiáng)制落頂影響，測(cè)點(diǎn)1 沉降與水平移動(dòng)在之后幾月內(nèi)幾乎沒(méi)有發(fā)展，這表明上覆巖層強(qiáng)制冒落后延緩了地表沉降及變形。而后1 a 多時(shí)間內(nèi)2 測(cè)點(diǎn)的水平移動(dòng)幾乎保持不變，只有沉降一直處于平穩(wěn)緩慢增加的狀態(tài)中，增速約為25 mm/月。

圖1 測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降與水平移動(dòng)值Fig.1 Cumulative settlement and horizontal movement value of measuring point

地表塌陷與沉降最先出現(xiàn)在主采空區(qū)平面范圍上的東北角區(qū)域，如圖2，截至目前，地表開(kāi)裂區(qū)域已經(jīng)連接形成閉合圈。其中，2012 年11 月地表開(kāi)裂范圍的面積約為6.9 萬(wàn)m2，空間上幾乎與480 m 采空區(qū)范圍重合。隨著開(kāi)采深度的增加，采空區(qū)范圍的擴(kuò)大，地表開(kāi)裂呈現(xiàn)沿著480 m 水平采空區(qū)的邊界向四周發(fā)展的趨勢(shì)，2013 年10 月裂縫的面積達(dá)到28.3萬(wàn)m2，其開(kāi)裂范圍較2012 年11 月地表開(kāi)裂范圍擴(kuò)大了約4 倍，目前2014 年4 月實(shí)測(cè)地表開(kāi)裂面積已達(dá)30.2 萬(wàn)m2。未來(lái)主采區(qū)的主要開(kāi)采方向?yàn)?00水平向西南方向發(fā)展，未來(lái)地表開(kāi)裂的范圍也會(huì)主要向西南方向發(fā)展。

3 巖層移動(dòng)規(guī)律分析

圖2 井下開(kāi)采及地表塌陷開(kāi)裂范圍Fig.2 Underground mining and surface subsidence cracking range

根據(jù)各采區(qū)空間地理位置關(guān)系及開(kāi)采情況推斷，對(duì)目前地表塌陷及開(kāi)裂造成主要影響的是井下主采區(qū)，綜合分析對(duì)比各分段地下空區(qū)分布及地表開(kāi)裂實(shí)測(cè)現(xiàn)狀，如圖3中A38＇橫剖面地表裂縫發(fā)展情況可以看出，地表裂縫在逐步擴(kuò)大。根據(jù)采空區(qū)的剖面及地表裂縫發(fā)展范圍，可推導(dǎo)出地下空區(qū)影響到地表出現(xiàn)裂縫該區(qū)域的角度，即地下開(kāi)采巖移形成的陷落角，經(jīng)測(cè)量其上盤(pán)裂縫角度為81°，下盤(pán)裂縫角度為82°，同理分析其他各剖面上巖層的陷落角，其中最小為76°，位于縱Ⅱ剖面上盤(pán)，如圖4。

圖3 A38＇橫剖面地表裂縫發(fā)展情況Fig.3 Surface cracks development of A38 ＇cross-section

圖4 縱Ⅱ剖面地表裂縫發(fā)展情況Fig.4 Current and future cracking range

可見(jiàn)大紅山鐵礦井下深部主采區(qū)大規(guī)模開(kāi)采崩落圍巖充填采空區(qū)后，地表形成了較大規(guī)模的塌陷開(kāi)裂區(qū)，總結(jié)實(shí)測(cè)地表塌陷及巖層移動(dòng)范圍，可得出大紅山鐵礦井下深部開(kāi)采的巖層陷落角≥76°。

4 地壓監(jiān)測(cè)記錄分析

目前大紅山鐵礦地壓監(jiān)測(cè)包括鉆孔應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)、圍巖變形自動(dòng)監(jiān)測(cè)及微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等，自2012 年4月主采空區(qū)上部實(shí)施硐室爆破強(qiáng)制落頂以來(lái)，各監(jiān)測(cè)系統(tǒng)陸續(xù)完成了設(shè)計(jì)安裝工作，并監(jiān)測(cè)得到了各月地壓監(jiān)測(cè)記錄。

井下鉆孔應(yīng)力計(jì)涵蓋目前主采區(qū)各水平，從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析來(lái)看，過(guò)去2 a 在所布設(shè)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近圍巖內(nèi)應(yīng)力集中與增加量較小，如圖5 每月應(yīng)力最大值均小于0.35 MPa，說(shuō)明采空區(qū)周?chē)鷳?yīng)力集中較小，圍巖應(yīng)力處于較穩(wěn)定的狀態(tài)，地壓活動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定。

對(duì)主采空區(qū)上部1 090 m 巷道頂板變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，各月頂板最大下沉量均小于3.5 mm。近2 a 來(lái)，1 090 m 巷道頂板下沉量表現(xiàn)出總體穩(wěn)定，階段性增速的趨勢(shì)如圖6，目前，累計(jì)下沉量已達(dá)3 500 mm，預(yù)測(cè)未來(lái)圍巖沉降還將保持該穩(wěn)定增長(zhǎng)的趨勢(shì)，塑性變形區(qū)域繼續(xù)擴(kuò)大。

圖5 每月應(yīng)力增加最大值監(jiān)測(cè)記錄Fig.5 Monthly maximum inereased stress monitoring records

圖6 每月頂板累計(jì)下沉量監(jiān)測(cè)記錄Fig.6 Monthly cumulative roof subsidence monitoring records

圖7 為主采空區(qū)上部硐室大爆破后每月巖層破裂事件的平均次數(shù)，可以看出，在硐室大爆破后的幾個(gè)月里，巖層破裂事件數(shù)逐漸下降，2013 年12 月至2014 年6 月幾乎都未發(fā)生破裂事件?？諈^(qū)上部巖層冒落次數(shù)顯著下降、消失，表明了采空區(qū)逐漸被冒落巖層所覆蓋并不斷填實(shí)，地應(yīng)力逐步得到相對(duì)平衡，預(yù)測(cè)未來(lái)巖層破裂事件將處于較低次數(shù)并消失，被覆蓋的空區(qū)進(jìn)一步填實(shí)，出現(xiàn)較大規(guī)模巖層冒落概率很低。

圖7 每月平均巖層破裂事件監(jiān)測(cè)記錄Fig.7 The average monitoring records value of rock rupture event monthly

從圖8 中近2 a 來(lái)的微震非定位事件監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，每月的微震非定位事件均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于大面積突然垮塌設(shè)定的預(yù)警值300 個(gè)/d，且逐漸降低趨于穩(wěn)定，呈現(xiàn)顯著不斷降低趨勢(shì)，這表明地壓趨于逐漸穩(wěn)定。

圖8 每月微震非定位事件平均值監(jiān)測(cè)記錄Fig.8 The average monitoring records value of non-locating micro seismic events monthly

5 結(jié) 論

(1)綜合分析地表塌陷區(qū)沉降及裂縫的發(fā)展情況，表明沉降與水平移動(dòng)具有較強(qiáng)的一致性，整體變化趨勢(shì)具有階段性的快速增加與趨緩的特點(diǎn)。目前塌陷區(qū)地表水平移動(dòng)保持不變，沉降處于平穩(wěn)緩慢增加的狀態(tài)中。

(2)總結(jié)地表塌陷區(qū)沉降及其裂縫的發(fā)展過(guò)程，得出本礦深部開(kāi)采巖層陷落角≥76°。

(3)通過(guò)井下各地壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，表明目前主采區(qū)上部空區(qū)已不同程度被填實(shí)，巖層冒落事件趨于消失，圍巖應(yīng)力集中較小，變形趨于穩(wěn)定，預(yù)測(cè)未來(lái)巖層將繼續(xù)緩慢下沉壓實(shí)，發(fā)生沖擊地壓、大規(guī)模塌陷冒落等地壓災(zāi)害的概率很低。

(4)分析地表沉降及相關(guān)井下地壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，硐室爆破強(qiáng)制冒落上覆頂板巖層后，巖移及地表塌陷沉降均處于較為穩(wěn)定狀態(tài)，深部崩落法開(kāi)采高應(yīng)力集中的情況得到了明顯解除，這充分說(shuō)明了深部崩落法開(kāi)采，崩落上覆巖層保證足夠的覆蓋巖石厚度充填采空區(qū)，對(duì)于緩解深部開(kāi)采高應(yīng)力、控制巖層移動(dòng)具有重要作用。

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