巨厚覆巖下礦產(chǎn)重復(fù)開采地表沉陷預(yù)測(cè)及其控制

葉永芳，劉少華，吳曉輝，陳四寶，張緩緩

(江西省煤田地質(zhì)局二二四地質(zhì)隊(duì)，江西 新余 336600)

0 引言

在采礦工程研究領(lǐng)域中，地表沉陷預(yù)測(cè)是十分重要的一項(xiàng)工作，直接關(guān)系到采動(dòng)破壞預(yù)防措施的制定和實(shí)施。而巨厚覆巖下開采地表下沉具有連續(xù)性，在地表沉陷預(yù)測(cè)上面臨更多的問題。江西省新余市渝水區(qū)石竹山—上高縣樟木橋礦區(qū)硅灰石賦存在茅口灰?guī)r中，上覆圍巖較厚，加之，該礦區(qū)有多層硅灰石礦產(chǎn)，且其厚度大，開采規(guī)模大。因此，需要對(duì)該礦區(qū)礦產(chǎn)開采引起的地表沉陷問題進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，以提前預(yù)防，減少礦產(chǎn)開采對(duì)地表構(gòu)建物的損害。

1 研究區(qū)礦層基本情況

研究區(qū)內(nèi)硅灰石為隱伏礦體，根據(jù)鉆孔實(shí)際揭露情況，礦體賦存于蒙山花崗巖巖體外接觸帶茅口組下段中，距巖體0.5～282.0m范圍內(nèi)，賦存13個(gè)礦體，分別Ⅰ～ⅩⅢ，其中Ⅳ礦體為主礦體，Ⅲ、Ⅷ為次要礦體，其他為小礦體，各礦體特征見表1。礦體形態(tài)較規(guī)則，呈似層狀、透鏡狀產(chǎn)出，礦體真厚度1.00～31.16m不等，揭露礦體最低標(biāo)高-609.17m，最高標(biāo)高為+96.54m，礦體走向與地層走向基本一致，為85°～110°，傾向南，傾角20°～50°，各礦體形態(tài)特征縱剖面圖見圖1。

2 礦層開采地表沉陷的數(shù)值模擬預(yù)測(cè)分析

2.1 地質(zhì)采礦條件

論文以該礦區(qū)Ⅲ礦體、Ⅳ礦體為開采研究對(duì)象，其中Ⅲ礦體賦存在96.54～-387.60m，厚度1.00～10.34m，平均厚度2.86m；Ⅳ礦體賦存在55.95～-508.75m，厚度1.56～21.87m，平均厚度10.53m，這兩層礦層傾角近似水平，礦體形態(tài)均規(guī)則，厚度均穩(wěn)定。上距Ⅲ礦體6.52～32.67m，平均間距14.28m；下距Ⅴ礦體4.65～26.06m，平均間距13.79m。從上圖1中可以看出，Ⅲ礦體、Ⅳ礦體在礦區(qū)西部埋深較深，礦區(qū)東部埋深較淺。本次以中部8線為分析研究對(duì)象， 根據(jù)鉆孔ZK801勘探揭露， Ⅲ礦體埋深181.25～185.15m，礦層真厚3.38m；Ⅳ礦體埋深206.35～226.10m，礦層真厚17.11m，上覆巖層中表土層厚2.4m，基巖真厚160.13m。

表1 各礦體特征統(tǒng)計(jì)表Table 1 Characteristic of each orebody

圖1 石竹山—樟木橋硅灰石礦區(qū)縱剖面圖Figure 1 Vertical section drawings of the wollastonite mine area in SHI Zhu-Shan—ZHANG Mu-Qiao

2.2 礦層開采地表沉陷運(yùn)移模型建立

根據(jù)彈性力學(xué)中圣維南原理，設(shè)計(jì)模型尺寸200m×200m×200m，兩端定義圍巖邊界預(yù)留20m，開挖步距設(shè)為20m，開挖8步，實(shí)際開挖160m，模擬過程中對(duì)巖層厚度進(jìn)行了合理的概化，且僅考慮巖體自重下的初始應(yīng)力，其數(shù)值模型見圖2，模擬采用的相關(guān)參數(shù)見表2。

2.3 礦層單獨(dú)開采模擬結(jié)果及分析

根據(jù)前文所建立的模型，對(duì)Ⅲ礦體、Ⅳ礦體進(jìn)行單獨(dú)開采模擬，開挖各步對(duì)應(yīng)的走向地表動(dòng)態(tài)移動(dòng)曲線見下圖3～圖6。

表2 巖石物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of rock

圖2 數(shù)值模擬模型圖Figure 2 Model diagram of numerical simulation

(1)地表水平移動(dòng)曲線特征。從圖3、圖5可以看出，單獨(dú)開采Ⅲ礦體、Ⅳ礦體時(shí)，隨著開采工作面的不斷推進(jìn)，每一步的開采過程中地表水平移動(dòng)規(guī)律基本保持一致，均是先增大后減小的趨勢(shì)。隨著采動(dòng)程度的增加，地表水平移動(dòng)形態(tài)逐漸的變?yōu)殛P(guān)于采空區(qū)域中央呈反對(duì)稱，且地表最大水平移動(dòng)值逐漸增大，單獨(dú)開采Ⅲ礦體時(shí)最大水平位移為10.524mm，單獨(dú)開采Ⅲ礦體時(shí)最大水平位移為9.132 2mm。

(2)地表下沉曲線特征。從圖4、圖6可以看出，單獨(dú)開采Ⅲ礦體、Ⅳ礦體時(shí)，隨著開采程度的不斷增加，地表下沉量逐漸增大，地表最大下沉量點(diǎn)位于采空區(qū)中央上方。當(dāng)開采寬度較小時(shí)(≤120m)，地表下沉值變化速率較小，當(dāng)開采達(dá)到一定寬度后，地表下沉速率增大，當(dāng)開采寬度接近充分采動(dòng)后，地表最大下沉值增加緩慢或不再增大，趨近于穩(wěn)定。

圖3 單獨(dú)開采Ⅲ礦體時(shí)地表水平移動(dòng)曲線Figure 3 Horizontal displacement curve of mining Ⅲ orebody separately

圖4 單獨(dú)開采Ⅲ礦體時(shí)地表下沉曲線Figure 4 Subsidence curve of mining Ⅲ orebody separately

圖5 單獨(dú)開采Ⅳ礦體時(shí)地表水平移動(dòng)曲線Figure 5 Horizontal displacement curve of mining Ⅳ orebody separately

圖6 單獨(dú)開采Ⅳ礦體時(shí)地表下沉曲線Figure 6 Subsidence curve of mining Ⅳ orebody separately

圖7 單獨(dú)開采Ⅲ礦體、Ⅳ礦體時(shí)地表水平移動(dòng)對(duì)比曲線Figure 7 Horizontal displacement correlation curve of mining Ⅲ、Ⅳ orebody separately

圖8 單獨(dú)開采Ⅲ礦體、Ⅳ礦體時(shí)地表下沉對(duì)比曲線Figure 8 Subsidence correlation curve of mining Ⅲ、Ⅳ orebody separately

從圖7、圖8可以看出，在開采條件相同時(shí)，開采同樣寬度時(shí)，單獨(dú)開采Ⅳ礦體時(shí)的地表下沉量和地表水平移動(dòng)量均比單獨(dú)開采Ⅲ礦體時(shí)要大，從這一點(diǎn)模擬結(jié)果表明，礦層埋深深且采厚大的情況下，礦層前期開采時(shí)，開采Ⅳ礦體對(duì)地表沉陷的影響比開采Ⅲ礦體大，而當(dāng)?shù)V層達(dá)到充分采動(dòng)條件下，開采Ⅳ礦體對(duì)地表沉陷的影響比開采Ⅲ礦體要小，說明此時(shí)，采深對(duì)地表下沉起到減緩的作用。

2.4 礦層逐步開采地表沉陷運(yùn)移模擬

采用上述數(shù)值模擬設(shè)計(jì)方案，在Ⅲ礦體開采后再對(duì)Ⅳ礦體進(jìn)行開采模擬，開挖各步對(duì)應(yīng)的地表動(dòng)態(tài)移動(dòng)曲線見下圖9、圖10。

(1)地表水平移動(dòng)曲線特征。從圖9可知，地表水平移動(dòng)由模型左邊界點(diǎn)至采空區(qū)中央呈先增大后減小的趨勢(shì)，且該范圍內(nèi)地表水平位移為正方向，與開采方向一致。采空區(qū)至模型右邊界點(diǎn)范圍內(nèi)地表移動(dòng)是關(guān)于采空區(qū)中央上方反對(duì)稱，隨著采動(dòng)程度的增加，地表最大水平移動(dòng)值逐漸增大，最大水平位移為5.657 2mm，較單獨(dú)開采時(shí)地表水平移動(dòng)值較小。

(2)地表下沉曲線特征。從圖10可知，隨著礦層的不斷開采，地表下沉先逐漸增大，后逐漸減小，隨著開采范圍的不斷增大，地表下沉影響范圍也隨之不斷擴(kuò)大，地表下沉曲線基本上是關(guān)于采空區(qū)中央呈對(duì)稱狀態(tài)，根據(jù)模擬結(jié)果，地表最大下沉量隨井下采出面積的增大而增大，且地表最大下沉量為141.53mm，位于模型中部100m點(diǎn)的位置，基本位于整體采動(dòng)區(qū)的中央上方。而當(dāng)開采寬度接近充分采動(dòng)后，地表最大下沉速率逐漸減小。復(fù)合開采時(shí)，地表下沉量較單獨(dú)開采時(shí)更大。

圖9 多礦層逐步開采地表水平移動(dòng)曲線Figure 9 Horizontal displacement curve of multiple mining gradually

圖10 多礦層逐步開采地表下沉曲線Figure 10 Subsidence curve of multiple mining gradually

3 地表沉陷治理技術(shù)

由前文可知，因礦層的開采對(duì)地表造成極大的影響，造成地面建(構(gòu))筑物、道路、農(nóng)田的損害，其中，保護(hù)和恢復(fù)耕地是地表沉陷區(qū)治理的重中之重。目前，我國(guó)主要對(duì)農(nóng)業(yè)進(jìn)行復(fù)墾技術(shù)，包括疏排法、就地取土法、挖深墊淺法和固體廢物充填法等。另外，在沉陷區(qū)內(nèi)還可以進(jìn)行建筑復(fù)墾技術(shù)，生態(tài)景觀復(fù)墾技術(shù)，以減少采礦沉陷區(qū)的危害，充分利用沉陷區(qū)的有益價(jià)值。

4 結(jié)論

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，礦層開采地表運(yùn)移有如下幾點(diǎn)基本特征：

(1)地表最大下沉值點(diǎn)始終位于采空區(qū)中央上方的位置，隨最大下沉量隨采動(dòng)程度的增加而增大。當(dāng)采動(dòng)達(dá)到一定程度時(shí)，即充分采動(dòng)時(shí)，地表下沉量趨于穩(wěn)定。

(2)單一礦層開采時(shí)，地表水平移動(dòng)形態(tài)先是關(guān)于采空區(qū)基本呈對(duì)稱，隨著采動(dòng)程度的增加，地表水平移動(dòng)形態(tài)逐漸的變?yōu)殛P(guān)于采空區(qū)中央呈反對(duì)稱，且地表最大水平移動(dòng)值逐漸增大。

(3)在礦層達(dá)到充分采動(dòng)條件下，采深對(duì)地表下沉起到減緩的作用，間接說明深部開采地表沉陷具有緩慢的特點(diǎn)。

(4)復(fù)合礦層開采時(shí)，基本特征同單獨(dú)開采一致，但地表水平移動(dòng)形態(tài)直接是關(guān)于采空區(qū)中央呈反對(duì)稱，地表下沉量較單獨(dú)開采時(shí)大。

(5)在采礦沉陷區(qū)可以通過農(nóng)田復(fù)墾技術(shù)、建筑復(fù)墾技術(shù)、生態(tài)景觀復(fù)墾技術(shù)進(jìn)行治理控制。