傾斜礦體崩落法采礦塌落錯(cuò)動(dòng)范圍的圈定研究

徐偉蘭，孫 飛，劉海龍

(1.北京國(guó)信安科技術(shù)有限公司，北京 100160；2.黑龍江多寶山銅業(yè)股份有限公司，黑龍江 黑河 161416)

地下金屬礦山的開采主要有崩落法、空?qǐng)龇ê统涮罘?，崩落法具有效率高、安全性好以及成本低等突出?yōu)點(diǎn)，適用于礦體賦存規(guī)模較大的地下金屬礦山。隨著開采深度的增加，礦石不斷采出，圍巖變形、移動(dòng)和破壞逐漸加劇，出現(xiàn)地表塌落錯(cuò)動(dòng)，為避免地表塌落錯(cuò)動(dòng)產(chǎn)生不可預(yù)知的破壞作用，需要對(duì)地表塌落錯(cuò)動(dòng)范圍進(jìn)行研究。

1 礦山概況

某礦山為銅(鉬)礦床，屬大規(guī)模、低品位斑巖型銅礦床。共發(fā)現(xiàn)四個(gè)礦化帶，礦化帶位于平緩溝谷的上游，地表地形比較平緩，無高大山丘。其中，Ⅰ號(hào)、Ⅱ號(hào)、Ⅲ號(hào)礦帶統(tǒng)一露天開采，Ⅳ號(hào)礦帶主要礦體賦存標(biāo)高為500～-425 m，埋深5～690 m，礦體埋深大，地表覆蓋巖厚，采用地下開采方式。Ⅳ號(hào)礦帶礦體傾角均大于55°，平均厚度達(dá)30 m，采用無底柱分段崩落采礦法開采。

礦區(qū)內(nèi)出露地層主要為中奧陶統(tǒng)銅山組、多寶山組，上奧陶愛輝組和裸河組，中、下志留統(tǒng)的八十里小河組和黃花溝組以及第四系沉積層。礦區(qū)內(nèi)巖石完整程度較好，致密堅(jiān)硬，除地表少數(shù)強(qiáng)風(fēng)化巖石抗壓強(qiáng)度低于30 MPa，大多數(shù)巖石抗壓、抗拉、抗剪強(qiáng)度大，內(nèi)摩擦角大。根據(jù)巖石類型、巖體結(jié)構(gòu)，水理性質(zhì)、物理力學(xué)特征強(qiáng)度和節(jié)理發(fā)育程度，將礦區(qū)巖層劃分三個(gè)工程地質(zhì)巖組：第四系松散巖組、巖石風(fēng)化巖組、完整巖石巖組。

礦體厚度相對(duì)適中且傾角相對(duì)較大，礦體上盤圍巖會(huì)隨著采礦深度增加產(chǎn)生漸進(jìn)崩落，漸進(jìn)崩落是由于在上盤楔形巖體自重應(yīng)力超過巖體自身強(qiáng)度而形成張裂縫和剪切破壞面所引起的，并產(chǎn)生傾倒破壞，崩落的破碎巖塊沿礦體下盤向采礦區(qū)移動(dòng)，造成地表的不連續(xù)下沉。因此，針對(duì)傾斜、中厚礦體的崩落錯(cuò)動(dòng)范圍研究適用于頂板漸進(jìn)崩落理論。

2 頂板漸進(jìn)塌落理論

目前國(guó)內(nèi)地下金屬礦山塌落錯(cuò)動(dòng)范圍的圈定大多是采用工程類比[1]的方法進(jìn)行，該塌落錯(cuò)動(dòng)范圍圈定方法的結(jié)果一般偏保守，對(duì)一些地表構(gòu)筑物保護(hù)要求較高的地下金屬礦山造成部分礦量損失或地表構(gòu)筑物損失。為解決上述問題，相關(guān)研究學(xué)者分別從巖層連續(xù)和非連續(xù)的角度出發(fā)，并考慮到上覆巖層巖性、開采深度、開采厚度等因素形成了一系列的塌落數(shù)學(xué)解析理論，如趙康等就采動(dòng)條件下金屬礦山覆巖巖體破壞區(qū)域和應(yīng)力分布開展了研究[2]，黃平路等借助監(jiān)測(cè)、理論分析開展了厚覆蓋層地下開采地表塌陷機(jī)制分析[3]，郭進(jìn)平等就金屬礦床開采地表破壞機(jī)理進(jìn)行了研究[4]，還有很多學(xué)者就崩落法開采引起的地表塌落機(jī)制開展了研究[5-6]。形成了一些列數(shù)學(xué)解析方法，如頂板漸進(jìn)塌落理論、頂?shù)装鍧u進(jìn)塌落理論、開采松動(dòng)巖移理論、隨機(jī)介質(zhì)理論和灰色系統(tǒng)理論等[7]。

頂板漸進(jìn)崩落理論是由HOEK(1974)提出的一種根據(jù)已知的初始位置，來預(yù)計(jì)上盤圍巖隨開采深度增加的破壞過程的極限平衡分析方法。該法認(rèn)為在頂板漸進(jìn)崩落過程中處于極限平衡狀態(tài)的楔形體隨著礦石的采出將沿某一個(gè)破壞面滑移，采用莫爾一庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行判斷。

基于頂板漸進(jìn)崩落理論適用條件，礦體走向長(zhǎng)度一般長(zhǎng)于傾向長(zhǎng)度，可將頂板漸進(jìn)崩落理論應(yīng)用于垂直于礦體走向的橫剖面，使之成為二維平面數(shù)學(xué)解析問題，因此極限平衡判別可在二維橫剖面進(jìn)行判別。頂板漸進(jìn)崩落理論參數(shù)如圖1所示。其中有關(guān)的變量為：A—錯(cuò)動(dòng)崩落巖塊的底面積；c′—巖體的有效黏結(jié)力；H1—產(chǎn)生初始破壞時(shí)的開采深度；H2—產(chǎn)生后繼破壞時(shí)的開采深度；Hc—崩落巖塊的深度；S—礦體的寬度；T—崩落巖塊施加在破壞面上的推力；Tc—崩落巖塊施加在下盤巖體上的推力；W—滑動(dòng)楔形巖塊的重量；Wc—崩落巖塊的重量；z1—初始裂紋深度；z2—后繼張裂縫深度；zw—張裂縫中的水深；α—上部地表的坡面角(亦可為負(fù))；γ—未采動(dòng)前巖體的容重；γc—崩落巖塊的容重；γw—水的容重；θ—T與破壞面法線的夾角；σn′—破壞面上的有效法向應(yīng)力；τ—破壞面上的剪應(yīng)力；φ′—巖體的內(nèi)摩擦角；φw—崩落巖塊和未采動(dòng)巖體之間的摩擦角；Ψ0—礦體傾角；Ψb—崩落角；Ψp2—后繼破壞面傾角；Ψp1—初始破壞面傾角。

圖1 頂板漸進(jìn)崩落理論參數(shù)指示圖Fig.1 Roof progressive caving theoretical parameters layout

極限平衡條件下，巖層破壞面的抗剪強(qiáng)度滿足莫爾-庫侖準(zhǔn)則：

(1)

作用于破壞面的有效法向應(yīng)力和剪應(yīng)力為：

(2)

(3)

Wsin(Ψp2-φ′)+Tsin(θ-φ′)+

Vcos(Ψp2-φ′)+Usinφ′-c′Acosφ′=0

(4)

3 地表塌落范圍圈定過程

Ⅳ號(hào)礦帶礦體走向長(zhǎng)度約800 m，走向長(zhǎng)度明顯大于傾向長(zhǎng)度。根據(jù)頂板漸進(jìn)崩落理論原理和其二維平面簡(jiǎn)化計(jì)算方式，選擇Ⅳ號(hào)礦帶勘探線剖面為典型剖面，開展二維平面的頂板漸進(jìn)崩落理論計(jì)算，按照頂板漸進(jìn)崩落理論進(jìn)行崩落角的迭代計(jì)算，進(jìn)而獲得典型剖面內(nèi)的塌落范圍線與地表交點(diǎn)，順次連接典型剖面上地表交點(diǎn)即可得到地表塌落范圍。

3.1 頂板漸進(jìn)崩落理論典型剖面選取

按照前述頂板漸進(jìn)崩落理論方法，選?、籼?hào)礦帶2、6、8、10、14、18、1002號(hào)勘探線剖面作為典型剖面，勘探線與Ⅳ號(hào)礦帶礦體空間關(guān)系如圖2所示。

3.2 頂板漸進(jìn)崩落理論計(jì)算

根據(jù)頂板漸進(jìn)崩落計(jì)算方法，陷落角進(jìn)行計(jì)算的基礎(chǔ)參數(shù)如表1所示，其中頂板巖層巖性單一，不再分層選擇巖體物理力學(xué)參數(shù)。經(jīng)過數(shù)學(xué)迭代計(jì)算(計(jì)算誤差取1%)，結(jié)果如表2所示。

圖2 勘探線與礦體空間位置及典型剖面圖Fig.2 Layout of spatial relationship between exploration line and ore body & typical profile

表1 頂板漸進(jìn)崩落理論計(jì)算基礎(chǔ)參數(shù)表

注：c′、φ′為頂板巖層的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角

表2 頂板漸進(jìn)崩落計(jì)算結(jié)果表

3.3 地表塌落錯(cuò)動(dòng)范圍的圈定

根據(jù)3.2中計(jì)算結(jié)果塌落措施范圍移動(dòng)角ψp2自A點(diǎn)往礦體上盤方向做移動(dòng)角度的傾斜直線且與地表相交于點(diǎn)C，自B點(diǎn)往礦體下盤方向做下盤移動(dòng)角(礦體傾角-5°)角度的傾斜直線且與地表相交于點(diǎn)D，C-D范圍即為該典型剖面地表塌落范圍(圖3)。

在獲得每個(gè)勘探線剖面上塌落錯(cuò)動(dòng)范圍后，順次連接各剖面線地表相交點(diǎn)，并在礦體端部進(jìn)行合理外推后，即可得到閉合的塌落錯(cuò)動(dòng)范圍(圖4)。

圖3 典型剖面地表塌落范圍圖Fig.3 Schematic diagram of surface subsidence area in typical section

圖4 塌落錯(cuò)動(dòng)范圍圖Fig.4 Cave-in area diagram

4 塌落錯(cuò)動(dòng)范圍圈定結(jié)果對(duì)比

基于圖4塌落錯(cuò)動(dòng)范圍對(duì)比看出，頂板漸進(jìn)崩落理論圈定的塌落錯(cuò)動(dòng)范圍和采用工程類比的趨勢(shì)基本吻合，個(gè)別區(qū)域存在出入。

4.1 兩種方法圈定的基本吻合的區(qū)域

二期排土場(chǎng)西北角在地下開采巖移范圍內(nèi)，應(yīng)考慮預(yù)留保安礦柱并對(duì)保安礦柱的穩(wěn)定性進(jìn)行核算，或調(diào)整地下開采與排土作業(yè)時(shí)間位置順序等安全措施，以確保排土場(chǎng)作業(yè)及地下開采作業(yè)的安全；二期排土場(chǎng)東溝攔水壩及蓄水池北段局部在地下開采的巖移范圍內(nèi)，地下開采作業(yè)可能會(huì)影響攔水壩的穩(wěn)定性，蓄水池內(nèi)的水可能會(huì)滲入井下，影響地下開采的安全生產(chǎn)，應(yīng)考慮透水災(zāi)害及排土場(chǎng)攔水壩穩(wěn)定性的安全保障措施，確保地下開采的安全進(jìn)行。

4.2 兩種方法圈定存在出入的區(qū)域

工程類比圈定的塌落錯(cuò)動(dòng)范圍不包括回風(fēng)井、通風(fēng)機(jī)房及通風(fēng)機(jī)房變電所等，但使用頂板漸進(jìn)崩落理論圈定的塌落錯(cuò)動(dòng)范圍卻包括了上述建構(gòu)筑物，對(duì)回風(fēng)井、地表通風(fēng)機(jī)房及地表通風(fēng)機(jī)房變電所等建筑物應(yīng)考慮預(yù)留保安礦柱或調(diào)整回風(fēng)井、地表通風(fēng)機(jī)房及地表通風(fēng)機(jī)房變電所的位置等安全措施，以確?；仫L(fēng)井等建筑物的安全[8-9]。

5 結(jié)論

本文開展了頂板漸進(jìn)崩落理論圈定地下金屬礦山塌落錯(cuò)動(dòng)范圍的研究工作。根據(jù)傾斜礦體賦存特征，選用了合適的塌落錯(cuò)動(dòng)范圍圈定數(shù)學(xué)解析方法，針對(duì)本項(xiàng)目巖石特性精確計(jì)算出每一種巖層的巖石移動(dòng)角，進(jìn)而圈出地表巖石移動(dòng)范圍更有準(zhǔn)確性；并將頂板漸進(jìn)崩落理論結(jié)果與工程類比方法的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，頂板漸進(jìn)崩落理論結(jié)果更具有精細(xì)化的特征，為礦山進(jìn)一步的工業(yè)場(chǎng)地的布置提供了較有說服力和準(zhǔn)確的依據(jù)，為地下金屬礦山的安全、經(jīng)濟(jì)開采提供了保障。