城市道路下金屬礦山保護性開采方案研究

梅志恒 張俊思 鮑敏

(1.中國地質(zhì)大學(武漢)工程學院 武漢 430070； 2.大冶有色金屬有限責任公司豐山銅礦 湖北黃石 435232)

0 引言

擬建設(shè)的大冶市金湖外環(huán)線工程，將壓覆大冶銅山銅鐵礦401號和402號礦體。為保障道路的安全建設(shè)和礦山的安全開采，需研究城市道路下金屬礦山保護性開采措施。

城市道路下的礦山開采屬“三下”開采范圍?！叭隆遍_采的重要研究方向之一就是預測礦體開采后引起的上覆巖層沉降變形，確定所采用的開采技術(shù)是否能保證地表建(構(gòu))筑物的安全。雖然國內(nèi)外對于“三下”開采的文獻較多[1-4]，但是涉及到城市道路下金屬礦山開采的研究卻很少。

本文采用理論計算和數(shù)值模擬的方法，研究了大冶銅山銅鐵礦保護性開采措施，為類似工程項目提供參考和借鑒。

1 礦體特征及開采方式

1.1 礦體特征

大冶銅山銅鐵礦賦存有401號和402號礦體。401號礦體位于礦區(qū)西部，402號礦體位于礦區(qū)東部。401號礦體產(chǎn)于下三疊統(tǒng)嘉陵江組第一段白云巖夾大理巖構(gòu)成的捕虜體的東側(cè)接觸帶的石榴石硅卡巖中，礦體長253 m，斜深25～162 m，厚6.69～61.53 m，平均24.87 m。402號礦體產(chǎn)于銅山礦區(qū)深部中-下三疊統(tǒng)大冶組第四段大理巖捕虜體與石英閃長巖內(nèi)、外接觸帶中，礦體賦存于-85～-679 m標高間。礦體圍巖主要為石英閃長巖、硅卡巖，其次為大理巖等。

1.2 礦床工程地質(zhì)條件

礦區(qū)的地形南高北低，由南向北，為中低山、丘陵至大冶湖盆地。南部中低山由石炭、二疊、三疊系灰?guī)r、大理巖等碳酸鹽巖組成，地形標高一般為100～400 m；丘陵區(qū)主要由燕山期石英閃長巖、花崗巖、閃長斑巖等巖漿巖組成，地表多被第四系殘坡積層覆蓋，地形標高一般為30～60 m；湖盆地沉積物主要為湖相粘土及河湖相亞粘土，湖底標高為14.5～19 m。

本礦區(qū)地層巖性較為簡單，淺部巖漿巖風化強烈，深部巖漿巖、大理巖工程地質(zhì)巖組工程地質(zhì)性狀良好。

1.3 開采方式及采礦方法

401礦體于2009年已采完并進行了充填。402號礦體采用豎井開拓，最高開采標高為-85 m，最低開采標高為-679 m，中段間距為50 m，膠結(jié)充填開采。

2 道路工后容許沉降值的確定

2.1 道路等級與功能的確定

根據(jù)《公路工程技術(shù)標準》(JTG B01—2014)和交通量預測，公路基本路段均處于三級服務(wù)水平，考慮到其主要服務(wù)于馬叫工業(yè)區(qū)內(nèi)的工礦企業(yè)，行駛大型貨車較多，同時該公路與該區(qū)域城市路網(wǎng)聯(lián)系緊密，規(guī)劃部門擬將其納入城市路網(wǎng)中，故確定本項目全線采用雙向四車道三級公路兼城市次干路。

2.2 路基容許工后沉降值的確定

地下開采將導致城市道路發(fā)生沉降變形，而關(guān)于其允許變形值目前國內(nèi)外尚未做過專門的研究。《城市道路工程設(shè)計規(guī)范》(CJJ 37—2012)[5]中指出： 進行路基變形分析和穩(wěn)定性驗算，應(yīng)合理確定特殊地基處理或處治的設(shè)計方案，滿足路基變形和穩(wěn)定性要求。 但該規(guī)范中并未給出路基變形具體要求。

《公路路基設(shè)計規(guī)范》(JTG D30—2015)[6]中7.7.1條款，對公路路基容許工后沉降值進行了規(guī)定，詳見表1。 擬建設(shè)的城市道路為三級公路兼城市次干路，屬低等級公路，為了確保城市道路的安全使用，按照較高標準控制地表移動變形。本道路按干線公路的二級公路取值，即路基容許工后沉降值≤0.5 m。

表1 容許工后沉降 m

3 最小安全開采深度的確定

根據(jù)特殊條件下(“三下”采礦)生產(chǎn)實踐，在“三下”開采時，首先要確定最小的安全開采深度，即在地表建(構(gòu))筑物與停采線標高之間預留一定厚度的保護層礦柱，其在回采過程中起到緩沖作用，防止地表下陷[7]，詳見圖1。

圖1 城市道路下地下開采示意

目前金屬礦山尚無系統(tǒng)的開采沉陷計算方法，上覆巖層沉降預測大都參考煤炭行業(yè)。在金屬礦山膠結(jié)充填開采中，各中段未充滿的空間視同于一層礦開采未充填所形成的采空區(qū)，因此可將礦山開采簡化為多層礦開采。其最小安全開采深度可參照《三下采煤新技術(shù)應(yīng)用與煤柱留設(shè)及壓煤開采規(guī)程實用手冊》計算。

3.1 保護層高度(h1)的確定

當?shù)V體傾角在0°～55°時，保護層高度為

(1)

3.2 導水裂縫帶最大高度(h2)的計算

當?shù)V體傾角在0°～55°時，導水裂縫帶最大高度為

(2)

(3)

3.3 最小安全開采深度的計算

安全開采深度可計算為

H安=h1+h2

(4)

當?shù)V體傾角在0°～55°時，安全開采深度為H安=(5+73.17±8.9)m=(78.17±8.9)m;當?shù)V體傾角在55°～90°時，安全開采深度為H安=(20+177.51±8.4)m=(197.51±8.4)m。

為保障地表公路建設(shè)運營安全，設(shè)計按最不利情況考慮，最小安全開采深度應(yīng)不小于206 m。礦區(qū)地表高程約+46 m，則礦體停采線高程為-160 m。

4 地表移動變形數(shù)值模擬計算

參考有關(guān)地表沉陷數(shù)值模擬的文獻[8-9]，結(jié)合礦山實際巖體力學性質(zhì)及開挖形式，本文選取FLAC3D軟件作為研究工具，研究膠結(jié)充填條件下不同的停采線標高時，大冶銅山銅鐵礦地下開采可能導致金湖外環(huán)線沉陷情況。

4.1 基本假設(shè)

鑒于礦山礦巖構(gòu)造的多樣性和復雜性、礦巖的各向異性以及實際工程的諸多影響因素，為了構(gòu)建研究模型和適當簡化模擬計算的過程，將巖石強度、巖芯質(zhì)量指標、結(jié)構(gòu)面間距、結(jié)構(gòu)面條件、地下水等影響在巖體力學性質(zhì)中體現(xiàn)，突出研究重要影響因子，確保模擬結(jié)果的突出性和準確度[10]?，F(xiàn)對模型建立做如下簡化和假設(shè)：

(1)模擬的圍巖均為理想狀態(tài)下的彈塑性體，在到達屈服點只發(fā)生塑性流變，體積和強度不改變；

(2)模擬的礦巖均為連續(xù)的各向同性體，不考慮地下水活動和巖體結(jié)構(gòu)面的影響；

(3)模擬過程中不考慮采礦擾動等因素的影響；

(4)未考慮井巷工程掘進導致的地應(yīng)力重新分布所帶來的影響；

(5)未考慮井巷支護對采場穩(wěn)定性的影響；

(6)假定礦體回采和充填是連續(xù)完成的。

4.2 模型的構(gòu)建

鑒于401號礦體已充填開采完畢，本文僅對金湖外環(huán)線公路壓覆的402礦體構(gòu)建計算模型。 停采線標高初步考慮兩種情況，即-160 m和-230 m，所建模型如圖2及圖3所示。 模型采用與礦體形狀一致的結(jié)構(gòu)單元，單元大小為134.28 mm2；采用位移邊界約束，即模型底部和左右兩邊采用位移固定約束，模型頂部載荷僅考慮上覆巖層自重應(yīng)力， 以此來模擬該條件下不同停采線高程對地表沉陷變形的影響。

圖3 停采線-230 m模型

圖2 停采線-160 m模型

4.3 材料參數(shù)的設(shè)定

大冶銅山銅鐵礦的開采設(shè)計及地質(zhì)報告中提供了礦巖力學參數(shù)，但未提及充填體材料的力學參數(shù)。 依據(jù)開采設(shè)計，充填料主要由水、水泥、尾砂組成，水泥選用425#水泥，灰砂比范圍為1∶4～1∶10，充填料漿質(zhì)量分數(shù)為67%。 依據(jù)充填體的設(shè)計參數(shù)，將國內(nèi)相似礦山的充填體材料力學參數(shù)作為本次模擬的充填體材料的力學參數(shù)[11]。 模擬所需材料參數(shù)見表2。

表2 礦巖和充填體力學參數(shù)

4.4 模擬結(jié)果與分析

通過FLAC3D將各方案依次進行數(shù)值模擬計算，方案一數(shù)值模擬計算結(jié)果見圖4，方案二數(shù)值模擬計算結(jié)果見圖5。由圖4、圖5可知，當停采線高程為-160 m時，地表豎向沉降量為0.32 m；當停采線高程為-230 m時，地表豎向沉降量為0.25 m；方案一、方案二兩者的地表沉降量均小于路基容許工后沉降值0.5 m。為了充分回收寶貴的礦產(chǎn)資源，推薦采用方案一，即停采線高程為-160 m。數(shù)值模擬計算結(jié)果進一步驗證了前面的理論計算結(jié)果。

圖5 方案二豎直方向位移分布

圖4 方案一豎直方向位移分布

5 安全防治措施

(1)401號礦體采空區(qū)的治理

雖然401號礦體已充填開采完畢，但充填體存在壓縮率且401號礦體埋藏較淺，為保障地表金湖外環(huán)線公路等重要建(構(gòu))筑物安全，應(yīng)對401號礦體采空區(qū)的充填情況進行調(diào)查核實，若未接頂充分則需進行二次充填。

(2)402號礦體的開采要求

402號礦體的停采線標高是-160 m，停采線標高以上的礦體劃作禁采區(qū)，嚴禁開采；停采線標高以下的采場礦柱不開采，留做永久礦柱。402號礦體的開采嚴格采用膠結(jié)充填采礦法，并確保充填體的強度和接頂充分，采礦結(jié)構(gòu)參數(shù)及回采工藝嚴格按照開采設(shè)計執(zhí)行。

(3)城市道路的安全管理措施

為保障金湖外環(huán)線公路運營安全，必須做好地面變形的動態(tài)監(jiān)測工作，建立完善道路線路變形監(jiān)控系統(tǒng)，對道路沿線20 m范圍內(nèi)設(shè)置觀測點，落實觀測人員，定期進行觀測并做好記錄。同時制定必要防治方案和應(yīng)急預案，發(fā)現(xiàn)異常情況及時與當?shù)刂鞴懿块T聯(lián)系。

(4)疏排水的管理措施

在礦山實際生產(chǎn)中,要加強對涌水量的觀察和預測工作，并根據(jù)礦山實際涌水量的大小，及時調(diào)整排水設(shè)備、設(shè)施，并做好排水記錄，隨時監(jiān)測水位變化。

(5)地下開采的安全監(jiān)測措施

礦山采用膠結(jié)充填采礦法，地表下沉系數(shù)很小，開采導致的巖移對地表的破壞程度在控制范圍內(nèi)。考慮到礦山地下開采的復雜性，仍需加強對巖溶塌陷區(qū)、礦山采空區(qū)、充填體質(zhì)量、充填體接頂?shù)确矫娴谋O(jiān)測工作。

6 結(jié)語

(1)最小安全開采高度的確定，采用了理論計算和數(shù)值模擬兩種方法，得到結(jié)果相近，驗證了理論計算方法的可行性。在評估金屬礦山地下開采導致的地表沉降變形時，也可通過該理論計算方法進行預測。

(2)針對城市道路和金屬礦山的具體實際，提出了針對性的保護性開采措施，為類似礦山實踐提供參考。