相鄰復(fù)雜礦體開采過程對(duì)地表穩(wěn)定性的時(shí)空影響研究

王輝鏡 許 威

(1.江西江銅銀珠山礦業(yè)有限公司,江西 貴溪 335400;2.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,江西 贛州 341000)

隨著社會(huì)對(duì)礦產(chǎn)資源需求的增長(zhǎng),地下礦山的開采深度逐漸加大[1],同時(shí)帶來(lái)了巖體失穩(wěn)、地表變形等安全問題[2]。由于地下開采將原始應(yīng)力狀態(tài)打破,引起圍巖和礦體的應(yīng)力重分布,易誘發(fā)覆巖變形、移動(dòng),不可避免地會(huì)對(duì)地表穩(wěn)定性產(chǎn)生影響[3]。尤其是相鄰礦山同時(shí)開采將對(duì)安全生產(chǎn)帶來(lái)諸多不利因素[4],例如開采過程中的鑿巖爆破工程易造成生產(chǎn)上的相互干擾,增大地壓管理成本和難度;相鄰礦山開采中段多、采出礦量大時(shí),將對(duì)礦體、圍巖造成較強(qiáng)的應(yīng)力擾動(dòng),形成的地表移動(dòng)帶范圍擴(kuò)大甚至將出現(xiàn)“相互重疊”的狀態(tài),產(chǎn)生的地表水平變形、垂直沉降將對(duì)移動(dòng)帶內(nèi)的井筒、斜井、尾礦庫(kù)、礦部、居民區(qū)、河床等造成不利影響[5]。因此,探究相鄰復(fù)雜礦體開采過程與地表穩(wěn)定性的時(shí)空規(guī)律,能夠?yàn)榈V山提供合理的安全生產(chǎn)建議,為開采方案設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論依據(jù)。

現(xiàn)階段,地下開采對(duì)地表穩(wěn)定性影響的分析方法主要有數(shù)值模擬法、理論法和相似模型模擬法[6-7]。其中較為常用的數(shù)值模擬法有適用于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的有限元法、邊界元法、有限差分法等,以及適用于非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的離散元法、流行元法等。近年來(lái),不少學(xué)者通過有限元法分析了礦山開采對(duì)地表穩(wěn)定性的影響。鄒開華等[8]利用Rhino-Flac3D數(shù)值模擬法分析了開采深度與地表巖移的時(shí)空演變規(guī)律,為礦山合理開采與地表巖移控制提供了理論依據(jù);朱鵬瑞等[9]通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與Flac3D數(shù)值模擬結(jié)果相結(jié)合,綜合分析了深部聯(lián)合開采交錯(cuò)區(qū)的應(yīng)力、位移等時(shí)空規(guī)律,為深部開采地壓顯現(xiàn)的監(jiān)測(cè)預(yù)警提供了有效手段;張耀平等[10]通過Flac3D對(duì)龍橋鐵礦空區(qū)形成過程進(jìn)行了模擬計(jì)算,認(rèn)為首先達(dá)到極限剪切破壞的區(qū)域是空區(qū)四周各角處,在此基礎(chǔ)上對(duì)礦山后續(xù)開采設(shè)計(jì)及生產(chǎn)提供了建議。以上研究表明:基于Flac3D數(shù)值模擬法研究地下開采對(duì)地表穩(wěn)定性的影響具有切實(shí)可行性,但以往研究?jī)A向于圍繞單一礦山開采展開,涉及多礦山、毗鄰甚至上下交疊的相鄰礦山集中開采的分析較少。因此,本研究以貴溪冷水坑銀鉛鋅礦田內(nèi)3 座相鄰且中段下降速度不同的礦山為例,提出考慮開采過程的Flac3D三維數(shù)值模擬計(jì)算方法,將實(shí)際生產(chǎn)過程與計(jì)算工況相結(jié)合,研究開采與地表穩(wěn)定性的時(shí)空規(guī)律,供相關(guān)研究參考。

1 工程概況

江西省貴溪市銀珠山礦區(qū)(銀珠山礦業(yè))、鮑家礦區(qū)(鮑家礦業(yè),分南、北礦段和銀路嶺礦體)、下鮑礦區(qū)(銀海礦業(yè))均屬冷水坑銀鉛鋅礦田[11](圖1)。由于該礦田被分割成3 個(gè)礦權(quán)開采(圖1),均有獨(dú)立的采礦系統(tǒng),相互毗鄰甚至上下交疊,開采深度大、服務(wù)年限長(zhǎng)、中段下降速度不一致,地表內(nèi)有工業(yè)場(chǎng)地、村莊、公路、河流、尾砂庫(kù)等重點(diǎn)保護(hù)對(duì)象,且部分建(構(gòu))筑物位于礦山開采地表移動(dòng)帶以內(nèi)(如銀海礦業(yè)尾礦庫(kù)、豎井),開采環(huán)境較為復(fù)雜。

圖1 冷水坑銀鉛鋅礦田各礦權(quán)分布示意Fig.1 Distribution schematic of mineral rights in Lengshuikeng Ag-Pb-Zn ore field

銀珠山礦業(yè)的銀珠山礦區(qū)位于礦田北部,該礦山正處于基建期,礦區(qū)范圍最大,銀鉛鋅資源儲(chǔ)量最多,設(shè)計(jì)開采標(biāo)高最深(+110 ～-640 m),礦山服務(wù)年限最長(zhǎng)(至2043 年),礦區(qū)地表橫跨一條公路(鄉(xiāng)道)、3個(gè)村莊、冷水河、銀海礦業(yè)尾礦庫(kù)等。銀海礦業(yè)的下鮑礦區(qū)位于礦田西南部,設(shè)計(jì)開采標(biāo)高為-80 ～-420 m,當(dāng)前生產(chǎn)中段為-160 m 標(biāo)高,礦山服務(wù)年限至2041 年,礦區(qū)地表主要為其工業(yè)場(chǎng)地。鮑家礦業(yè)雖然處于生產(chǎn)狀態(tài),但其采礦證內(nèi)資源即將枯竭(暫未深部延伸)。北礦段位于銀珠山礦區(qū)南部,與銀珠山礦區(qū)緊密相接,最低開采標(biāo)高為+180 m;南礦段平面上位于下鮑礦區(qū)范圍內(nèi),與其部分重疊,垂直方向上+50 m 以上為鮑家南礦段,+50～-70 m為隔離礦柱,-70 m 以下為下鮑礦區(qū),南礦段因采用無(wú)底柱分段崩落法形成的采空塌陷區(qū)面積約14 300 m2;銀路嶺礦區(qū)位于鮑家北礦段以南,已開采20 余年,現(xiàn)已閉坑,地表已形成約27 000 m2的采空塌陷區(qū)。

3 座礦山均屬于同一礦田甚至同一礦體,礦區(qū)范圍屬人為分割,礦床類型均主要為層狀型(層狀、似層狀)和斑巖型(透鏡狀)[12],地層巖性以白堊系下統(tǒng)晶屑凝灰?guī)r(K1e)和燕山期早世花崗斑巖(γπK1e2)為主[13]。

2 礦山建模與數(shù)值計(jì)算

2.1 礦體建模與網(wǎng)格劃分

首先以3 座礦山的儲(chǔ)量核實(shí)報(bào)告、勘探線剖面圖等為基礎(chǔ)資料,采用相連線段法(顯式建模法)建立各礦體模型[14]。然后以礦山1 ∶2 000 實(shí)測(cè)地形等高線生成地表模型,通過勘探線剖面圖中的巖層線將地表模型切割成晶屑凝灰?guī)r(下盤圍巖)和花崗斑巖(上盤圍巖)兩種巖性模型(圖2、圖3)。最后根據(jù)圣維南原理,取X軸方向2 500 m、Y軸方向2 800 m、Z軸方向-850 m 標(biāo)高至地表為數(shù)值模擬范圍(圖1)。將礦體劃分成10 m、圍巖劃分成20 m 的三角網(wǎng)格,整個(gè)模型節(jié)點(diǎn)數(shù)為1 590 424、單元數(shù)為9 413 354。

圖2 圍巖模型Fig.2 Surrounding rock model

圖3 礦體—圍巖復(fù)合模型Fig.3 Composite model for orebody-surrounding rock

2.2 計(jì)算參數(shù)選取

由于銀珠山礦業(yè)未基建開拓、鮑家礦業(yè)礦體埋藏較淺,二者存在礦巖體物理力學(xué)資料較少、不具代表性等問題,根據(jù)《巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)規(guī)程》(DZ/T 0276—2015)和《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50266—2013),在銀海礦業(yè)下鮑礦區(qū)的生產(chǎn)中段對(duì)礦體、晶屑凝灰?guī)r、花崗斑巖、充填體進(jìn)行取樣,開展物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)。在銀海礦業(yè)下鮑礦區(qū)進(jìn)行工程/水文地質(zhì)(結(jié)構(gòu)面)調(diào)查,通過GSI 法、彈性波法、系數(shù)換算法對(duì)礦巖物理力學(xué)試驗(yàn)值進(jìn)行折減,得到礦巖/充填體物理力學(xué)參數(shù)推薦值,見表1。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)推薦值Table 1 Recommended values of rock mass mechanical parameters

2.3 礦山開采Flac3D 數(shù)值模擬計(jì)算

2.3.1 邊界條件

采用彈塑性力學(xué)模型,考慮自重應(yīng)力。前后左右面(X、Y軸)設(shè)置邊界位移為0,Z軸方向底部設(shè)置邊界位移為0,頂部為自由邊界。

2.3.2 考慮開采過程的工況設(shè)計(jì)

為準(zhǔn)確模擬相鄰復(fù)雜礦體開采對(duì)地表穩(wěn)定性的影響過程,選取的開采工況必須與實(shí)際生產(chǎn)相結(jié)合。故根據(jù)冷水坑銀鉛鋅礦田各礦山排采計(jì)劃(表2),以年份順序?yàn)橛?jì)算步驟(2025—2043 年),在Flac3D軟件中對(duì)礦體先開挖,再充填,在此基礎(chǔ)上,進(jìn)入下一狀態(tài)模擬。具體順序?yàn)?工況1(2025KC)模擬計(jì)算開采至銀海-120 m 中段→工況2(2025CT)模擬計(jì)算充填銀海-120 m 中段→工況3(2030KC)模擬計(jì)算開采銀海-160 m 中段、銀珠山110、-240、-390 m 中段→工況4(2030CT)模擬計(jì)算充填銀海-160 m 中段、銀珠山110、-240、-390 m 中段,一直計(jì)算(開采、充填)到2043 年銀海礦業(yè)結(jié)束開采。由于鮑家礦業(yè)即將閉坑且礦體通地表,數(shù)值模擬中只開采不充填。

表2 冷水坑銀鉛鋅礦田各礦山排采計(jì)劃Table 2 Drainage plan of each mine in Lengshuikeng Silver-lead-zinc Orefield

3 相鄰復(fù)雜礦體開采過程與地表穩(wěn)定性時(shí)空規(guī)律

3.1 穩(wěn)定性判據(jù)

本研究地表穩(wěn)定性判據(jù)指標(biāo)采用《有色金屬采礦設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50771—2012)、2017 年局部修訂的《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》 (GB 51044—2014)、《采空塌陷防治工程設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)》(TCAGHP 012—2018)、《地質(zhì)災(zāi)害地面傾斜監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程(試行)》(T-CAGHP 051—2018)、《煤礦測(cè)量規(guī)程》(2013 版)、《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》等對(duì)于Ⅰ級(jí)保護(hù)物或一般磚石結(jié)構(gòu)建筑物給出的臨界變形極限值(傾斜量i=3 mm/m、曲率變形K= 0.2 mm/m2、水平變形ε=2 mm/m)。

3.2 計(jì)算結(jié)果及分析

按照冷水坑銀鉛鋅礦田各礦山排采計(jì)劃確定的計(jì)算工況計(jì)算后,提取出地表節(jié)點(diǎn)的X、Y、Z軸方向上的最大位移值,即Δxmax、Δymax和Δzmax,并計(jì)算出相鄰點(diǎn)的最大傾斜量imax、最大曲率Kmax及最大水平變形εmax,如圖4所示。

圖4 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果Fig.4 Calculation results for numerical simulation

選取各開采年度的充填工況計(jì)算結(jié)果,將開采年度與Δxmax、Δymax和Δzmax、imax、Kmax、εmax6 個(gè)參數(shù)進(jìn)行非線性擬合,得到各變形參數(shù)的擬合曲線及方程,如圖5所示。

圖5 礦體開采過程與地表穩(wěn)定性參數(shù)擬合結(jié)果Fig.5 Fitting results of orebody mining process and surface stability parameters

由圖4、圖5 可知:

(1)冷水坑銀鉛鋅礦田各礦山開采過程中的最大傾斜量imax為0.852 1 mm/m,最大曲率Kmax為0.018 4 mm/m2, 最大水平變形εmax為0.390 1 mm/m,均小于規(guī)范要求的臨界變形極限值,說明礦田各礦山采用嗣后充填采礦法且保證充填質(zhì)量的前提下,礦體開采對(duì)地表無(wú)顯著不利影響。

(2) 隨著礦田各礦山的開采,Δxmax、Δymax和Δzmax、imax、Kmax、εmax等參數(shù)呈雙參數(shù)遞增指數(shù)關(guān)系,擬合關(guān)系式為y=e(cx2+bx+a)(a、b、c為擬合參數(shù),x為開采年份)。且2025—2035 年、2037—2041 年間各地表變形參數(shù)增長(zhǎng)率均顯著增大,是因?yàn)殂y珠山礦業(yè)在該生產(chǎn)階段進(jìn)行了多中段集中開采,且開采區(qū)域內(nèi)的礦體儲(chǔ)量較大;2035—2037 年、2041—2043 年間各地表變形參數(shù)增長(zhǎng)率均相對(duì)較小,前者是因?yàn)殚_采中段相對(duì)較少,后者是由于銀海礦業(yè)結(jié)束開采和銀珠山礦業(yè)深部資源量少所致。

3.3 安全生產(chǎn)建議

針對(duì)2025—2035 年和2037—2041 年兩個(gè)重點(diǎn)生產(chǎn)階段可能出現(xiàn)地表變形顯著增大的情況,相關(guān)措施建議為:① 加強(qiáng)對(duì)地表的變形監(jiān)測(cè),在地表設(shè)置變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)(水平位移、垂直位移、傾斜等),將村莊、主副井、風(fēng)井、斜坡道、尾礦庫(kù)、河流等列為重點(diǎn)監(jiān)測(cè)對(duì)象。② 加強(qiáng)對(duì)井下圍巖的地壓監(jiān)測(cè),預(yù)防冒頂、片幫等對(duì)井下工作人員造成傷害,對(duì)不穩(wěn)定區(qū)域采取錨噴、錨管等支護(hù)措施,必要時(shí)留設(shè)保安礦柱。③ 充分保證充填質(zhì)量,適當(dāng)提高充填體強(qiáng)度并及時(shí)充填采空區(qū)。

4 結(jié) 論

(1)冷水坑銀鉛鋅礦田各礦山采用嗣后充填采礦法且保證充填質(zhì)量的前提下,礦體開采對(duì)地表無(wú)顯著不利影響;根據(jù)開采過程對(duì)地表穩(wěn)定性的時(shí)空規(guī)律分析可知,2025—2035 年和2037—2041 年兩個(gè)重點(diǎn)生產(chǎn)階段可能出現(xiàn)地表變形顯著增大的情況,對(duì)此提出了監(jiān)測(cè)、支護(hù)、充填采空區(qū)等相關(guān)建議。

(2)銀珠山礦區(qū)資源儲(chǔ)量最多、開采范圍最大、開采標(biāo)高最深,該礦開采對(duì)整個(gè)冷水坑銀鉛鋅礦田地表穩(wěn)定性影響最大,建議礦山基建或試產(chǎn)后,進(jìn)行采礦方案試驗(yàn)研究,驗(yàn)證該礦區(qū)開采作業(yè)對(duì)地表穩(wěn)定性及相鄰礦山安全的影響。