深部大采寬條帶開采地表移動破壞規(guī)律研究

張貴銀，史玉林，尚繼斌

（1.中國黃金集團(tuán)建設(shè)有限公司，北京 100020；2.煙臺金曼投資有限公司，山東 棲霞 265300；3.山東金邑礦業(yè)有限公司，山東濰坊 261000）

1 引言

自20世紀(jì)60年代，我國已開始應(yīng)用條帶采礦法開采“三下”（建筑物下、水體下、鐵路下）壓礦［1］，部分礦區(qū)對開采后地表移動變形進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)和開采沉陷，總結(jié)出一套全采與條帶開采巖移參數(shù)公式。隨著采礦設(shè)備的發(fā)展和理論創(chuàng)新，條帶開采方法對于采深大于500m的礦體也具有良好的適應(yīng)性，深部條帶開采寬度與開采深度的比值一般也較小，可以認(rèn)為采動不充分。但是，按照前人總結(jié)的條帶開采巖移參數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的地表移動變形，與深部開采實(shí)際大相徑庭［2］，例如在采用概率積分法預(yù)估深部條帶開采地表移動變形時(shí)［3］，個(gè)別巖移參數(shù)甚至出現(xiàn)負(fù)值。隨著淺部資源消耗殆盡，深部資源開采量占比逐年上升。為保護(hù)地表免受開采破壞，“三下”壓覆資源利用率極低，礦產(chǎn)資源浪費(fèi)嚴(yán)重，并且深部采動影響對地表的損害日漸顯現(xiàn)［4］，生態(tài)環(huán)境破壞事件時(shí)有發(fā)生［5］，故采用條帶開采方法研究開采深部礦體造成的地表巖移破壞規(guī)律迫在眉睫。

2 某礦條帶開采巖移參數(shù)選取及其問題分析

某礦主要開采3#礦體，礦體平均賦存深度740m，礦體傾角平均為6°，礦體平均厚度7.3m，設(shè)計(jì)一期（3101、3103、3105工作面）條帶開采寬度70m，保留礦柱寬度140m，為在限制地表變形條件下最大限度回收礦產(chǎn)資源［6］，二期（3102、3104工作面）設(shè)計(jì)在一期保留礦柱采空區(qū)一側(cè)再開采50m，合計(jì)條帶開采寬度120m，保留礦柱寬度90m，條帶綜合采出率為57.1%，工程布置見圖1。

圖1 二次條帶開采工程布置示意圖

根據(jù)全面開采和條帶開采的礦山地表移動觀測數(shù)據(jù)可知，全采和條帶開采具有相似性。所以目前條帶開采巖移參數(shù)是基于全采巖移參數(shù)選取，并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算條帶開采巖移參數(shù)，然后根據(jù)礦山開采實(shí)際對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正，最終采用概率積分法計(jì)算修正后的地表移動變形破壞［7］，目前普遍認(rèn)可的巖移參數(shù)計(jì)算公式見表1。

表1 條帶開采地表移動參數(shù)計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式

式中，η為下沉系數(shù)；B為水平移動系數(shù)；tgβ為主要影響角的正切；S為拐點(diǎn)偏移距；a為保留礦柱寬度，取140-50=90m；b為條帶開采寬度，取70+50=120m；H為平均開采深度，取740m；t為條帶開采；q為全面開采；ρ為設(shè)計(jì)采出率，取ρ=b/(a+b)=57.1%；

該礦覆巖抗壓強(qiáng)度加權(quán)平均值為56.5MPa，屬中硬頂板，按照《三下壓煤開采規(guī)程》覆巖分類確定ηq為0.78；水平移動系數(shù)Bq為0.25～0.30，取0.28；主要影響角正切tgβ=1.92～2.4，取2.4；拐點(diǎn)偏移距S取85。開采沉陷模擬采用FLAC3D數(shù)值計(jì)算軟件，結(jié)果表明最大下沉量達(dá)6.04m，ηq為0.755，達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的97%，最大水平移動量1.67m，Bq=0.276，達(dá)到了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。因此，全采參數(shù)選取合理。

根據(jù)公式（1）、（2），并結(jié)合3102/3104工作面二次條帶開采巖移參數(shù)計(jì)算結(jié)果，二次條帶開采深度已超出巖移參數(shù)預(yù)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式適用范圍（采深H≤500m），導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏差較大，具體情況見表2。

表2 條帶開采地表移動參數(shù)計(jì)算結(jié)果

結(jié)果表明，公式（1）、（2）在該采區(qū)地表移動破壞計(jì)算中存在以下問題：

（1）即便是同一個(gè)礦區(qū)在相同開采條件下按照兩個(gè)公式分別計(jì)算，計(jì)算結(jié)果仍存在顯著差異，如公式（2）中下沉系數(shù)η值是公式（1）的1.4倍；

（2）當(dāng)?shù)V體深度大于500m時(shí)，公式（1）計(jì)算的水平移動系數(shù)B小于零，公式（1）、（2）計(jì)算的條帶開采tgβ值都偏小，且公式（2）計(jì)算值約為公式（1）的10倍。

基于上述問題，說明以往淺部條帶開采的經(jīng)驗(yàn)公式對該礦深部厚礦體適用性差，需要對該礦二次條帶開采地表移動破壞規(guī)律進(jìn)一步探索。

3 深部條帶開采巖移參數(shù)回歸分析

3.1 下沉系數(shù)

采空區(qū)塌陷下沉?xí)Φ乇懋a(chǎn)生較大的不良影響，下沉系數(shù)η決定了開采后地表下沉情況。條帶開采中下沉系數(shù)選取的合理性對開采設(shè)計(jì)、開采后地表塌陷下沉的破壞評價(jià)影響較大［8］，通過對深部條采ηt和全面開采ηq的比值進(jìn)行計(jì)算，便可以計(jì)算出條帶開采下沉系數(shù)ηt［9］。表3統(tǒng)計(jì)了國內(nèi)部分深部開采礦山地表移動變形數(shù)據(jù)［10］。

表3 國內(nèi)部分礦區(qū)ηt/ηq與采厚M關(guān)系表

根據(jù)表3數(shù)據(jù)繪制散點(diǎn)圖，對ηt/ηq與采厚M進(jìn)行相關(guān)性曲線擬合。由圖2可知，隨著采厚M的增大，條帶開采與全面開采下沉系數(shù)ηt/ηq呈指數(shù)函數(shù)減小。

圖2 ηt/ηq與采厚M擬合曲線

根據(jù)回歸分析可得：

根據(jù)表4數(shù)據(jù)繪制散點(diǎn)圖，對ηt/ηq與采深H進(jìn)行相關(guān)性曲線擬合。由圖3可知，隨著采深H的增大，條帶開采與全面開采下沉系數(shù)ηt/ηq大致呈對數(shù)函數(shù)增大。

表4 國內(nèi)部分礦區(qū)ηt/ηq與采深H關(guān)系表

圖3 ηt/ηq與采深H擬合曲線

根據(jù)回歸分析可得：

根據(jù)表5數(shù)據(jù)繪制散點(diǎn)圖，并對ηt/ηq比值與采出率ρ的相關(guān)性進(jìn)行擬合。由圖4可知，條帶開采采出率集中在40%～60%，當(dāng)采出率超過65%時(shí)，ηt/ηq增長較快，ηt/ηq與采出率ρ呈冪函數(shù)關(guān)系，如式（5）所示。

表5 國內(nèi)部分礦區(qū)ηt/ηq與采出率ρ關(guān)系表

圖4 ηt/ηq與采出率ρ擬合曲線

根據(jù)表6數(shù)據(jù)繪制散點(diǎn)圖，并對ηt/ηq比值與bH/a的相關(guān)性進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖5所示，ηt/ηq比值隨著bH/a的變化呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系，如式（6）所示。

表6 國內(nèi)部分礦區(qū)ηt/ηq與bH/a關(guān)系表

圖5 ηt/ηq與bH/a擬合曲線

經(jīng)過對上述部分礦區(qū)條帶開采觀測巖移下沉系數(shù)回歸分析，綜合各因素影響可得：

3.2 其他巖移參數(shù)分析

同理，可得條帶開采與全面開采水平移動系數(shù)Bt/Bq、主要影響角正切tgβt/tgβq和拐點(diǎn)偏移距St/Sq等地表移動破壞預(yù)計(jì)參數(shù)比值［7］。

本節(jié)統(tǒng)計(jì)回歸公式，相關(guān)參數(shù)易確定，計(jì)算過程簡便，具有良好的操作性，且經(jīng)過與部分深部開采礦山實(shí)測數(shù)據(jù)對比，上述式（7）～（10）對深部厚礦體條帶開采安全評價(jià)適用性強(qiáng)。

根據(jù)該礦覆巖力學(xué)性質(zhì)及三維數(shù)值模擬計(jì)算，該礦全面開采下沉系數(shù)ηq為0.78，水平移動系數(shù)Bq為0.27，代入式（7）～（10），計(jì)算出某礦二期條帶開采巖移預(yù)計(jì)參數(shù)見表7。

表7 二次條帶開采沉陷預(yù)計(jì)參數(shù)

4 工程應(yīng)用

4.1 地表移動破壞計(jì)算

礦體開采后對地表破壞影響主要有下沉、水平變形值、曲率和傾斜［11］。根據(jù)表7選取的參數(shù)和二次條帶開采方案，利用surfer軟件計(jì)算二次條帶開采后地表移動破壞影響，計(jì)算結(jié)果表明：地表村莊民房在Ⅰ級損害范圍內(nèi)，具體地表移動破壞情況見表8，說明二次條帶工作面的設(shè)計(jì)是合理的。

表8 地表移動變形情況

4.2 覆巖沉陷模擬與地表移動變形觀測分析

為驗(yàn)證地表變形值是否在Ⅰ級破壞范圍內(nèi)，采用FLAC3D軟件對開采后覆巖垂直位移進(jìn)行數(shù)值模擬［12-14］，礦體上覆巖層垂直位移如圖6所示。結(jié)果表明：二次條帶開采后地表最大下沉值為180mm，地表村莊位于下沉盆地中部，下沉后地表標(biāo)高在潛水位以上，地表下沉對地表建筑物影響較小。同時(shí)在村莊地表布置4條觀測線進(jìn)行巖移觀測［15］，地下采區(qū)與觀測線相對位置見圖7。

圖6 覆巖垂直位移云圖

圖7 地表觀測線與采區(qū)相對位置圖

根據(jù)觀測結(jié)果，二次條帶開采后地表下沉值在40～230mm之間，基本上與數(shù)值模擬結(jié)果相近。該采區(qū)二次條帶開采完畢后，地表未出現(xiàn)明顯開采破壞，同時(shí)也驗(yàn)證了深部厚礦體條帶開采地表破壞參數(shù)計(jì)算公式的適用性，開采工業(yè)性試驗(yàn)達(dá)到了建筑物下安全開采的目的。

5 結(jié)論

（1）針對目前基于中淺部條帶開采地表巖移參數(shù)計(jì)算公式在本礦區(qū)適應(yīng)性差的問題，通過對國內(nèi)部分礦區(qū)深部礦體條帶開采地表移動變形觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，提出了適合該礦深部大采寬厚礦體條帶開采地表移動變形破壞預(yù)計(jì)參數(shù)公式。

（2）結(jié)合工程實(shí)際，通過概率積分法對該礦二次條帶開采后的地表移動變形進(jìn)行了預(yù)計(jì)，結(jié)果表明深部厚礦體條帶開采后地表移動變形量較小，驗(yàn)證了二次條帶開采參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性。

（3）通過覆巖沉降數(shù)值模擬與地表巖移觀測，表明通過深部大采寬條帶開采地表移動破壞預(yù)計(jì)公式計(jì)算的地表沉陷與地表測站實(shí)際觀測值相近，進(jìn)一步證明了新預(yù)計(jì)公式在該礦的適用性，對周邊開采條件相似的礦山具有推廣借鑒意義。