多斷層控制深部開(kāi)采巖層移動(dòng)規(guī)律分析

唐恒,胡博文,陳守兵,王賀

(1.彝良馳宏礦業(yè)有限公司,云南 昭通市 657600;2.礦冶科技集團(tuán)有限公司,北京 102628;3.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院,北京 100083;4.國(guó)家金屬礦綠色開(kāi)采國(guó)際聯(lián)合研究中心,北京 102628)

0 引言

大規(guī)模的地下開(kāi)采活動(dòng)會(huì)對(duì)地表和地表建(構(gòu))筑物產(chǎn)生擾動(dòng),破壞的程度取決于采礦開(kāi)挖的大小、形狀以及受采礦作業(yè)影響巖層的性質(zhì)和所使用的地壓管理形式[1];另一個(gè)重要因素是采礦的深度,采礦活動(dòng)對(duì)地表的影響會(huì)隨著采礦深度的增加而減少。其中,礦體附近發(fā)育的眾多斷層也是控制巖層移動(dòng)規(guī)律的重要因素之一,將直接影響深部開(kāi)采上覆巖層的位移特征[2-3]。預(yù)測(cè)與評(píng)估深部礦體開(kāi)采對(duì)上覆巖層以及地表的影響程度,是深部開(kāi)采設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)關(guān)注的重點(diǎn)之一,也是目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一[4-8]。

某鉛鋅礦設(shè)計(jì)年產(chǎn)量為60萬(wàn)t/a,礦石品位高、可選性好,是我國(guó)重要的鉛鋅生產(chǎn)基地之一。礦體圍巖較為破碎,且礦區(qū)構(gòu)造極為發(fā)育,多達(dá)數(shù)十條斷層穿插于賦礦地層中,導(dǎo)致地下開(kāi)采對(duì)上覆巖層移動(dòng)的影響規(guī)律較為復(fù)雜,存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。

為此,本研究通過(guò)開(kāi)采技術(shù)條件分析,厘清了礦山開(kāi)采主要影響斷層的分布特征,通過(guò)構(gòu)建涵蓋不同地層、斷層以及礦體的數(shù)值分析模型,開(kāi)展了多斷層控制條件下開(kāi)采的巖層移動(dòng)規(guī)律數(shù)值模擬分析,給出了多斷層控制下深部開(kāi)采上覆巖層的移動(dòng)規(guī)律,為礦山安全設(shè)施設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支撐,也可為同類(lèi)型礦山安全開(kāi)采提供有益借鑒。

1 工程概況

1.1 開(kāi)采技術(shù)條件

某鉛鋅礦床類(lèi)型屬碳酸鹽巖型鉛鋅礦,含礦地層主要為泥盆系上統(tǒng)宰格組和石炭系威寧統(tǒng),圍巖為中粗晶白云巖,礦體呈隱伏至半隱伏狀賦存于石門(mén)坎背斜西翼,多向南西側(cè)伏,礦體傾角集中在75°～80°,傾斜延深較大。目前保有礦體埋深在50～1600 m 之間。

礦區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育,主要分布有以下斷裂構(gòu)造。

(1)北東南西向斷裂構(gòu)造,該組斷裂構(gòu)造為F3、F6、F7、F8,該組斷裂具有由南東向北西擠壓推覆逆沖的特征,走向與巖層走向一致,傾向南東,傾角為60°～85°,除F3斷層延伸長(zhǎng)度、地層斷距略大外,其他斷層規(guī)模不大,多為層間斷層。

(2)北西南東向斷裂構(gòu)造,該組斷裂構(gòu)造有F1、F2、F4、F9、F10 等規(guī)模大小不等的5 條斷層。F1斷層長(zhǎng)度大于800 m,地層斷距由南東向北西逐漸變小。F2斷層長(zhǎng)度大于500 m,傾向西,傾角為60°,為一條壓扭性逆斷層。F4斷層長(zhǎng)度約400 m,傾向西,傾角為80°,為一壓扭性逆斷層。F9、F10斷層長(zhǎng)度為20～70 m,具有先張后順時(shí)針右行剪切的特點(diǎn)。

礦區(qū)工程地質(zhì)條件屬以堅(jiān)硬、半堅(jiān)硬巖組為主的中等偏復(fù)雜類(lèi)型,地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量類(lèi)型屬中等偏不良類(lèi)型,屬以水文地質(zhì)問(wèn)題為主的復(fù)雜類(lèi)型(Ⅲ-1型)礦床。

1.2 下向水平分層膠結(jié)充填采礦法

目前礦山采用下向水平分層膠結(jié)充填采礦法回采,分為下向水平分層矩形進(jìn)路式膠結(jié)充填采礦法和下向水平分層六邊形進(jìn)路式膠結(jié)充填采礦法。當(dāng)?shù)V體厚度小于20 m 時(shí),選用下向水平分層矩形進(jìn)路式膠結(jié)充填采礦法進(jìn)行回采[9];當(dāng)?shù)V體厚度大于等于20 m 時(shí),采用下向水平分層六邊形進(jìn)路式膠結(jié)充填采礦法進(jìn)行回采。

采用下向水平分層矩形進(jìn)路式膠結(jié)充填法回采的盤(pán)區(qū),上下分層矩形進(jìn)路交錯(cuò)布置,采用自上而下、“隔三采一”的方式進(jìn)行回采,矩形回采進(jìn)路規(guī)格寬3.5 m,高3.0 m(或?qū)?.0 m,高4.0 m)。

六邊形采場(chǎng)進(jìn)路的斷面規(guī)格為頂3 m、底3 m、高5 m、腰5 m,進(jìn)路斷面一次爆破成型,六邊形進(jìn)路內(nèi)腰線(xiàn)以上兩幫、頂板均為充填假頂,腰線(xiàn)以下兩幫、底板均為礦體,采用“隔一采一”的方式進(jìn)行回采,回采工作自上而下逐個(gè)分層進(jìn)行。

2 巖層移動(dòng)規(guī)律數(shù)值模擬

2.1 巖層移動(dòng)規(guī)律數(shù)值模擬方案

本次計(jì)算模型對(duì)開(kāi)采過(guò)程模擬進(jìn)行了簡(jiǎn)化,將所有的礦體按分段高度進(jìn)行了劃分,對(duì)于同一個(gè)水平分段的所有礦體中段進(jìn)行組合,同時(shí)進(jìn)行一次性開(kāi)挖和充填。其中I-6和I-8礦體厚大,采用12.5 m的分段高度,用來(lái)模擬六邊形進(jìn)路開(kāi)采,其余礦體采用9 m 的分段高度,模擬矩形進(jìn)路開(kāi)挖。

通過(guò)模擬礦體的分段開(kāi)挖和充填,研究深部采礦行為對(duì)巖體的影響。按照分段高度將每個(gè)礦體劃分成不同的分層,對(duì)于同一個(gè)水平的所有礦體分層進(jìn)行一次性開(kāi)挖和一次性充填,簡(jiǎn)化模擬實(shí)際采礦中一個(gè)水平中段的開(kāi)采行為。模擬實(shí)際采礦的分段下行式開(kāi)采,則首先將同一個(gè)水平的所有礦體分層進(jìn)行開(kāi)挖,計(jì)算平衡后,將開(kāi)挖的礦體分層進(jìn)行充填,計(jì)算平衡后進(jìn)行下一個(gè)分層礦體的開(kāi)挖和充填,如此向下循環(huán)。

整個(gè)開(kāi)采模擬從最大標(biāo)高的I-1礦體第1個(gè)分層開(kāi)始,一直到I-15礦體最后1個(gè)分層結(jié)束,總共進(jìn)行了141個(gè)分層的開(kāi)挖和充填,通過(guò)分析開(kāi)采過(guò)程中開(kāi)挖和充填對(duì)計(jì)算模型的位移影響,研究深部開(kāi)采過(guò)程中的巖移規(guī)律。

2.2 數(shù)值模型構(gòu)建

采用3DMine-FLAC3D 數(shù)值分析及建模軟件,確定計(jì)算分析區(qū)域范圍,建立分析所需的三維數(shù)值模型。

最終建立數(shù)值計(jì)算模型尺寸為2300 m×2400 m×2600 m,包含1 852 402個(gè)節(jié)點(diǎn),10 846 259個(gè)網(wǎng)格。包含P2、C11等7個(gè)地層,F11、F13等11個(gè)主要斷層,地表到深部4個(gè)礦體(I礦體、II/III礦帶、VI礦體),分段開(kāi)挖步共計(jì)141 個(gè)開(kāi)挖分組。數(shù)值模型如圖1所示。

圖1 數(shù)值分析模型

2.3 數(shù)值分析力學(xué)條件

邊界條件:模型底部邊界為水平及垂直3個(gè)方向固定約束,4個(gè)側(cè)面邊界分別沿其各自法向方向的水平固定約束,上部邊界為自由邊界,應(yīng)力邊界條件則根據(jù)實(shí)測(cè)地應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行施加。

本構(gòu)模型選用Mohr-Coulomb模型。研究采用巖石力學(xué)試驗(yàn)、Q 巖體質(zhì)量評(píng)價(jià),基于Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行巖體參數(shù)分析,巖體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

2.4 初始應(yīng)力場(chǎng)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)地應(yīng)力,最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力和垂直主應(yīng)力的線(xiàn)性回歸方程分別為:

式中,σh,max為最大水平主應(yīng)力,MPa;σh,min為最小水平主應(yīng)力,MPa;σv為垂直主應(yīng)力,MPa;H為埋深,m。

以構(gòu)建完成的數(shù)值模型為基礎(chǔ),在采場(chǎng)開(kāi)挖模擬計(jì)算之前,首先按照模型中對(duì)應(yīng)區(qū)域進(jìn)行材料參數(shù)賦值,并施加前述相應(yīng)邊界條件,計(jì)算形成整體模型的三維初始地應(yīng)力場(chǎng),其中垂直主應(yīng)力根據(jù)巖層自重生成。得到模型的初始地應(yīng)力分布如圖2所示。

圖2 初始最大主應(yīng)力

3 多斷層控制巖層移動(dòng)規(guī)律分析

3.1 典型分析剖面選取

本次分析選定的典型剖面位置如圖3所示。其中,1#和2#剖面用來(lái)分析垂直礦體走向方向巖層移動(dòng)規(guī)律,3#剖面用來(lái)分析沿礦體走向方向巖層移動(dòng)規(guī)律。

圖3 典型剖面位置

3.2 1#剖面巖層移動(dòng)規(guī)律分析

基于前述模擬方案,得到礦山規(guī)劃的開(kāi)挖回采、充填活動(dòng)結(jié)束后1#剖面巖層豎向(z向)位移,如圖4所示。

圖4 回采結(jié)束后1#剖面z 向位移云圖

1#剖面開(kāi)采結(jié)束后,由于受到開(kāi)挖、充填等回采活動(dòng)影響,在回采單元上部巖層內(nèi)出現(xiàn)較大范圍的豎向位移影響區(qū),總體呈拱形分布;最大沉降位移為3.69 cm,出現(xiàn)在鄰近開(kāi)采結(jié)構(gòu)單元的直接頂板處;沉降位移隨著與回采結(jié)構(gòu)距離的增加而逐漸減小,地表附近的最大沉降位移為3.69 cm,出現(xiàn)在斷層上盤(pán)。

參考《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》關(guān)于邊界角的相關(guān)規(guī)定,以下沉值為10 mm 的點(diǎn)作為邊界點(diǎn),邊界點(diǎn)至采空區(qū)邊界的連線(xiàn)與水平線(xiàn)在煤柱一側(cè)的夾角成為邊界角。沉降影響邊界線(xiàn)傾角:上盤(pán)邊界角為81°、下盤(pán)邊界角為78°。

此外,從圖4 可以清晰地看到,回采擾動(dòng)結(jié)束后,在斷層上盤(pán)出現(xiàn)了一定程度的沉降位移,說(shuō)明回采活動(dòng)誘發(fā)了斷層的活化,在地表附近形成了斷層控制的沉降區(qū)域。但由于斷層間、斷層與礦體距離較遠(yuǎn),形成了獨(dú)立的沉降特征。要在后續(xù)的回采中加強(qiáng)監(jiān)測(cè),防止斷層活化造成礦震等地壓災(zāi)害。

3.3 2#剖面巖層移動(dòng)規(guī)律分析

2#剖面巖層豎向(z向)位移如圖5所示。

圖5 回采結(jié)束后2#剖面z 向位移云圖

2#剖面開(kāi)采活動(dòng)影響規(guī)律與前述1#剖面基本一致,在回采單元上部巖層內(nèi)出現(xiàn)較大范圍的豎向位移影響區(qū),總體呈拱形分布;最大沉降位移為2.50 cm,出現(xiàn)在鄰近開(kāi)采結(jié)構(gòu)單元的直接頂板處;沉降位移隨著與回采結(jié)構(gòu)距離的增加而逐漸減小,地表附近的最大沉降位移為3.75 cm,出現(xiàn)在斷層上盤(pán)。沉降影響邊界線(xiàn)傾角:上盤(pán)邊界角為90°,下盤(pán)邊界角為73°。 同樣地,開(kāi)采活動(dòng)也導(dǎo)致多個(gè)斷層的移動(dòng)活化,在地表附近形成了斷層控制的沉降區(qū)域。該剖面內(nèi)斷層與礦體間相互影響,導(dǎo)致位移沉降出現(xiàn)疊加,上覆巖層移動(dòng)規(guī)律相對(duì)較為復(fù)雜。

3.4 3#剖面巖層移動(dòng)規(guī)律分析

3#剖面巖層豎向(z向)位移,如圖6所示。

圖6 回采結(jié)束后3#剖面z 向位移云圖

3#剖面開(kāi)采結(jié)束后,最大沉降位移為2.72 cm,出現(xiàn)在鄰近開(kāi)采結(jié)構(gòu)單元的直接頂板處;沉降位移隨著與回采結(jié)構(gòu)距離的增加而逐漸減小,地表附近的最大沉降位移為1.5 cm,出現(xiàn)在斷層上盤(pán)及巖層移動(dòng)邊界處。沿礦體走向方向沉降影響邊界線(xiàn)傾角分別為81°和77°。

從沿礦體走向方向分析斷面位移分布情況來(lái)看,該剖面內(nèi)眾多斷層密集分布,在深部回采活動(dòng)的影響下,斷層出現(xiàn)位移沉降,仍表現(xiàn)為上盤(pán)的沉降較大。同時(shí),斷層導(dǎo)致的位移變形與回采活動(dòng)導(dǎo)致的變形相互疊加、互相影響,導(dǎo)致該剖面內(nèi)的位移變形規(guī)律較為復(fù)雜。

4 結(jié)論

通過(guò)建立涵蓋多斷層、多地層的數(shù)值分析模型,研究分析了斷層控制條件下深部開(kāi)采巖層的移動(dòng)規(guī)律,研究得到如下主要結(jié)論。

(1)在現(xiàn)有技術(shù)資料及研究工況條件下,回采單元上部巖層最大沉降位移鄰近開(kāi)采結(jié)構(gòu)單元的直接頂板處,回采結(jié)構(gòu)上覆巖層移動(dòng)影響范圍成拱形,隨著與回采結(jié)構(gòu)距離的增加而逐漸減小,回采活動(dòng)是導(dǎo)致巖層沉降位移的主要因素。

(2)參考相關(guān)規(guī)范,深部回采的沉降影響邊界線(xiàn)傾角規(guī)律為:上盤(pán)邊界角大于下盤(pán)邊界角,沿走向兩側(cè)邊界角沒(méi)有顯著差異。

(3)深部開(kāi)采擾動(dòng)易造成近礦斷層活化,顯著控制地表位移沉降規(guī)律,多斷層疊加會(huì)增加巖層移動(dòng)規(guī)律的復(fù)雜性,在回采設(shè)計(jì)及工程實(shí)踐中應(yīng)予以充分重視。