基于概率積分法理論模型的累積不接頂充填效應(yīng)沉降變形預(yù)測*

張?bào)K,張炳一

(1.安徽馬鋼礦業(yè)資源集團(tuán)姑山礦業(yè)有限公司,安徽 馬鞍山市 243011;2.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院,湖南 長沙 410083)

0 引言

礦產(chǎn)資源是推動經(jīng)濟(jì)發(fā)展與社會進(jìn)步的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。地下礦產(chǎn)資源的開采使得地下礦體區(qū)域出現(xiàn)空洞,圍巖的原始應(yīng)力平衡被破壞,應(yīng)力重新分布,巖層會發(fā)生破壞,出現(xiàn)變形、開裂、破碎與冒落等[1]。當(dāng)采空區(qū)面積達(dá)到一定范圍的時(shí)候,上方地表將會產(chǎn)生移動與變形,從而引發(fā)地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害。因此對地下開采引起的地表沉降變形的預(yù)測顯得極其重要[2]。

白象山鐵礦西部厚大礦體目前回采情況良好,但局部已經(jīng)出現(xiàn)明顯的地壓顯現(xiàn),說明上覆礦巖已經(jīng)出現(xiàn)一定程度的沉降變形。未來隨著更多分層的回采,地壓變化將更加突出,對地表青山河的影響將更為復(fù)雜。根據(jù)國內(nèi)外充填法礦山經(jīng)驗(yàn),充填采礦雖然可以最大限度地控制地表移動與變形,但由于開采疏水作用,上覆巖層孔隙度增加,加之充填體本身強(qiáng)度遠(yuǎn)低于礦巖體強(qiáng)度,充填一般滯后于采礦,且受工藝限制不可能做到100%充填接頂,事實(shí)上無法完全避免上覆巖層與地表沉降變形。對于分層進(jìn)路充填,因分層充填不接頂累積效應(yīng),如果上覆巖層穩(wěn)固性差、節(jié)理裂隙發(fā)育,其變形尤其不能忽視[3]。例如國內(nèi)某礦山采用下向進(jìn)路充填采礦法,充填體強(qiáng)度超過5 MPa,但經(jīng)過三十多年的開采,地表累積沉降達(dá)到3 m;某鐵礦采用與白象山鐵礦相同的采礦方法,地表也出現(xiàn)了不同程度的沉降變形。鑒于西部厚大礦體對白象山鐵礦生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展的重要性,以及青山河不能受到影響的保護(hù)紅線,必須吸取國內(nèi)外充填法礦山地表沉降變形經(jīng)驗(yàn),根據(jù)變化的工程地質(zhì)條件,對地表變形情況進(jìn)行預(yù)測,進(jìn)而可以針對性地采取控制措施,最大限度抑制上覆巖層和地表沉降變形,確保地表青山河安全[4]。

概率積分法是我國目前開采沉陷領(lǐng)域科學(xué)研究最常用方法之一,該方法構(gòu)建了地表變形與地下開采空間的關(guān)系模型,在煤礦采空區(qū)地表及巖層殘余變形預(yù)測方面已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用[5]。本文以馬鋼礦業(yè)資源集團(tuán)白象山鐵礦西部厚大礦體為例,對傳統(tǒng)概率積分法進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化,用累積不接頂高度代替礦體開采厚度,分別對采用4種不同的備選采礦方法導(dǎo)致地表的沉降變形進(jìn)行了預(yù)測分析,研究成果可為采礦方法的選擇優(yōu)化、礦山的安全生產(chǎn)以及地質(zhì)災(zāi)害防治等方面提供理論支撐。

1 工程概況

白象山鐵礦擁有豐富的優(yōu)質(zhì)磁鐵礦,目前主要生產(chǎn)中段為-470 m、-430 m、-390 m、-330 m,回風(fēng)水平為-270 m。中段內(nèi)沿礦體走向和傾向劃分為7個(gè)盤區(qū),分別為一、二、三、五、六、七、八盤區(qū)。其中西部七、八盤區(qū)厚大礦體規(guī)模大、儲量多、礦體連續(xù)性好,是白象山鐵礦生產(chǎn)能力集中區(qū)域,故稱為“西部厚大礦體”,其安全高效回采對白象山鐵礦的可持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展至關(guān)重要。

由于白象山鐵礦主礦體賦存在閃長巖與砂頁巖接觸帶的內(nèi)帶,其形態(tài)受礦區(qū)背斜構(gòu)造控制,沿走向、傾向分布較廣,開采條件復(fù)雜,尤其是地表青山河流經(jīng)西部厚大礦體,所采用的采礦方法及回采工藝技術(shù)方案必須控制地表移動與變形,確保青山河安全。對于充填采礦法,其上覆巖層與地表沉降變形的主要誘因是充填不接頂造成的采場頂板緩慢沉降,不同充填采礦方法其累積充填不接頂率不同[6]。因此,基于充填不接頂累積效應(yīng)對西部厚大礦體采礦方法和回采工藝進(jìn)行優(yōu)化對于控制上覆巖層與地表變形具有重要意義[7]。

2 西部厚大礦體采礦方法備選方案

根據(jù)白象山西部厚大礦體實(shí)際情況,可選用的充填采礦方法包括預(yù)控頂上向進(jìn)路充填采礦法、上向水平分層充填采礦法、下向進(jìn)路充填采礦法和分段空場嗣后充填采礦法。

2.1 預(yù)控頂上向進(jìn)路充填采礦法

該方法(含小分段空場嗣后充填采礦法)是白象山鐵礦西部厚大礦體當(dāng)前主要應(yīng)用的采礦方法。對于普通進(jìn)路充填采礦法而言,由于巷道方式采礦的應(yīng)用,安全性好、布置靈活,便于探采結(jié)合,但由于回采進(jìn)路均為獨(dú)頭巷道掘進(jìn),生產(chǎn)效率低、成本高、通風(fēng)困難[8]。為提高進(jìn)路回采效率,根據(jù)白象山鐵礦地下礦山開采實(shí)際情況,提出應(yīng)用預(yù)控頂上向進(jìn)路充填法,進(jìn)路規(guī)格參數(shù)由普通上向進(jìn)路充填法的4 m×4 m 調(diào)整(4～6)m×(6～8)m。

該開采方法的實(shí)質(zhì)是將上向水平進(jìn)路充填法“自下而上單分層回采”變?yōu)椤白韵露想p層合采”,是將空場法與充填法進(jìn)行技術(shù)性融合,通過預(yù)先加固頂板,下向采礦形成較大空場,然后充填的一種采礦方法。其基本特征是:一個(gè)回采單元是由兩個(gè)分層所構(gòu)成的,首先對上分層,即控頂層進(jìn)行回采,采用支護(hù)等方法對頂板巖層進(jìn)行加固以后,對下分層,即回采層進(jìn)行回采工作。當(dāng)兩個(gè)分層回采工作進(jìn)行完畢后,對采空區(qū)進(jìn)行充填。在同一個(gè)采場中所有上下兩層進(jìn)路回采且充填完成以后,再升層至上兩個(gè)分層,重復(fù)上述工藝流程。

該種采礦方法根據(jù)礦體厚度的不同設(shè)定了兩種進(jìn)路布置。具體而言,即當(dāng)水平厚度大于20～30 m的情況,垂直礦體的走向進(jìn)行布置;若水平厚度低于20～30 m 時(shí),為充分發(fā)揮鑿巖設(shè)備,尤其是鑿巖臺車的效率,按照礦體走向來進(jìn)行布置,如圖1和圖2所示[9]。本采場所有上下兩層進(jìn)路回采充填完畢后,再升層至上兩個(gè)分層。

圖1 垂直礦體走向布置進(jìn)路的預(yù)控頂上向分層充填采礦法(礦體水平厚度大于20～30 m)

圖2 沿礦體走向布置進(jìn)路的預(yù)控頂上向分層充填采礦法(礦體水平厚度小于20～30 m)

2.2 上向水平分層充填采礦法

國內(nèi)金屬礦山最常用的為兩步驟回采的機(jī)械化上向水平分層充填采礦法,其特征是:礦體被依次劃分為礦房和礦柱,按照兩步驟對礦房和礦柱內(nèi)所含有的礦體進(jìn)行開采,即先采礦房,高強(qiáng)度膠結(jié)充填后,第二部回采礦柱并進(jìn)行低強(qiáng)度或非膠結(jié)充填。采場是自下而上分層進(jìn)行回采,每個(gè)分層或者多個(gè)分層被回采完成以后,對其采空區(qū)進(jìn)行及時(shí)充填,以形成強(qiáng)度后的充填體作為不斷向上開采礦體的作業(yè)空間和平臺。

這種采礦方法具有回采工程布置比較靈活、對礦體的適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),一般情況下適用于任何傾角和厚度的頂板和圍巖特性比較穩(wěn)固的礦體。該采礦方法存在的主要問題是工人在較大空場下作業(yè),對于穩(wěn)固性較差的礦床存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn),如圖3所示[10]。

2.3 下向進(jìn)路充填采礦法

下向分層進(jìn)路充填采礦法是1960年代試驗(yàn)成功的一種新型采礦方法,主要適用于相對不穩(wěn)固、受到地應(yīng)力大的高品位礦體,如圖4所示[11]。

圖4 下向進(jìn)路充填采礦法

2.4 分段空場嗣后充填采礦法

分段空場嗣后充填采礦法的基本特征:在某一階段內(nèi)將礦體依次劃分為礦房(一步驟采場)礦柱(二步驟采場),仍然采用兩步驟回采。具體而言為先應(yīng)用分段空場法對礦房內(nèi)的礦體進(jìn)行回采,進(jìn)行高強(qiáng)度膠結(jié)充填,當(dāng)充填體形成所要求的強(qiáng)度之后,作為人工礦柱來支護(hù)和承載頂板巖層。此后用相同的采礦方法即分段空場法對礦柱內(nèi)的礦體進(jìn)行回采工作,隨后采用低強(qiáng)度膠結(jié)充填或非膠結(jié)充填的工藝完成充填工作。兩步驟回采空場嗣后充填法等同于應(yīng)用了空場法與充填法,因此該方法可以同時(shí)具備以上兩種采礦方法的優(yōu)勢,在國內(nèi)外得到了廣泛的關(guān)注與應(yīng)用,如圖5所示[12]。

圖5 分段鑿巖階段空場嗣后充填法

3 各備選采礦方法不接頂高度預(yù)測

在對采空區(qū)進(jìn)行充填的過程中,由于充填料漿存在坡面角,且井上井下聯(lián)絡(luò)不暢,容易存在進(jìn)路未充滿的現(xiàn)象,且充填體在濾水養(yǎng)護(hù)后存在一定的沉縮性,因此,會出現(xiàn)充填不接頂現(xiàn)象。根據(jù)白象山鐵礦-390 m 中段七、八盤區(qū)的實(shí)際情況,進(jìn)路的不接頂高度為0.3～1.0 m。預(yù)期通過研究與工程實(shí)施,將預(yù)控頂進(jìn)路不接頂高度控制在0.5 m 以內(nèi),故在后文進(jìn)行理論分析計(jì)算時(shí)取不接頂高度為0.5 m。

3.1 預(yù)控頂上向進(jìn)路充填采礦法

目前白象山使用的預(yù)控頂上向進(jìn)路充填采礦法進(jìn)路高度為8 m,單一進(jìn)路充填后會在上方出現(xiàn)0.5 m 的不接頂高度,分層內(nèi)進(jìn)路全部回采完畢后會在整個(gè)盤區(qū)形成大面積的0.5 m 高的不接頂區(qū)域。因?yàn)轭A(yù)控頂上向進(jìn)路充填采礦法在控頂層回采時(shí)采用1/5拱的三心拱,且對頂板進(jìn)行噴錨網(wǎng)支護(hù),因此在上層回采時(shí)不會對下層的充填不接頂區(qū)域造成影響。預(yù)控頂上向進(jìn)路充填采礦法不接頂區(qū)域與上層進(jìn)路關(guān)系如圖6所示。

圖6 預(yù)控頂上向進(jìn)路充填采礦法不接頂區(qū)域與上層進(jìn)路關(guān)系示意

圖7 有限開采時(shí)走采動系數(shù)與的關(guān)系

因此每層礦體回采時(shí)均會出現(xiàn)0.5 m 的不接頂,表1為預(yù)控頂上向水平分層充填采礦法的不接頂計(jì)算結(jié)果。

表1 預(yù)控頂上向水平分層充填采礦法的累計(jì)不接頂計(jì)算結(jié)果

3.2 上向水平分層充填采礦法

若西部厚大礦體改用上向水平分層充填采礦法,上向水平分層充填采礦法上分層作業(yè)時(shí),底板為下分層的充填體,因此不會在每分層都形成充填不接頂區(qū)域,中段回采完成時(shí)最后分層的充填會存在不接頂現(xiàn)象。-390 m 中段已經(jīng)回采了第一層,第二層采準(zhǔn)巷道已經(jīng)部分施工,部分區(qū)域已經(jīng)開始回采,因此第二層依然采用預(yù)控頂上向進(jìn)路充填采礦法。-390 m 中段其余礦體均采用上向水平分層充填采礦法。-430 m 中段第一層礦體回采尚未完成,且礦體剩余厚度較少,因此除第一層外,-430 m中段剩余礦體均采用上向水平分層充填采礦法。-470 m 中段礦體只回采了第一層,以上礦體均采用上向水平分層充填采礦法,其不接頂計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 改用上向水平分層充填采礦法的累計(jì)不接頂計(jì)算結(jié)果

3.3 下向進(jìn)路充填采礦法

若西部厚大礦體改用下向進(jìn)路充填采礦法,-390 m 中段五盤區(qū)的下向進(jìn)路充填采礦法試驗(yàn)采場普通層進(jìn)路高度為4 m,因此,厚大礦體采用的下向進(jìn)路充填采礦法進(jìn)路高度也初步定為4 m。-390 m 中段已經(jīng)回采了第一層,第二層采準(zhǔn)巷道已經(jīng)部分施工,部分區(qū)域已經(jīng)開始回采,因此第二層依然采用預(yù)控頂上向進(jìn)路充填采礦法。-390 m 中段其余礦體均采用下向進(jìn)路充填采礦法。-430 m中段第一層礦體回采尚未完成,且礦體剩余厚度較少,因此除第一層外,-430 m 中段剩余礦體均采用下向進(jìn)路充填采礦法。-470 m 中段礦體只回采了第一層,以上礦體均采用下向進(jìn)路充填采礦法,其不接頂計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 改用下向進(jìn)路充填采礦法的累計(jì)不接頂計(jì)算結(jié)果

3.4 分段空場嗣后充填采礦法

若西部厚大礦體改用分段空場嗣后充填采礦法,分段空場嗣后充填采礦法高大空區(qū)整體充填,只會在空區(qū)上方出現(xiàn)一個(gè)不接頂區(qū)域。-390 m 中段已經(jīng)回采了第一層,第二層采準(zhǔn)巷道已經(jīng)部分施工,部分區(qū)域已經(jīng)開始回采,因此第二層依然采用預(yù)控頂上向進(jìn)路充填采礦法。-390 m 中段其余礦體均采用分段空場嗣后充填采礦法[13]。-430 m 中段第一層礦體回采尚未完成,且礦體剩余厚度較少,因此除第一層外,-430 m 中段剩余礦體均采用分段空場嗣后充填采礦法。-470 m 中段礦體只回采了第一層,以上礦體均采用分段空場嗣后充填采礦法,其不接頂計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 改用分段空場嗣后充填采礦法的累計(jì)不接頂計(jì)算結(jié)果

4 地表最大沉降變形特征值計(jì)算

對受開采引發(fā)的采動區(qū)周邊巖層或地表的移動和變形的特征值進(jìn)行計(jì)算,并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對受礦體開采影響的周邊巖體和地表移動和變形在時(shí)間上和空間上的變化規(guī)律進(jìn)行定量研究,對開采引發(fā)的沉陷研究和礦山實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐具有重要意義,可用于指導(dǎo)建(構(gòu))筑物下的礦體開采實(shí)踐[5]。本研究對概率積分法進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化,對于充填采礦法,采用累計(jì)不接頂高度代替礦體開采厚度,對白象山西部厚大礦體各備選開采方案誘發(fā)的地表移動變形特性進(jìn)行研究。

4.1 參數(shù)計(jì)算方法

地下開采對地表的影響主要有垂直方向的移動和變形(下沉、傾斜、曲率)與水平方向的移動和變形(水平移動、拉伸和壓縮)等。相關(guān)參數(shù)的計(jì)算方法如下所述[14]。

4.1.1 最大下沉值W

根據(jù)隨機(jī)介質(zhì)理論及其移動規(guī)律,地下開采誘發(fā)地表出現(xiàn)的最大下沉值W可按式(1)～式(7)計(jì)算:

式中,W0為走向、傾向均充分采動時(shí)地表最大下沉值,mm;m為開采礦體厚度,對于充填采礦法,本研究采用累積不接頂高度,m;q為下沉系數(shù),參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)取q=0.03;α為礦體傾角,取平均值45°;

式中,l為走向計(jì)算開采長度,m;D1為走向開采長度,平均為795 m;S0為走向拐點(diǎn)偏距,本研究選擇堅(jiān)硬礦巖類型,即S0=0.2H0;r0為走向主要影響半徑,m;H0為走向開采深度,自-470 m～-270 m 水平,即取值為200 m;tanβ為主要影響角正切值;為傾向充分采動、走向有限開采時(shí)地表最大下沉值,mm;C ym為傾向采動系數(shù);為移動變形分布函數(shù)值,從圖8中量取;r1為最低開采水平主要影響半徑,m;r2為最高開采水平主要影響半徑,m;H1為最大開采深度,地表標(biāo)高+10 m 左右,至-470 m 水平最大開采深度480 m;H2為最小開采深度,地表標(biāo)高+10 m 左右,至-270 m 水平最大開采深度280 m;S1為最大深度拐點(diǎn)偏距,S1=0.2H1);S2為最小深度拐點(diǎn)偏距,S2=0.2H2;L為傾向計(jì)算開采長度,m;D2為傾向開采長度,435 m;θ0為開采影響傳播角。

圖8 移動和變形分布曲線

4.1.2 最大水平變形U

地表最大水平變形按下式計(jì)算:

式中,b為水平移動系數(shù)。

4.1.3 最大傾斜值i,最大曲率值K,最大水平變形ε

最大傾斜值、最大曲率值、最大水平變形分別按式(11)～式(13)計(jì)算:

4.2 各備選采礦方法地表變形值計(jì)算

根據(jù)白象山鐵礦西部厚大礦體賦存狀況和開采規(guī)劃方案,利用概率積分法理論預(yù)計(jì)不同采礦方法地表變形值所需參數(shù),計(jì)算結(jié)果見表5。根據(jù)上述計(jì)算方法預(yù)測的最大變形值匯總見表6。

表5 概率積分法理論預(yù)計(jì)參數(shù)取值

表6 各備選采礦方法方案的地表最大變形值

根據(jù)表6可以得知,西部厚大礦體地表最大下沉值范圍在64.4～294.2 mm之間,最大水平移動值在19.3～88.3 mm 之間,最大傾斜值在0.5～2.4 mm/m 之間,最大曲率值均不高于3×10-5/m。最大水平變形值均不高于1.1 mm/m。按建筑物的重要性、用途以及受開采影響引起的不同后果,建筑物保護(hù)等級分為五級[15]?！队猩饘俨傻V設(shè)計(jì)規(guī)范》對各等級規(guī)定的允許變形值見表7[16]。經(jīng)過對比分析各采礦方法最大地表變形值和相應(yīng)允許值可以得知,各采礦方法引起的地表變形值均小于I級保護(hù)對象允許的范圍,因此,從改進(jìn)的概率積分法預(yù)測的地表變形值分析,各采礦方法均不會對地表建構(gòu)筑物造成超出規(guī)范要求的危害。

表7 建(構(gòu))筑物位移與允許的變形值

5 結(jié)論

本文提出一種適用于充填采礦法的改進(jìn)概率積分法,用累積不接頂高度代替礦體開采厚度,分別對白象山鐵礦西部厚大礦體采用4種不同的備選采礦方法導(dǎo)致地表的沉降變形進(jìn)行了預(yù)測分析,得出主要結(jié)論如下。

(1) 西部厚大礦體上部地表最大下沉值范圍在64.4～294.2 mm 之間,最大水平移動值在19.3～88.3 mm 之間,最大傾斜值在0.5～2.4 mm/m 之間,最大曲率值均不高于3×10-5/m。最大水平變形值均不高于1.1 mm/m。

(2) 經(jīng)過與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比分析,各備選的采礦方法均不會對地表建(構(gòu))筑物造成超出規(guī)范要求的危害。