南矿地表移动变形影响及保安矿柱开采安全分析

周 勇,贺应来

(锡矿山闪星锑业有限责任公司,湖南冷水江 417502)

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南矿地表移动变形影响及保安矿柱开采安全分析

周 勇,贺应来

(锡矿山闪星锑业有限责任公司,湖南冷水江 417502)

对锡矿山南矿地表及井下岩移进行了观测研究,利用不同手段判断地表移动的变形量,从而了解充填质量和保安矿柱安全开采的情况,结合本矿山实际情况,利用观测数据来确定采空区上部建筑物的稳定性。

移动变形;保安矿柱;建筑物;沉陷;采空区;地压

锡矿山矿区面积为11.974 8 km2,矿山采用竖井、斜井、平硐-暗斜井联合开拓方案,地下开采采矿方法为胶结充填法、普通房柱法、杆柱房柱法、杆柱砂浆胶结充填法、上向连续采矿法等,开采深度:标高从+620 m至-492 m。南矿地面工业场地共占地面积约4.4万m2,由于历史原因,在矿山开采范围有大量地面建构筑物,主要分布在200～400 m标高之间,在平面上呈北东-南西长条形状分布,从矿区南至北主要建构筑物布置为:南面分布有尾矿库、油库和电站;中部布置公司总部、主提升的2#竖井、招待所、生活区、南选厂;北部飞水岩区布置了1#竖井、废石场、东西翼风井和冶炼厂。本文采用概率积分法对南矿开采引起的地表移动和变形进行计算,综合分析地表建筑物的安全。

1 地表移动变形影响分析

1.1 地表移动盆地边界的确定

1.1.1 开采的直接影响和间接影响

地下开采以后,在采空区上方及其周围地表发生移动和变形。岩层与地表的变形以及它所导致的建筑物、结构物和自然物的损害称为直接开采损害。在地表主要变形带之外,地表变形一般都很小,然而这时也可能发现一些开采影响的存在,它们往往与开采间接有关,称为间接开采损害。

1.1.2 地表移动边界

按照地表移动变形值的大小及其对建筑物及地表的影响程度,可将地表移动盆地划分出三个边界:最外边界、危险移动边界和裂缝边界。地表移动盆地下边界确定示意图如图1所示。

1.移动盆地的最外边界:移动盆地的最外边界,是指以地表移动和变形都为零的盆地边界点所圈定的边界。一般取下沉为10 mm的点为边界点。

2.移动盆地的危险移动边界:移动盆地的危险移动边界,是指以临界变形值确定的边界,表示处于该边界范围内的建筑物将会产生损害,而位于该边界外的建筑物则不会产生明显的损害。目前我国采用的一组临界变形值为倾斜i=3 mm/m,水平变形ε=2 mm/m,曲率k=0.2×10-3/m。以上述三变形值中最外一个值确定的边界即为危险移动边界,如图1中的A′C′B′D′所示。

3.移动盆地的裂缝边界:移动盆地的裂缝边界,是指根据移动盆地的最外侧的裂缝定的边界,如图1中的A″C″B″D″所示。

图1 地表移动盆地下边界确定示意图

1.2 地表移动与变形值的预计方法选取

地表沉陷计算采用常用的概率积分法作为计算方法,概率积分法是以正态分布函数为影响函数,用积分式表示地表下沉盆地的方法,适用于地表移动与变形计算。

全盆地的移动与变形计算如下:

下沉:

上述式中x,y为计算点相对坐标(考虑拐点偏移距)/m;D为开采矿层区域;W为下沉变形;r为影响半径;K为曲率;U为水平移动量;η为下沉系数;i为倾斜变形;S为扭曲变形;γ为剪切变形;ζ为水平移动;ε为水平变形。

1.3 南矿矿区地表下沉实测资料

1995年3月至2009年10月,长期系统地观测了南矿南炼厂处的地表下沉。该处地表共设49个观测点,沿4条线布置,包括沿公路布置的公18～公25点,沿库房至炉房布置的炉3至库12点,沿澡堂至食堂布置的35至49点,沿斜坡道地表布置的斜27至斜34点。南炼厂地表下沉实测点的布置见图2。

选取观测点公22、库12、炉3、炉6的下沉实测数据绘制时间位移曲线如图3～图6所示。

从实测数据可以看出,1995年3月至2009年10月南炼厂位置地表下沉值达到30～55 mm,各点下沉量相差在25 mm之内。

1.4 南矿地下开采沉陷计算

南矿地下开采活动引起岩层移动,有可能影响到地表建筑及竖井安全,其遭受损害的程度,可通过地表移动变形计算来予以评估。

本次采用概率积分法对南矿导致的地表移动变形进行计算分析。

1.4.1 计算参数的确定

采用工程类比法,并结合现场实测资料来综合确定计算参数。本次计算主要依据本矿区、本省及国内地质条件、上覆岩层及开采技术条件详尽的矿井、矿区地表移动参数,经综合分析后选取。

图2 南炼厂地表下沉实测点布置图

图3 炉3点实测下沉图

图4 库12点实测下沉图

综合确定本矿区内地表移动与覆岩移动参数如下:

充填法开采下沉系数:q=0.1

水平移动系数:b=0.15

主要影响范围角:β=60°

1.4.2 计算结果

地表移动变形计算采用了常用的概率积分法作为计算方法,用计算机对开采导致地表变形的各种参数:下沉变形W、水平移动U和倾斜变形i进行模拟计算,得到的地下开采导致地表移动变形,东西向下沉剖面图如图7所示,南北向下沉剖面图如图8所示,对地表主要构筑物的影响见表1。

图5 炉6点实测下沉图

图6 公22点实测下沉图

图7 东西向下沉剖面图

图8 南北向下沉剖面图

表1 地下开采对主要构筑物影响计算结果

受采动影响上覆岩层可能出现冒落、断裂、离层和弯曲等现象,进而发展到地表,在地表形成一个比采空区大的沉陷盆地。对采空区进行充填处理可以有效控制围岩变形和地表下沉,实测资料和计算结果都表明,南矿采用充填法处理空区,有效地控制了地表移动和变形。

计算得到南矿地表最大下沉值为85 mm;地表最大倾斜发生在采空区边界上方地表,最大值0.6 mm/m;开采边界正上方地表水平移动最大,东西向水平移动最大值9 mm;开采引起的地表水平变形和曲率计算值很小,水平变形值小于0.1 mm/m,曲率值小于10-5/m。

1.5 开采对地表主要建筑物的影响分析

1.5.1 损害的表现形式

采空区上覆岩层的移动波及地表后,引起地面下沉,不均匀沉降可导致地表建筑破坏。地表沉陷过程的拉伸、压缩、倾斜变形减小了建筑地基的内磨擦力和内聚力,会引起其承载力的下降,使建筑物出现裂缝。岩体移动和变形会引起竖井的倾斜。

1.5.2 开采对地表主要构筑物的影响

建筑物受开采影响的损坏程度取决于地表变形的大小和建筑物本身抵抗变形的能力,其损坏等级的划分见表2。

1.南2号竖井产生10 mm下沉,0.3 mm/m的倾斜,水平变形值小于 0.1 mm/m,曲率值小于10-5/m,小于表 2中规定的建筑物损坏时的变形值。

2.南1号竖井位置地表产生80 mm下沉,水平变形值小于0.1 mm/m,曲率值小于10-5/m,倾斜值为0.3 mm/m,小于表2中规定的建筑物损坏时的变形值。

3.矿本部处于下沉影响范围内,下沉值达到20～35 mm,水平变形值小于0.1 mm/m,曲率值小于10-5/m,倾斜值为0.55～0.6 mm/m,远小于表2中规定的变形值,地表建筑不会破坏。

表2 砖混结构建筑物损坏等级

4.南炼厂处的地表水平变形值小于0.1 mm/m,曲率值小于10-5/m,倾斜值为0.5～0.6 mm/m,小于表2中规定的建筑物损坏时的变形值,地表建筑不会损坏。

5.东翼风井处的地表水平变形值小于 0.1 mm/m,曲率值小于10-5/m,倾斜值为0.6 mm/m,小于表2中规定的建筑物损坏时的变形值。

2 保安矿柱开采安全分析

由于南矿地表工业场地基本上布置在采动影响范围内,飞水岩河也在矿区范围内,南矿的矿体开采基本上都是“三下”开采,对地表下沉量的控制要求比较高,解放后,为确保重要工业建筑物和飞水岩河床安全,在开采的南矿上部中段留有河床、一号竖井、通风井、南炼厂、办公室等五大保安矿柱。

为保持南矿的生产水平,1982年5月开始了浅部保安矿柱的开采,其中“五中段以上河床保安矿柱”、“一号竖井保安矿柱”、“南炼厂保安矿柱”先后得到了湖南省冶金工业局、湖南省有色金属工业公司的批复,允许开采。各保安矿柱开采历史及现状和开采保障措施如下。

2.1 保安矿柱开采历史及现状

2.1.1 五中段以上河床保安矿柱开采

1982年12月,对南矿五中段以上河床保安矿柱进行采准设计,原湖南省冶金工业局和湖南省有色金属工业公司联合发文同意对锡矿山南矿二至五中段保安矿柱进行开采(《对锡矿山南矿二至五中段保安矿柱开采初步设计的批复》[(83)湘冶色字第008号])。

设计时,考虑到河床矿柱距河床底板太近、危险性大,对三中段以上距河床底板小于30 m的矿体未设计开采。

1986年6月开始对南矿五中段以上河床保安矿柱进行回采,现除部分残采地点外,大部分已采完。2.1.2 一号竖井保安矿柱开采与设计

1984年4月经湖南省有色金属工业公司批准,对“一号竖井保安矿柱”进行施工,1988年6月开始进行一号竖井保安矿柱的回采作业。

目前除一号竖井旁边的14、16、18、20四个矿块,32m范围的保安矿柱未回采外,绝大部分保安矿柱已经回采完毕。

2.1.3 南炼厂保安矿柱开采与设计

1993年6月,经湖南省有色金属工业公司同意,矿山开始对南炼厂保安矿柱下分层矿体进行施工, 2004年基本已完。2003年对其上分层矿体进行设计与施工,现正在进行回采施工。

2.2 保安矿柱开采保障措施

由于上世纪六十至七十年代矿山曾先后发生三次大面积的地压活动,造成巷道和采矿区顶板塌落、矿柱破坏、岩层移动、地表开裂下沉、公路及附近厂房等建筑物设施都遭到了较为严重的影响,给矿山正常生产带来了严重的影响。因此,为保证保安矿柱安全回采,减小和控制保安矿柱回采过程中的地表沉降,矿山采取了一系列有效措施。

1.开展保安矿柱安全回采科研和现场试验。与相关科研院所合作开展了《南炼厂保安矿柱开采地压监控技术研究》、《锡矿山河床保安矿柱开采及其地压规律的研究》等多项科研,一系列科研成果的应用和现场试验为南矿保安矿柱的回采提供了技术保障。

2.采用充填法处理空区,消除空区隐患。为了保证坑内外安全,有效控制地压,确保安全生产,从1950年起,南矿即开始对采空区进行充填处理工作,当时主要用矸石充填西部和河床下面的采空区,以保护地表的建筑物。1970年,矿山完善了上部中段水砂充填系统,兴建了胶结充填系统,至1980年底,共充填了216.1万m3,占总采空区的70%,有效地控制了矿山地压活动和地表下沉,地压活动开始趋向相对稳定。为了满足深部中段采矿的要求和解决充填能力不足的问题,矿山先后建立了深部和浅部两个充填系统,采用粗颗粒水砂充填、分级尾砂胶结充填以及混凝土胶结充填等方式,对遗留的采空区进行充填,至1991年底,四中段以上除少量的解放前遗留的采空区无法充填接顶外,大部分采空区已经基本充填。

3.采用充填法开采,控制地压。根据矿体的赋存条件,为保证矿山安全高效开采,经过多年反复探索、应用和筛选,目前,南矿采矿方法主要为胶结充填法,边缘矿体或倾角大于40°的矿体采用普通房柱法、杆柱房柱法、杆柱砂浆胶结充填法、上向连续采矿法等采矿方法进行回采,所有的采空区都采用充填的方法进行采空区处理,基本实现了采充平衡,有效地控制了井下地压活动和地表有害沉降。

4.开展了地表沉降和地压监测。南矿是我国最早开展井下地压和地表沉降监测的矿山,通过地压和地表沉降监测综合分析了浅部及地表和保安矿柱开采的岩移和地压变化规律。

2.3 保安矿柱开采条件

南矿已开采的保安矿柱“五中段以上河床保安矿柱”、“一号竖井保安矿柱”、“南炼厂保安矿柱”的开采,通过立项审批程序,采取了科学有效的控制措施,既提高了矿产资源回收率,也保证了地表建构筑物的安全正常使用,同时公司严格按审批的设计方案,进行开采,已达到理想的预期目的。

3 结束语

锡矿山闪星锑业有限责任公司南矿通过采用充填法全面处理老空区,同时采用充填采矿法开采,地表位移沉降得到有效控制,没有发生大面积地压活动的迹象。但随着开采深度的增加,原岩应力场增大,为保持井巷和采场稳定,应对支护方式、采场结构参数进行研究和优化,建立井下地压活动监测网,健全地压监测管理。

[1] 锡矿山锑志编委会.锡矿山锑志[M].冷水江:锡矿山闪星锑业有限责任公司,1981.

[2] 锡矿山锑志编委会.锡矿山锑志[M].冷水江:锡矿山闪星锑业有限责任公司,1996.

[3] 张根深.南矿采空区处理实践及其探讨[J].锡矿山科技, 1993,(4):1-5.

[4] 锡矿山矿务局.锡矿山南区地压总结[J].湖南冶金,1974,(增刊):14-34.

Surface Movement and Deformation Effect of South Mine and Mining Safety Analysis of the Security Pillar

ZHOU Yong,HE Ying-lai
(Hsikwangshan Twinkling Star Co.,Ltd,Lengshuijiang417502,China)

The surface and underground rock shift of Xikuangshan south mine was observed and studied.It used different means to determine the amount of deformation of the surface movement to understand the filling quality and security pillar safe mining.Combined with the actual situation of the mines,the observational data was used to determine the building’s stability in the upper part of the empty area.

movement and deformation;security pillar;buildings;subsidence;goaf;pressure

TD801

A

1003-5540(2012)05-0001-06

周勇(1968-),男,工程师,主要从事地压岩移观测技术管理工作。

2012-07-26