某铜矿地下开采对地表古铜矿遗址的安全影响

2018-12-21何承尧霍洪岩范进才

现代矿业 2018年11期

何承尧范庆霍洪岩范进才

(1.浙江漓铁集团有限公司；2.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司；3.金属矿山安全与健康国家重点实验室；4.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司；5.天津矿山工程有限公司；6.海南山金矿业有限公司)

某铜矿始建于1995年7月，生产规模为原矿3万t/a，采用浅孔留矿法采矿，对角式通风系统，一段排水方式，目前开采深度为52～-50 m水平。矿区西侧为某古铜矿遗址，为全国重点文物保护单位，区域内有2处核心保护区域，一处为西周至汉代的铜矿冶炼遗存，占地面积约150万m2，炼渣堆厚度为0.5～1.5 m，古炼渣储量约50万t，居全国之首；另一处为南北朝至唐宋时期的冶炼遗存，占地面积约22万m2，主要以煤矿为燃料，炼渣堆积厚达8 m以上，储量超过40万t，十分罕见。矿山远景规划将向西侧扩界，因此需要进一步研究遗址下方采矿活动对其影响，从而为矿山后期开采提供理论支撑[1-2]。

1 水文及工程地质特征

1.1 水文地质特征

矿区位于长江南岸沿江丘陵区域，地势总体特征为西南高、东北低。矿区内最高标高86.00 m，位于矿区东部；最低标高59.76 m，位于矿区西南部，相对高差26.24 m，地形总体较平缓，坡度均在10°以下，植被较发育。矿区内地表水体属长江水系，水体不发育，其补给主要来自大气降水，且由于地形稍有起伏，地表水排泄通畅。按含水介质、孔隙类型和地下水的赋存条件，矿区及外围地下水类型可划分为松散岩类孔隙水、碳酸盐类裂隙溶洞水和基岩类裂隙水等。水量极贫乏的松散岩类孔隙水的含水岩组分布于矿区北、西南外侧，含水岩组岩性为全新统冲洪积粉质黏土、含碎石粉质黏土，厚度约5.0 m，水力性质为潜水，水位埋深为2～3 m，富水性小；水量一般的碳酸盐类裂隙溶洞水含水岩组分布于整个矿区及外围，含水岩组由三叠系下统和龙山组灰岩、矽卡岩等组成，该含水岩层为矿区矿层顶板，岩溶弱发育，局部构造裂隙发育，富水性弱；水量极贫乏的块状岩类裂隙含水岩组分布于矿区东南及其外侧，含水岩组由燕山晚期花岗闪长岩等组成，岩体浅部风化裂隙较发育，发育深度一般为4～8 m，深部发育有构造裂隙，呈闭合状。矿区地下水富水性较差，赋存于风化裂隙中。

矿区地下水接受大气降水垂向入渗补给，并沿构造裂隙向下部运移，区内地下水流向大体上自南东向北西运移，并以泉、地下径流等形式排泄于区外，同时，蒸发也是地下水的主要排泄方式之一。目前，矿山最低开采标高为-50 m，地下水仍接受大气降水垂直入渗补给，但径流、排泄条件发生了变化，地下水向矿山地下开采坑道径流，排泄方式以人工排泄为主，矿区总体水文地质条件为简单类型。

1.2 工程地质特征

根据岩土体的成因类型、物质成分、岩体结构、物理力学性质等因素，矿区可分为第四系松散岩组、碳酸盐岩类工程地质岩组、岩浆岩类工程地质岩组。

(1)第四系松散岩组。该岩组分布于矿区北部及西南外侧，岩性为第四系全新统芜湖组粉质黏土、含碎石粉质黏土，厚度为0.5～5.0 m。该土体呈可塑状，中压缩性，自由膨胀率为23%～28%，含水量为20.1%～25.7%，孔隙比为0.54～0.70，塑性指数为15.2～22.5，液性指数为0.03～0.24，压缩系数为0.11～0.28 MPa-1，黏聚力为30～50 kPa，内摩擦角为 12.7°～21.0°，承载力特征值为200～300 kPa。

(2)碳酸盐岩类工程地质岩组。该岩组分布于整个矿区，由三叠系下统和龙山组灰岩夹薄层状钙质泥页岩、灰岩经热变质及接触交代变质形成的矽卡岩等组成，薄层状结构，密度为2.68～2.92 g/cm3，干抗压强度为78.4～110.5 MPa，受岩体影响，岩石角岩化蚀变较强。

(3)岩浆岩类工程地质岩组。该岩组分布于矿区东南角，由燕山晚期花岗闪长岩组成，全晶质半自形中粒结构，块状构造，新鲜岩石坚硬，干抗压强度为80.0～168.0 MPa。岩体浅部风化裂隙发育，岩体呈破碎状，风化裂隙发育深度一般为4～8 m，风化岩石力学强度明显降低，深部岩体发育有构造裂隙，呈闭合状。

矿山顶底板为灰岩及花岗闪长岩，稳固性好，但靠近矿体的位置，主要为层状、条带状矽卡岩，块状矽卡岩或层状矽卡岩化大理岩，岩石较破碎，采矿时需防止掉块。在裂隙及岩溶发育地段易造成局部垮塌。该矿床属于中等工程地质类型矿床[3-4]。

2 开采沉陷对地表建(构)筑物的影响

2.1 建(构)筑物下采矿理论依据

(1)建(构)筑物容许变形值较地表静态变形值大，即固定开采边界上方的地表变形值不会对建(构)筑物产生有害影响[3]。

(2)采用安全可靠的对策措施可有效减小地表变形。

(3)通过采取一些建筑加固措施来提高其抗变形能力，使其允许变形值较地表动态和静态变形值大[3]。

(4)当建(构)筑物允许变形值与地表静态变形值相差不大时，采动之后可对建(构)筑物采取维修等措施进行修复。

2.2 地下开采对地表建(构)筑物的影响

地下开采对地表的影响主要表现在垂直方向和水平方向的移动和变形上，包括下沉、曲率、倾斜、水平移动和水平变形。不同条件下的地表移动和变形，对建(构)筑物的影响程度有所区别。地表产生的变形和移动，对建(构)筑物与地基之间的初始应力平衡造成破坏，同时重新建立力学平衡，建(构)筑物由此产生附加应力，进而导致建(构)筑物发生破坏[3]。

2.3 建(构)筑物变形和破坏与地表变形的关系

在地下开采的影响下，地表建(构)筑物的变形和移动是由地面各节点在时间和空间上与井下作业面的相对位置决定的，建(构)筑物一般具备一定的承受附加应力的能力，而建(构)筑物的变形由采空区上方及地表产生的变形和移动传递于建(构)筑物的基础产生。在开采过程中，建(构)筑物变形随着采动不断变化。与此同时，建(构)筑物的变形与地表变形的关系与建(构)筑物基础的结构形式及相关性质有关。在进行建(构)筑物下开采前，应提前对地质采矿条件及工艺进行分析预测，并由分析预测的变形值再结合相关标准评定建(构)筑物的损坏程度，由此提出相应的保护地面建(构)筑物的对策措施，并对开采方案及技术参数进行优化，最终确定最优开采方案[5-8]。

3 工程岩体物理力学指标取值

根据矿区工程地质资料及前期工程勘察报告，结合室内岩体各项物理力学试验结果以及各种力学指标的统计分析计算，本研究选定的岩体强度指标见表1。

表1 岩体物理力学强度指标

4 有限元模型构建及计算

4.1 数值模拟研究内容

由于拟扩大的矿区范围地表有古铜矿遗址，为较全面了解该铜矿在开采扰动下采场与围岩的地压活动规律，以便确定合理的采场结构参数，使开采引起的扰动范围最小，本研究结合矿山实际情况，对该铜矿在开采扰动下的矿柱、顶底板围岩的应力、位移状态、屈服区分布、采矿方法选择及结构参数优化等进行模拟分析，模拟研究内容为：①建立该铜矿及周边地下开采数值分析力学模型；②采用有限元程序，分析计算矿山地下开采岩体变形破坏模式、规律及发展态势；③对矿山及周边分别采用上向分层充填法、浅孔留矿嗣后充填法进行模拟分析；④通过数值模拟，分析地下开采对地表的影响，结合相关规范所允许的地表变形参数，进行采矿方案的安全性分析[9-10]。

4.2 本构模型

本研究数值模拟采用摩尔-库伦模型。该模型的破坏包线包括两部分，一段剪切破坏包线和一段拉伸破坏包线。与剪切破坏相对应的为相关联的流动法则，与拉伸破坏对应的为不相关联的流动法则[11]。

4.3 模拟方案

方案一采用上向水平分层胶结充填法(图1)进行数值模拟分析。采场沿矿体走向布置，长度50 m，阶段高度为50 m，顶柱宽度为6 m，间柱宽度为6 m；普通分层高度3 m，分段高度为1.2 m；回采过程中，最小控顶高度1.5 m，最大控顶高度4.5 m。开采范围为-200～0 m标高，要求0 m标高以上至第四系之间的隔离矿柱至少保证100 m，不足时，应在-50 m中段留设足够的顶柱进行补充。充填体强度要求3 d强度不小于0.3 MPa，28 d强度不小于1 MPa。

图1 上向水平分层尾砂胶结充填采矿方法示意(单位：mm)

方案二采用浅孔留矿嗣后充填法(图2)进行数值模拟分析。单矿块沿走向布置，长50 m，宽为矿体厚度，阶段高度50 m，留顶柱6 m，间柱6 m，底柱6 m，采用平底结构。开采范围为-200～0 m标高，要求0 m标高以上至第四系之间的隔离矿柱至少保证100 m，不足时，应在-50 m中段留设足够的顶柱进行补充[12-15]。

2种采矿方法特点对比见表2。

图2 浅孔留矿嗣后充填采矿方法示意(单位：mm)

表2 采矿方法特点对比[16]

4.4 数值模拟计算

本研究通过ANSYS有限元分析软件[17]对-200 m 以上水平进行模拟开挖，并对围岩稳定性进行了静力学分析，结果如图3、图4所示。分析图3、图4可知：矿体开采完毕后，在采动矿体周围围岩形成了一定程度的应力集中，对地表影响较小。采用浅孔留矿嗣后充填法所产生的最大水平向位移为1.05 mm，最大竖向位移为18.68 mm；采用上向水平分层胶结充填法所产生的最大水平向位移为0.6 mm，最大竖向位移为15.77 mm。可见，采用上向水平分层胶结充填法开采后，有利于确保地表建(构)筑物稳定。