三山岛北部海域金矿大规模海下开采地表岩移预测分析

2020-10-15陈小伟范文录蔡光辉徐兴保

有色金属（矿山部分） 2020年5期

陈小伟，范文录，蔡光辉，徐兴保

(1.中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038；2.莱州市瑞海矿业有限公司，山东莱州 261400)

海下采矿属于“三下开采”中的地表水体下开采，不同于普通陆地开采，海下金属矿床大规模开采、高强度爆破作业容易导致海床沉降变形，引发基岩开裂形成导水通道，尤其对于深井矿山形成的高水压大流量的地表水进入井下，将对矿山造成致命的灾难。世界范围内多个国家进行过海下采煤实践[1]，如英国、澳大利亚、日本、加拿大和智利等，最早英国在1560年已经开始海下煤层的开采。山东龙口矿业是我国最早也是唯一实施海下采煤的矿山[2-3]。山东黄金集团三山岛金矿新立矿区是我国成功实施海下黄金开采的矿山[4-5]，表明我国在海下采矿方面已经积累了一定的经验。

三山岛北部海域金矿紧邻三山岛金矿，矿床全部赋存在渤海海面以下，与龙口煤矿和三山岛金矿新立矿区相比，该矿开采范围、开采规模、开采深度都要大很多，开采技术条件更加复杂。解决海下采矿的关键是防止海水和井下导通，国内外常用做法是在上部留设一定厚度的保护矿柱，在保证安全开采的前提下，应尽可能减小防水矿柱的厚度，以提高矿产资源的综合利用率。

本文通过采用有限差分程序FLAC3D，对三山岛北部海域金矿海下多中段开采对地表岩移影响进行研究，为矿山安全高效开采提供理论依据。

1 工程概况

1.1 矿区概况

三山岛北部海域金矿位于山东省莱州市北部，西南邻近国内第一个海底黄金矿山——三山岛金矿，矿区周边水陆交通极为方便。矿区地处渤海海湾，近岸及海底地形低平，海拔标高-5.80～2.00 m，区内地表水发育，主要为渤海海水，分布整个矿区。

1.2 矿区开采技术条件

矿床处于三山岛—仓上断裂带，该断裂带内金矿床是最早发现的破碎带蚀变岩型超大型金矿床，仓上金矿、新立金矿、三山岛金矿、三山岛北部海域金矿均处于该断裂带上，见图1。矿区共发现金矿体48个，均分布在20线至66线之间黄铁绢英岩化(花岗质)碎裂岩带内，主要矿体为深部的Ⅰ-4矿体，标高-950～-1 900 m，控制走向长约1 750 m，沿走向两端均未封闭，倾斜最大延深1 230 m，深部未封闭，主要矿体平均倾角39°，平均矿体厚度10～15 m。

图1 三山岛北部海域金矿计算模型Fig.1 Numerical model of gold mine

矿体赋存于渤海海面以下，因地表第四系粉质黏土隔水层将地表海水、第四系含水层与矿体隔开，在生产过程中需要重点保护第四系黏土隔水层不受破坏。矿床充水的主要来源是构造裂隙含水层。经预测，矿山正常涌水量约7 000 m3/d，最大涌水量11 000 m3/d，矿山水文地质条件为中等—复杂类型。

矿床顶板和底板为绢英岩化花岗岩、绢英岩化碎裂岩、黄铁矿绢英岩化花岗碎裂岩等，岩性较单一，饱和单轴抗压强度为13.6～84.1 MPa。矿床工程地质条件取决于岩石构造发育程度，断裂带内局部岩石较破碎，蚀变较强烈、裂隙较发育，岩心较破碎，稳固性相对较差，需要加强支护措施。矿山工程地质条件为中等类型。

2 数值模型

2.1 材料参数

根据矿山工程概况，将计算模型设为三类岩层，分别为上盘围岩，矿体和下盘围岩，矿岩体和充填体力学参数见表1。

表1 矿岩体和充填体力学参数

参考项目周边矿山的已有地应力资料，矿区内地应力场以水平构造应力为主导，其中最大水平主应力、最小水平主应力和垂直主应力均随深度变化而线性增加，其规律用下述方程描述：

σhmax=1.433+0.043H

(1)

σhmin=1.304+0.024H

(2)

σz=0.07+0.028H

(3)

式中：σhmax—最大水平主应力，MPa；σhmin—最小水平主应力，MPa；σz—垂直应力，MPa。

2.2 计算模型

根据矿体实际特征进行适当简化，简化计算模型包括三条矿体，其特征见表2，构建矿体开采数值计算模型见图1，模型地表标高为0 m。

表2 矿体特征

2.3 破坏准则

模型中岩矿体均假设为理想弹塑性连续介质，计算采用破坏准则为摩尔-库仑准则，力学模型为：

(4)

式中：fs—摩尔—库仑准则的函数关系；σ1—最大主应力，MPa；σ3—最小主应力，MPa；φ—内摩擦角，(°)；c—介质黏聚力，MPa。

2.4 开采顺序

1)下部1#矿体开挖与充填模拟

1#矿体从-1 480中段和-1 300中段两中段同时回采，中段高60 m，每次按20 m分段进行回采与充填模拟，如此反复至中段回采完毕，见图2所示。

图2 1#矿体开采示意图Fig.2 Mining sketch of 1# ore body

2)上部2#矿体与3#矿体开挖与充填模拟

待下部1#矿体回采充填完毕，开始对2#矿体和3#矿体进行回采模拟，2#矿体与3#矿体厚度较小，为简化模拟过程，2#矿体与3#矿体同时进行回采，每次按20 m高度进行开挖模拟，开采直至设定的顶柱厚度结束，见图3，开采计算后分别摘取顶柱厚度为180 m、160 m及110 m计算结果分析。

图3 2#、3#矿体开采示意图Fig.3 Mining sketch of 2#，3# ore bodies

3 数值结果分析

3.1 竖剖面位移结果

图4左侧为三维模型下地表沉降等值线，根据地表垂直位移分布情况可知，地表最大沉降区位于矿体对应的上盘区域；根据图4右侧模型竖剖面垂直位移图结果，在多中段同时开采下，距离开采区域越近，沉降位移就越大，往上至地表位移逐渐变小；同时，在开采深部中段时，地表沉降位移较小，而开采中段逐渐往浅部区域靠近时，地表沉降位移逐渐增大。因此地下开采必须留设足够的顶柱隔离层，才能保护地表沉降变形不超允许范围，而海底开采顶柱隔离层的留设尤为重要。

图4 三维模型地表沉降等值线与竖剖面垂直位移云图Fig.4 Surface subsidence map in 3D model and vertical displacement contour of vertical profile

3.2 预设顶柱不同厚度下地表垂直位移结果

根据竖剖面位移分析结果，安全顶柱隔离层厚度主要通过地表最大沉降变形与水平变形值来进行确定。根据图5～7结果，留设180 m顶柱地表最大沉降值约为151 mm，地表最大倾斜变形值约为0.58 mm/m；留设160 m顶柱地表最大沉降值约为160 mm，最大倾斜变形值约为1.07 mm/m；留设110 m顶柱地表最大沉降值约为175 mm，最大倾斜变形值约为2.63 mm/m。根据相关规定，地表满足I类保护等级要求时，地表倾斜变形最大不允许超过3 mm/m。基于上述结果，预设110 m厚矿柱时，地表沉降变形接近地表保护等级要求，而预设160 m厚顶柱，最大倾斜变形值完全小于允许规定。由于水下开采的特殊性，应相应提高地表保护要求，因此，建议留设顶柱厚度不小于160 m。另据图8地表中部最大沉降曲线对比结果，留设顶柱厚度越小，地表沉降值越大，地表沉降变形曲线愈陡，相对应，地表倾斜值也越大。因此，留设足够厚度的顶柱是保证海下安全开采的重要措施。

图5 180 m厚顶柱地表垂直位移等值线Fig.5 Surface vertical displacement contour of 180 m thick crown pillar

图6 160 m厚顶柱地表垂直位移等值线Fig.6 Surface vertical displacement contour of 160 m thick crown pillar

图7 110 m厚顶柱地表垂直位移等值线Fig.7 Surface vertical displacement contour of 110 m thick crown pillar

图8 不同矿柱厚度下地表中部最大沉降量Fig.8 The maximum settlement of middle surface under different thickness pillars

3.3 预设顶柱不同厚度下地表水平位移结果

图9 180 m厚顶柱地表水平位移等值线图Fig.9 Surface horizontal displacement contour contour of 180 m thick crown pillar

图10 160 m厚顶柱地表水平位移等值线图Fig.10 Surface horizontal displacement of 160 m thick crown pillar

根据图9～11结果，留设180 m顶柱，地表最大水平位移约为58 mm，地表最大水平变形约为0.24 mm/m；留设160 m顶柱地表最大水平位移约为61 mm，地表最大水平变形约为0.29 mm/m；留设110 m顶柱下地表最大水平位移约为63 mm，地表最大水平变形约为0.52 mm/m。根据相关规定，地表满足I类保护等级要求时，地表水平变形最大不允许超过2 mm/m，由水平变形计算结果可知，预设顶柱厚度为180 m、160 m及110 m均满足规范要求。另据图12地表中部水平位移曲线对比结果，预设顶柱不同厚度下地表水平位移曲线对比结果，顶柱预设厚度越小，地表水平位移值越大，地表水平变形值也越大。