深部大采宽条带开采地表移动破坏规律研究

2022-10-25张贵银史玉林尚继斌

铜业工程 2022年4期

张贵银，史玉林，尚继斌

（1.中国黄金集团建设有限公司，北京 100020；2.烟台金曼投资有限公司，山东栖霞 265300；3.山东金邑矿业有限公司，山东潍坊 261000）

1 引言

自20世纪60年代，我国已开始应用条带采矿法开采“三下”（建筑物下、水体下、铁路下）压矿［1］，部分矿区对开采后地表移动变形进行监测，根据监测数据和开采沉陷，总结出一套全采与条带开采岩移参数公式。随着采矿设备的发展和理论创新，条带开采方法对于采深大于500m的矿体也具有良好的适应性，深部条带开采宽度与开采深度的比值一般也较小，可以认为采动不充分。但是，按照前人总结的条带开采岩移参数经验公式计算的地表移动变形，与深部开采实际大相径庭［2］，例如在采用概率积分法预估深部条带开采地表移动变形时［3］，个别岩移参数甚至出现负值。随着浅部资源消耗殆尽，深部资源开采量占比逐年上升。为保护地表免受开采破坏，“三下”压覆资源利用率极低，矿产资源浪费严重，并且深部采动影响对地表的损害日渐显现［4］，生态环境破坏事件时有发生［5］，故采用条带开采方法研究开采深部矿体造成的地表岩移破坏规律迫在眉睫。

2 某矿条带开采岩移参数选取及其问题分析

某矿主要开采3#矿体，矿体平均赋存深度740m，矿体倾角平均为6°，矿体平均厚度7.3m，设计一期（3101、3103、3105工作面）条带开采宽度70m，保留矿柱宽度140m，为在限制地表变形条件下最大限度回收矿产资源［6］，二期（3102、3104工作面）设计在一期保留矿柱采空区一侧再开采50m，合计条带开采宽度120m，保留矿柱宽度90m，条带综合采出率为57.1%，工程布置见图1。

图1 二次条带开采工程布置示意图

根据全面开采和条带开采的矿山地表移动观测数据可知，全采和条带开采具有相似性。所以目前条带开采岩移参数是基于全采岩移参数选取，并结合经验公式计算条带开采岩移参数，然后根据矿山开采实际对计算结果进行修正，最终采用概率积分法计算修正后的地表移动变形破坏［7］，目前普遍认可的岩移参数计算公式见表1。

表1 条带开采地表移动参数计算经验公式

式中，η为下沉系数；B为水平移动系数；tgβ为主要影响角的正切；S为拐点偏移距；a为保留矿柱宽度，取140-50=90m；b为条带开采宽度，取70+50=120m；H为平均开采深度，取740m；t为条带开采；q为全面开采；ρ为设计采出率，取ρ=b/(a+b)=57.1%；

该矿覆岩抗压强度加权平均值为56.5MPa，属中硬顶板，按照《三下压煤开采规程》覆岩分类确定ηq为0.78；水平移动系数Bq为0.25～0.30，取0.28；主要影响角正切tgβ=1.92～2.4，取2.4；拐点偏移距S取85。开采沉陷模拟采用FLAC3D数值计算软件，结果表明最大下沉量达6.04m，ηq为0.755，达到设计标准的97%，最大水平移动量1.67m，Bq=0.276，达到了设计标准。因此，全采参数选取合理。

根据公式（1）、（2），并结合3102/3104工作面二次条带开采岩移参数计算结果，二次条带开采深度已超出岩移参数预计经验公式适用范围（采深H≤500m），导致计算结果偏差较大，具体情况见表2。

表2 条带开采地表移动参数计算结果

结果表明，公式（1）、（2）在该采区地表移动破坏计算中存在以下问题：

（1）即便是同一个矿区在相同开采条件下按照两个公式分别计算，计算结果仍存在显著差异，如公式（2）中下沉系数η值是公式（1）的1.4倍；

（2）当矿体深度大于500m时，公式（1）计算的水平移动系数B小于零，公式（1）、（2）计算的条带开采tgβ值都偏小，且公式（2）计算值约为公式（1）的10倍。

基于上述问题，说明以往浅部条带开采的经验公式对该矿深部厚矿体适用性差，需要对该矿二次条带开采地表移动破坏规律进一步探索。

3 深部条带开采岩移参数回归分析

3.1 下沉系数

采空区塌陷下沉会对地表产生较大的不良影响，下沉系数η决定了开采后地表下沉情况。条带开采中下沉系数选取的合理性对开采设计、开采后地表塌陷下沉的破坏评价影响较大［8］，通过对深部条采ηt和全面开采ηq的比值进行计算，便可以计算出条带开采下沉系数ηt［9］。表3统计了国内部分深部开采矿山地表移动变形数据［10］。

表3 国内部分矿区ηt/ηq与采厚M关系表

根据表3数据绘制散点图，对ηt/ηq与采厚M进行相关性曲线拟合。由图2可知，随着采厚M的增大，条带开采与全面开采下沉系数ηt/ηq呈指数函数减小。

图2 ηt/ηq与采厚M拟合曲线

根据回归分析可得：

根据表4数据绘制散点图，对ηt/ηq与采深H进行相关性曲线拟合。由图3可知，随着采深H的增大，条带开采与全面开采下沉系数ηt/ηq大致呈对数函数增大。

表4 国内部分矿区ηt/ηq与采深H关系表

图3 ηt/ηq与采深H拟合曲线

根据回归分析可得：

根据表5数据绘制散点图，并对ηt/ηq比值与采出率ρ的相关性进行拟合。由图4可知，条带开采采出率集中在40%～60%，当采出率超过65%时，ηt/ηq增长较快，ηt/ηq与采出率ρ呈幂函数关系，如式（5）所示。

表5 国内部分矿区ηt/ηq与采出率ρ关系表

图4 ηt/ηq与采出率ρ拟合曲线

根据表6数据绘制散点图，并对ηt/ηq比值与bH/a的相关性进行拟合，结果如图5所示，ηt/ηq比值随着bH/a的变化呈对数函数关系，如式（6）所示。

表6 国内部分矿区ηt/ηq与bH/a关系表

图5 ηt/ηq与bH/a拟合曲线

经过对上述部分矿区条带开采观测岩移下沉系数回归分析，综合各因素影响可得：

3.2 其他岩移参数分析

同理，可得条带开采与全面开采水平移动系数Bt/Bq、主要影响角正切tgβt/tgβq和拐点偏移距St/Sq等地表移动破坏预计参数比值［7］。

本节统计回归公式，相关参数易确定，计算过程简便，具有良好的操作性，且经过与部分深部开采矿山实测数据对比，上述式（7）～（10）对深部厚矿体条带开采安全评价适用性强。

根据该矿覆岩力学性质及三维数值模拟计算，该矿全面开采下沉系数ηq为0.78，水平移动系数Bq为0.27，代入式（7）～（10），计算出某矿二期条带开采岩移预计参数见表7。

表7 二次条带开采沉陷预计参数

4 工程应用

4.1 地表移动破坏计算

矿体开采后对地表破坏影响主要有下沉、水平变形值、曲率和倾斜［11］。根据表7选取的参数和二次条带开采方案，利用surfer软件计算二次条带开采后地表移动破坏影响，计算结果表明：地表村庄民房在Ⅰ级损害范围内，具体地表移动破坏情况见表8，说明二次条带工作面的设计是合理的。

表8 地表移动变形情况

4.2 覆岩沉陷模拟与地表移动变形观测分析

为验证地表变形值是否在Ⅰ级破坏范围内，采用FLAC3D软件对开采后覆岩垂直位移进行数值模拟［12-14］，矿体上覆岩层垂直位移如图6所示。结果表明：二次条带开采后地表最大下沉值为180mm，地表村庄位于下沉盆地中部，下沉后地表标高在潜水位以上，地表下沉对地表建筑物影响较小。同时在村庄地表布置4条观测线进行岩移观测［15］，地下采区与观测线相对位置见图7。