上向分段充填开采覆岩移动变形及影响范围预测——以贵州某磷矿为例

高 林,芦庆和,梁 维,申业兴,刘鹏泽,赵世毫

(1.贵州大学 矿业学院,贵州 贵阳 550025;2.中国矿业大学(北京) 煤炭行业巷道支护与灾害防治工程研究中心,北京 100083;3.贵州大学 喀斯特地区优势矿产资源高效利用国家地方联合工程实验室,贵州 贵阳 550025;4.贵州理工学院 矿业工程学院,贵州 贵阳 550003)

0 引言

磷矿作为非碎屑沉积岩,是一种重要的非金属矿产资源,主要用于化工和农业生产[1-2]。贵州磷矿资源储量丰富,居全国第二位,且赋存较为集中,主要分布在开阳、息烽、瓮安及福泉等地[3-5],多矿井相邻集中开采的情况比较常见。已有研究表明,井工矿山开采过程中形成的岩体移动范围会对邻近矿山开采造成影响,如削弱矿区及邻近范围内地表边坡的稳定性、诱发地表移动变形与破坏等[6],对自身及周边矿井的安全产生重大影响[7-9]。为此,国家矿山安全监察局在2022年印发的《金属非金属矿山重大事故隐患判定标准》中指出,相邻矿山开采岩体移动范围存在交叉重叠等相互影响时,未按设计留设保安矿(岩)柱或者采取其他措施的视为重大事故隐患。因此,金属、非金属地下矿山建设和生产过程中必须分析并圈定矿山开采岩体移动范围,从而为留设保安矿(岩)柱或者采取其他措施提供依据。

近年来,一些学者[10-12]对井工矿山开采地表沉陷规律展开了研究,结合下沉、水平移动、倾斜、曲率等参数对地表沉陷规律进行了分析,并提出了针对性的措施和建议。如程立年等[13]对“三下”开采移动带内地表稳定性进行了分析,采用概率积分法计算出了矿山安全开采深度;贺跃光等[14]研究发现地表开采沉陷在受自重应力作用影响的同时,还受构造应力作用和矿层倾角大小、顶板岩体节理发育程度与结构形式、开采方法与放矿规律等的影响;廖宝泉等[15]通过对不同充填体灰砂质量比和充填率影响下的地表移动进行了模拟,得出膏体充填开采下覆岩移动角会随着覆岩水平高度的增加而逐渐增大;许梦国等[16]分析了塌陷坑移动角和远近地表围岩随开采深度的变化规律。以上学者从安全开采深度、构造应力作用、不同充填率等方面对地表移动变形破坏进行了研究,为矿山地表沉陷、移动变形等问题提供了有益参考。然而,现有研究大多集中在矿井开采引起的地表移动变形、沉陷分析及监测等方面,针对矿山开采岩体移动范围对相邻矿山的影响鲜有提及。因此,本文以贵州A磷矿为例,采用理论计算与数值仿真分析相结合的方法,对上向分段充填开采后的地表移动变形及岩体移动对相邻矿山的影响范围进行了分析和预测,以期为类似条件下多个磷矿相邻开采的优化提供参考。

1 矿井概况

1.1 地质概况

贵州A磷矿矿区面积0.427 3 km2,开采深度为+1 300～+900 m标高,矿区内总体地形为一东高西低、向北西倾斜的斜坡,矿区环境较复杂,同时与B、C、D磷矿相邻(见图1)。矿区含磷岩组为陡山沱组,由磷块岩、白云岩、硅质岩等组成,矿体平均倾角83°,为急倾斜矿体。矿层由两层磷块岩矿层组成(见图2),a层矿平均厚度18.17 m,b层矿平均厚度15.54 m,总体趋势是东厚西薄。

图1 矿区相邻位置关系

图2 矿层特征图

1.2 开采现状及接续计划

设计中将A磷矿划分为一采区和二采区两个采区,其中一采区已开采完毕,形成了采空区;二采区为当前开采区域,矿体开采标高为+980～+900 m,按照矿体赋存条件及矿山实际情况,将二采区划分成4个分段开采,即+900 m、+920 m、+937 m、+951 m分段,分段垂高14～20 m。采用上向分段充填采矿法开采,矿房长度为10～25 m。首采分段为+900 m分段,矿房内开采顺序是先采b层矿,再采a层矿。

2 地表移动变形理论计算

2.1 概率积分法

概率积分法又称随机介质理论法,是一种以随机介质理论为基础的开采沉陷预计方法,是目前较为成熟、应用最广泛的地表移动变形预计方法[17]。该方法是由我国学者刘宝琛等[18-20]在随机介质理论的基础上逐步完善发展而来的。依据概率积分法原理,地表最大倾斜变形imax、最大水平变形εmax、最大曲率Kmax与地表最大下沉值Wmax、开采深度H及主要影响角正切值tanβ之间存在如下关系:

Wmax=mqcosα,

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中:m表示矿层厚度,m;q表示下沉系数,根据矿区实际测量资料确定;α表示矿层倾角,(°);r表示采空区边界地表主要影响范围半径,m;tanβ为主要影响角的正切值;b表示水平移动系数,按矿区实际测量资料确定。

2.2 计算结果分析

根据该矿地质资料及实际生产条件,本文分析的开采区域矿体主要由17#勘探线控制,取下沉系数q为0.04、主要影响角正切值tanβ为1.5、水平移动系数b为0.25,与其余相关参数值一并代入式(1)-式(5),计算得出地表下沉量、倾斜值、曲率值、水平变形值等(见表1)。

表1 地表移动变形计算结果

由表1可知,A磷矿a层矿、b层矿开采后地表移动变形产生的最大区域地表倾斜值、水平变形值和曲率值均未达到GB 50771-2012《有色金属采矿设计规范》规定的地表变形临界值,因此,预测A磷矿在a层矿、b层矿开采完毕后,整体上不会在地表产生大的移动变形。

3 地表移动变形数值仿真分析

3.1 数值仿真模型建立

采用FLAC3D建立数值仿真模型,开展A磷矿上向分段充填开采对地表影响范围的模拟分析。为使模型最大程度地接近真实情况,依据地质资料,并结合A磷矿与各勘探线位置关系建立数值模型(见图3)。模型x方向与勘探线平行,长度1 500 m;y方向与勘探线方向垂直,长度1 000 m;z方向为竖直方向,最低标高为600 m。模型共划分为41 175个单元和50 128个节点。

图3 三维数值仿真模型

通过开展井下工程地质调查及岩石力学室内试验,并采用Hoek-Brown经验公式对各项参数进行折减,同时参考区域内其他矿山数据,综合确定模型岩石物理力学参数(见表2)。

表2 岩石物理力学参数

3.2 分析计算

分析过程中采用建(构)筑物损坏等级评判标准来验证移动范围内的沉降变形。目前,矿山回采作业面主要集中于+900～+920m水平,采用充填法处理采空区。结合图3对各分段进行模拟开采,同时为便于分析A磷矿各分段开采后对地表的影响,分别在模型地表位置布置一号测线(x方向)和二号测线(y方向)(见图4)。

图4 模型地表测线布置图

根据各监测点的水平位移和竖直位移数值仿真数据,可计算得出相邻监测点的水平变形值和倾斜变形值,计算公式[21]如下:

(6)

(7)

(8)

式中:in为地表n点的倾斜值,mm/m;Tn+1、Tn分别为地表n点和n+1点的下沉值,mm;Kn为地表n点的曲率值,mm/m2;Dn～n+1为地表n点和n+1点的水平距离,m;εn为地表n点的水平变形值,mm/m;Hn+1、Hn分别为地表n点和n+1点的水平移动值,mm。

3.3 模拟结果分析

将一号、二号测线测得的位移代入式(6)-式(8)计算得到+900、+920、+937、+951 m分段开采后的地表位移变化(见图5)。由图5可以看出:沿y方向的倾斜值比沿x方向的倾斜值大,最大值0.12 mm/m为+900 m分段开采后的地表倾斜值;各分段沿y方向倾斜值按开采顺序依次减小,沿x方向倾斜最大值出现在+937 m分段,为2.74×10-2mm/m;沿x、y方向水平变形最大值均出现在+951 m分段,最大值为1.93×10-2mm/m,且变形值呈逐渐增大的趋势。

图5 各分段开采后地表位移变化图

因文章篇幅所限,以下仅给出+951 m分段开采后的地表位移变形云图(见图6、图7)。

图6 +951 m分段开采后地表垂直位移变形云图

图7 +951 m分段开采后地表位移与矿界相对位置示意图

从图中7可以看出,地表整体位移变形主要集中在矿井范围内,紧邻C磷矿,地表沿x方向的水平位移最大值约为9.9 mm,沿y方向的水平位移最大值约为0.5 mm,沿z方向的垂直位移最大值为83.5 mm,地表总体最大位移量约为84 mm。

计算出+951 m分段开采后该区域下沉盆地的地表倾斜值、曲率、水平变形值,从x、y方向算得最大地表倾斜值、曲率、水平变形值分别为:x方向倾斜值1.36×10-2mm/m、曲率5.77×10-5mm/m2、水平变形值1.1×10-2mm/m;y方向倾斜值6.02×10-2mm/m、曲率1.2×10-4mm/m2、水平变形值1.93×10-2mm/m。

根据式(6)-式(8),并结合数值模拟结果计算得出不同开采时期的地表变形值(见表3)。由表3可知,A磷矿各分段开采后的地表最大倾斜值为0.12 mm/m、最大水平变形值为0.019 3 mm/m,均未达到GB 50771-2012规定的地表变形临界值。因此,A磷矿现阶段开采引起的地表变形整体上较小,初步预测对相邻的B磷矿、C磷矿及D磷矿开采影响程度较弱。

表3 不同开采时期的地表变形值

4 岩体移动对相邻矿山影响范围的预测分析

由于岩体长期强度和采空区稳定性的时间效应,现阶段地表位移较大的区域有可能成为矿山长期开采潜在的地表移动范围,对比数值仿真地表移动变形区域,并结合位移变化可预测得出A磷矿各分段在上向充填开采后岩体移动对相邻矿山的影响范围(见图8)。

当开采+900 m分段矿体时,矿体埋深大于400 m,地下开采对地表影响程度较小,潜在的开采移动影响范围主要在16#-17#勘探线之间,影响范围呈类椭圆形[见图8(a)],长轴方向长约547 m,短轴方向长约434 m,扩展到C磷矿矿界内约175 m。由该矿地质资料可知,该区域为矿井主要开采部分,受采掘影响,上覆老采空区发生下沉,且采空区上方为高陡山体边坡,为潜在的开采移动影响范围。

当开采+920 m、+937 m分段矿体时,下分段采空区已完成充填,此时C磷矿受到的影响范围较大,该区域地形为高边坡并向A磷矿矿井延伸,因此随着开采范围的扩大,形成的潜在开采移动影响范围逐渐向C磷矿扩展,由175 m增加到189 m,而长轴方向由530 m增加到601 m,整体影响范围分别呈类椭圆形[见图8(b)]、类三角形[见图8(c)],对B磷矿的影响逐渐变小。

当开采+951 m分段矿体时,上覆地层所受扰动范围和程度亦增大,位移变化最大值处向南移动,同时影响范围再次扩展到相邻的C磷矿,整体影响范围呈类三角形[见图8(d)],长轴方向长约683 m,短轴方向长约400 m,下部影响范围扩展到距矿界约189 m处。矿井所处区域地势为北高南低、东高西低,主要开采范围处于该磷矿左部边界处,此处地表为高陡边坡并向北延伸至相邻矿井,因此潜在的开采移动影响范围向B磷矿扩展。开采+951 m分段矿体时,因矿脉倾斜向下,老采空区位于矿井右翼边界处,此处地表由D磷矿一路延伸而来形成高陡边坡,因此潜在的开采移动影响范围再次向D磷矿扩展。

图8 各分段依次开采后岩体移动对相邻矿山影响范围预测

5 开采建议

综合理论计算和数值仿真分析可知,相比于其他矿井而言,A磷矿开采后对C磷矿的影响范围最大,B磷矿次之,D磷矿相对较小。因此,提出如下开采建议:

a.后期开采过程中要重点加强因A磷矿开采岩体移动对C磷矿影响的预测预警工作。

b.相邻矿井应重视本矿山处于A磷矿开采岩体移动影响范围内的矿山压力管理工作,严格按照设计留设相应保护矿(岩)柱,加强影响区域采场和巷道支护。

c.由于A磷矿+980 m以上存在采用空场法处理的历史遗留采空区,采空区内留设有矿柱支撑顶板,但随着时间的推移,采空区围岩应力重新分布,矿柱有可能因应力集中产生疲劳破坏导致顶板冒落,从而影响采空区的稳定性,故建议矿山在今后开采过程中加强对矿区范围矿层露头一带高陡边坡的巡查以及地表变形监测工作,以确保矿山开采安全;应加强与相邻矿井的信息沟通,一旦发现因开采岩体移动导致的异常情况可能影响相邻矿井的建设和生产安全时,立即向其发出预警,并及时报告矿山安全监管监察部门。

6 结论

a.采用概率积分法对A磷矿开采后的地表移动变形进行计算,结果显示该磷矿现阶段开采后整体上不会产生大的地表移动变形。

b.采用FLAC3D建立三维数值仿真模型,模拟分析得出A磷矿各分段上向充填开采后的地表总体最大位移量约为84 mm、最大倾斜变形值为0.12 mm/m、最大水平变形值为0.019 3 mm/m,均未达到GB50771-2012规定的地表变形临界值。

c.对A磷矿现阶段开采引起的岩体移动影响范围进行预测,相比于其他矿井,A磷矿开采后的岩体移动对C磷矿的影响最大,B磷矿次之,D磷矿相对较小。

d.综合理论计算和数值仿真分析结果,建议下一步开采过程中应重点加强因A磷矿开采岩体移动对C磷矿影响的预测预警工作。相邻矿井应重视本矿山处于A磷矿开采岩体移动影响范围内的矿山压力管理工作,严格按照设计留设保护矿(岩)柱,加强影响区域采场和巷道支护。同时,加强对A磷矿矿区范围矿层露头一带高陡边坡的巡查以及地表变形监测工作。