吳清明 曹敏 嚴(yán)鵬

摘要：二道溝礦以急傾斜極薄礦脈為主，開采深度已達(dá)1 500 m，深井開采時(shí)地壓活動(dòng)加劇，采動(dòng)影響增加。根據(jù)巖體力學(xué)理論，應(yīng)用Midas-GTS軟件，通過數(shù)值分析，研究了深井開采高應(yīng)力環(huán)境影響下地表移動(dòng)的規(guī)律。對(duì)于二道溝礦區(qū)的地質(zhì)及巖石條件，在采用淺孔留礦采礦法開采的中段，地表下沉量持續(xù)增加，開采到420 m中段時(shí)，地表最大下沉量達(dá)到7 mm左右，繼續(xù)向深部開采，地表下沉量趨于穩(wěn)定。深井開采對(duì)地表移動(dòng)影響甚微，地表最大下沉量小于8 mm，未達(dá)到傳統(tǒng)邊界角的劃定邊界。

關(guān)鍵詞：深井開采;急傾斜極薄礦脈;地表移動(dòng);數(shù)值分析;Midas-GTS

中圖分類號(hào)：TD323文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-1277（2020）06-0040-04?doi：10.11792/hj20200609

引?言

隨著黃金礦山地下開采不斷向深部發(fā)展，急傾斜極薄礦脈開采引起的巖層移動(dòng)問題，具有與傾斜、緩傾斜礦體開采及淺部開采造成巖層移動(dòng)特征不同的特點(diǎn)，因此，成為采礦界關(guān)注的研究方向之一[1-2]。巖層及地表移動(dòng)的主要影響因素包括地質(zhì)條件（如礦巖力學(xué)性質(zhì)、礦體產(chǎn)狀與埋深、地形地貌及覆蓋層情況等）和采動(dòng)狀態(tài)（如開采范圍、采礦方法、重復(fù)采動(dòng)等）[3]。一般來說，在礦巖條件一定時(shí)，隨著采動(dòng)范圍的擴(kuò)大，采場(chǎng)地壓會(huì)增大，圍巖穩(wěn)定性會(huì)受到影響，繼而發(fā)生一定程度的巖層位移。地下采場(chǎng)開挖空間是一種極其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)物，其圍巖巖體具有非均質(zhì)、非線性、不連續(xù)加卸載條件、邊界條件復(fù)雜等特征[4]。

對(duì)于礦山開采過程中巖層及地表的移動(dòng)，傳統(tǒng)的研究方法是利用有關(guān)儀器設(shè)備取得大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，然后采用相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行分析。隨著計(jì)算機(jī)及數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，利用有關(guān)數(shù)值模擬方法進(jìn)行巖層及地表移動(dòng)分析，尤其是復(fù)雜條件下的巖層及地表移動(dòng)分析更為精確及時(shí)。常用的數(shù)值模擬方法有多種，有限單元法在處理復(fù)雜條件下的巖層及地表移動(dòng)問題時(shí)更具有優(yōu)越性。Midas-GTS是將通用的有限元分析內(nèi)核與巖土結(jié)構(gòu)的專業(yè)性要求有機(jī)結(jié)合而開發(fā)的三維數(shù)值分析軟件，其技術(shù)成熟，直觀可視[5]。

中國(guó)黃金集團(tuán)夾皮溝礦業(yè)有限公司（下稱“夾皮溝礦業(yè)公司”）二道溝礦與長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司合作開展了“二道溝礦地下開采巖移研究”項(xiàng)目，這一研究對(duì)正確認(rèn)識(shí)和掌握急傾斜極薄金礦脈深井開采引起巖層及地表移動(dòng)特性，合理安排礦山開采具有重要意義。

1?礦山開采概況

二道溝礦是夾皮溝礦業(yè)公司的主力礦山，開采急傾斜極薄礦脈，目前開采深度已超過1 500 m。深井開采時(shí)地壓活動(dòng)加劇，采動(dòng)影響增加[6]，因其引起的巖層及地表移動(dòng)是礦山十分關(guān)注的問題。

1.1?礦山地質(zhì)

夾皮溝礦業(yè)公司二道溝礦地處長(zhǎng)白山系威虎嶺南端。礦區(qū)最高標(biāo)高694 m，最低侵蝕基準(zhǔn)面標(biāo)高538 m，最大相對(duì)高差156 m，地貌特征屬構(gòu)造剝蝕低山區(qū)。

礦區(qū)大地構(gòu)造位置處于天山—陰山東西向構(gòu)造帶東端與新華夏系第二隆起帶張廣才嶺交接地段，是輝南—樺甸—和龍金鐵成礦帶中部主要的金礦集中區(qū)和產(chǎn)金基地。

二道溝礦床位于啞鈴狀鉀質(zhì)花崗巖上盤接觸帶。礦體呈脈狀和似板狀產(chǎn)出，以石英脈為主，呈北西向分布，傾向?yàn)楸睎|向50°±，傾角58°～87°?？刂频墓I(yè)礦體總延長(zhǎng)675 m，總延深1 210 m。礦體最大厚度5.15 m，平均厚度1.50 m，礦體深部變薄，平均厚度0.53 m。礦體上盤圍巖為各種片麻巖，包括混合片麻巖、細(xì)粒斜長(zhǎng)片麻巖、斜長(zhǎng)片麻巖及碎裂巖等，下盤圍巖以斜長(zhǎng)角閃巖為主。

目前，主要開采深部新1號(hào)礦體和12號(hào)礦體。礦體均受壓扭性斷裂構(gòu)造控制，主要賦存在斜長(zhǎng)角閃巖與角閃斜長(zhǎng)片麻巖接觸帶的擠壓蝕變斷裂帶中。新1號(hào)礦體沿走向最大連續(xù)延長(zhǎng)750 m，最大見礦深度在-602 m標(biāo)高;礦體走向350°～360°，傾向80°～90°，傾角70°～80°，平均厚度0.71 m。12號(hào)礦體在690 m中段沿脈控制長(zhǎng)度400 m;礦體走向335°～350°，傾向65°～80°，傾角65°～75°，平均厚度0.47 m。

礦體與圍巖均屬堅(jiān)硬—極堅(jiān)硬巖石，構(gòu)造條件簡(jiǎn)單，圍巖穩(wěn)定性好，工程地質(zhì)條件屬簡(jiǎn)單類型。礦山水文地質(zhì)條件也屬簡(jiǎn)單類型。

1.2?開采現(xiàn)狀

二道溝礦采用平硐-豎井-盲豎井聯(lián)合開拓。豎井采用三段提升，明豎井（一段提升）開拓0 m～240 m中段，一盲井（二段提升）開拓240 m～690 m中段，二盲井（三段提升）開拓690 m～1 500 m中段。

采礦方法以削壁充填采礦法為主，當(dāng)脈厚大于0.8 m時(shí)采用干式充填法。淺部510 m中段以上礦脈比較厚，采用淺孔留礦采礦法開采。目前開采至1 365 m中段。

1.3?地表采動(dòng)影響現(xiàn)狀

二道溝礦區(qū)多為林地，植被覆蓋率高，對(duì)礦體露頭部分也未開采，最淺0 m中段距地表平均距離約20 m，經(jīng)對(duì)礦區(qū)周邊多點(diǎn)多次踏勘，未發(fā)現(xiàn)明顯塌陷區(qū)域及巖層移動(dòng)產(chǎn)生的裂縫，礦山的地下開采工程對(duì)地表基本無(wú)影響。

2?地表移動(dòng)數(shù)值模擬分析

2.1?巖石力學(xué)性質(zhì)

二道溝礦區(qū)礦體圍巖為角閃巖和混合片麻巖，利用MTS-815全數(shù)字型液壓伺服控制巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)2種巖石取樣試驗(yàn)，分別得到巖石的單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和泊松比等力學(xué)參數(shù)，結(jié)果見表1。

2.2?計(jì)算模型及參數(shù)

采用具有良好前處理建模功能的Midas-GTS有限元軟件建立計(jì)算網(wǎng)格。

根據(jù)地表地形圖、井上下對(duì)照?qǐng)D及0 m～1 365 m中段的各中段平面圖，建立數(shù)值計(jì)算模型，研究區(qū)域數(shù)值模型見圖1。數(shù)值計(jì)算模型尺寸為：長(zhǎng)1 700 m，寬1 300 m，最大高度約2 100 m（包括地表），共劃分為475 203個(gè)節(jié)點(diǎn)和83 727個(gè)單元。

計(jì)算過程采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型。邊界約束條件為：模型四周約束水平位移，模型底部約束垂直位移，上部地表為自由表面，模型主要考慮角閃巖及混合片麻巖物理力學(xué)參數(shù)（見表1）。

2.3?計(jì)算方案

根據(jù)礦山由上向下逐個(gè)中段開采的順序，目前主要開采對(duì)象為新1號(hào)礦體，礦體平均厚度0.71 m，傾角70°～80°，傾向80°～90°，走向350°～360°，位于14勘探線—15勘探線，總體上呈比較規(guī)則的單脈產(chǎn)出。淺部240 m～510 m中段采用淺孔留礦采礦法開采并回收了殘礦而遺留為采空區(qū)，510 m中段以下主要采用削壁充填采礦法開采。礦體模型見圖2。

數(shù)值模擬分54步計(jì)算，首先計(jì)算初始應(yīng)力平衡，之后分別計(jì)算各中段采動(dòng)影響。2～7步計(jì)算240 m中段及以上淺部礦體的開采影響;8～14步計(jì)算285 m～465 m中段開采1號(hào)、2號(hào)、新1號(hào)、0號(hào)礦體的影響;15～18步計(jì)算510 m～555 m中段開采1號(hào)、2號(hào)、新1號(hào)礦體的影響;19～54步計(jì)算600 m～1 365 m中段開采新1號(hào)礦體的影響，同時(shí)考慮對(duì)采用削壁充填采礦法開采的各中段進(jìn)行充填模擬。除0 m～240 m各中段高度為40 m外，其他中段高度皆為45 m，中段分布情況見圖2。

2.4?地表影響分析

通過對(duì)模擬計(jì)算結(jié)果的分析，發(fā)現(xiàn)二道溝礦地表移動(dòng)變形值未達(dá)到移動(dòng)角邊界界定值，不能劃定傳統(tǒng)定義的移動(dòng)角;最大下沉值不到8 mm，也未達(dá)到傳統(tǒng)邊界角的劃定邊界（10 mm），同樣不能劃定傳統(tǒng)意義的邊界角。

為了直觀描述礦山地下開采對(duì)地表的影響趨勢(shì)及擴(kuò)張方向，定義下沉量2 mm為下沉邊界來分析。模型計(jì)算的二道溝礦開采過程中地表下沉的部分典型等值線見圖3～7。

從圖3可以看出：240 m中段開采結(jié)束時(shí)，傾向影響范圍約400 m，走向方向約405 m，最大下沉量約6.6 mm。

從圖4可以看出：420 m中段開采結(jié)束時(shí)，傾向影響范圍約478 m，走向方向約506 m，最大下沉量約7.4 mm。

從圖5～7可以看出：690 m、870 m及1 365 m中段的下沉區(qū)規(guī)模及下沉量無(wú)明顯變化，傾向影響范圍約603 m，走向方向約601 m，最大下沉量約7.8 mm。

反映各中段開采過程中地表最大下沉量的曲線（見圖8）能看出其變化規(guī)律。從圖8可以看出：明豎井開采階段（綠色箭頭）最大下沉量變化速度較快，進(jìn)入一盲井開采階段（藍(lán)色箭頭）最大下沉量變化速度趨于緩和，二盲井開采階段（橙色箭頭）基本維持不變。

由于淺部礦體采用淺孔留礦采礦法開采，并回收了殘礦，在明豎井段形成采空區(qū)，是礦區(qū)地表下沉量增加相對(duì)較快的時(shí)期，地表形成一個(gè)似橢圓的下沉區(qū)域，但下沉量較小，最大下沉量?jī)H為6 mm左右;在一盲井開采階段（285 m～690 m中段），由于上部中段仍繼續(xù)采用淺孔留礦采礦法開采，地表下沉量繼續(xù)增加，在開采到420 m中段時(shí)，地表最大下沉量達(dá)到7 mm左右，繼續(xù)向深部開采，地表下沉量趨于穩(wěn)定。

3?結(jié)?論

1）通過計(jì)算分析得知，二道溝礦深井開采對(duì)礦山地表影響甚微，地表最大下沉量在420 m中段開采結(jié)束時(shí)趨于穩(wěn)定，最大下沉量未超過8 mm，與地表實(shí)地踏勘情況相符，不能劃定傳統(tǒng)意義的邊界角，或者說難以用傳統(tǒng)意義上的邊界角來解釋二道溝礦開采與地表移動(dòng)的關(guān)系。

2）由于二道溝礦在420 m中段向下開始采用削壁充填采礦法開采，加之開采深度加深，地下開采對(duì)地表的影響越來越小，420 m～1 365 m中段開采過程中，地表最大下沉量沒有增加且一直維持在8 mm以下，主要變化在于下沉量2 mm的等值線范圍局部擴(kuò)大，但是對(duì)地表影響甚微。這一定程度上說明，對(duì)于如二道溝礦這種急傾斜極薄礦脈，其深部開采對(duì)地表移動(dòng)基本無(wú)影響。

3）深井開采時(shí)地應(yīng)力增大，地壓活動(dòng)加劇是客觀存在的，在采礦生產(chǎn)過程中要加強(qiáng)開采順序、采準(zhǔn)結(jié)構(gòu)、采充工藝的綜合協(xié)調(diào)，防止巖層移動(dòng)的發(fā)展。

[參 考 文 獻(xiàn)]

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