張?bào)K,張炳一

(1.安徽馬鋼礦業(yè)資源集團(tuán)姑山礦業(yè)有限公司,安徽 馬鞍山市 243011;2.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410083)

0 引言

礦產(chǎn)資源是推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與社會(huì)進(jìn)步的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。地下礦產(chǎn)資源的開采使得地下礦體區(qū)域出現(xiàn)空洞,圍巖的原始應(yīng)力平衡被破壞,應(yīng)力重新分布,巖層會(huì)發(fā)生破壞,出現(xiàn)變形、開裂、破碎與冒落等[1]。當(dāng)采空區(qū)面積達(dá)到一定范圍的時(shí)候,上方地表將會(huì)產(chǎn)生移動(dòng)與變形,從而引發(fā)地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害。因此對(duì)地下開采引起的地表沉降變形的預(yù)測(cè)顯得極其重要[2]。

白象山鐵礦西部厚大礦體目前回采情況良好,但局部已經(jīng)出現(xiàn)明顯的地壓顯現(xiàn),說明上覆礦巖已經(jīng)出現(xiàn)一定程度的沉降變形。未來隨著更多分層的回采,地壓變化將更加突出,對(duì)地表青山河的影響將更為復(fù)雜。根據(jù)國(guó)內(nèi)外充填法礦山經(jīng)驗(yàn),充填采礦雖然可以最大限度地控制地表移動(dòng)與變形,但由于開采疏水作用,上覆巖層孔隙度增加,加之充填體本身強(qiáng)度遠(yuǎn)低于礦巖體強(qiáng)度,充填一般滯后于采礦,且受工藝限制不可能做到100%充填接頂,事實(shí)上無法完全避免上覆巖層與地表沉降變形。對(duì)于分層進(jìn)路充填,因分層充填不接頂累積效應(yīng),如果上覆巖層穩(wěn)固性差、節(jié)理裂隙發(fā)育,其變形尤其不能忽視[3]。例如國(guó)內(nèi)某礦山采用下向進(jìn)路充填采礦法,充填體強(qiáng)度超過5 MPa,但經(jīng)過三十多年的開采,地表累積沉降達(dá)到3 m;某鐵礦采用與白象山鐵礦相同的采礦方法,地表也出現(xiàn)了不同程度的沉降變形。鑒于西部厚大礦體對(duì)白象山鐵礦生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展的重要性,以及青山河不能受到影響的保護(hù)紅線,必須吸取國(guó)內(nèi)外充填法礦山地表沉降變形經(jīng)驗(yàn),根據(jù)變化的工程地質(zhì)條件,對(duì)地表變形情況進(jìn)行預(yù)測(cè),進(jìn)而可以針對(duì)性地采取控制措施,最大限度抑制上覆巖層和地表沉降變形,確保地表青山河安全[4]。

概率積分法是我國(guó)目前開采沉陷領(lǐng)域科學(xué)研究最常用方法之一,該方法構(gòu)建了地表變形與地下開采空間的關(guān)系模型,在煤礦采空區(qū)地表及巖層殘余變形預(yù)測(cè)方面已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用[5]。本文以馬鋼礦業(yè)資源集團(tuán)白象山鐵礦西部厚大礦體為例,對(duì)傳統(tǒng)概率積分法進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化,用累積不接頂高度代替礦體開采厚度,分別對(duì)采用4種不同的備選采礦方法導(dǎo)致地表的沉降變形進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析,研究成果可為采礦方法的選擇優(yōu)化、礦山的安全生產(chǎn)以及地質(zhì)災(zāi)害防治等方面提供理論支撐。

1 工程概況

白象山鐵礦擁有豐富的優(yōu)質(zhì)磁鐵礦,目前主要生產(chǎn)中段為-470 m、-430 m、-390 m、-330 m,回風(fēng)水平為-270 m。中段內(nèi)沿礦體走向和傾向劃分為7個(gè)盤區(qū),分別為一、二、三、五、六、七、八盤區(qū)。其中西部七、八盤區(qū)厚大礦體規(guī)模大、儲(chǔ)量多、礦體連續(xù)性好,是白象山鐵礦生產(chǎn)能力集中區(qū)域,故稱為“西部厚大礦體”,其安全高效回采對(duì)白象山鐵礦的可持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展至關(guān)重要。

由于白象山鐵礦主礦體賦存在閃長(zhǎng)巖與砂頁巖接觸帶的內(nèi)帶,其形態(tài)受礦區(qū)背斜構(gòu)造控制,沿走向、傾向分布較廣,開采條件復(fù)雜,尤其是地表青山河流經(jīng)西部厚大礦體,所采用的采礦方法及回采工藝技術(shù)方案必須控制地表移動(dòng)與變形,確保青山河安全。對(duì)于充填采礦法,其上覆巖層與地表沉降變形的主要誘因是充填不接頂造成的采場(chǎng)頂板緩慢沉降,不同充填采礦方法其累積充填不接頂率不同[6]。因此,基于充填不接頂累積效應(yīng)對(duì)西部厚大礦體采礦方法和回采工藝進(jìn)行優(yōu)化對(duì)于控制上覆巖層與地表變形具有重要意義[7]。

2 西部厚大礦體采礦方法備選方案

根據(jù)白象山西部厚大礦體實(shí)際情況,可選用的充填采礦方法包括預(yù)控頂上向進(jìn)路充填采礦法、上向水平分層充填采礦法、下向進(jìn)路充填采礦法和分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法。

2.1 預(yù)控頂上向進(jìn)路充填采礦法

該方法(含小分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法)是白象山鐵礦西部厚大礦體當(dāng)前主要應(yīng)用的采礦方法。對(duì)于普通進(jìn)路充填采礦法而言,由于巷道方式采礦的應(yīng)用,安全性好、布置靈活,便于探采結(jié)合,但由于回采進(jìn)路均為獨(dú)頭巷道掘進(jìn),生產(chǎn)效率低、成本高、通風(fēng)困難[8]。為提高進(jìn)路回采效率,根據(jù)白象山鐵礦地下礦山開采實(shí)際情況,提出應(yīng)用預(yù)控頂上向進(jìn)路充填法,進(jìn)路規(guī)格參數(shù)由普通上向進(jìn)路充填法的4 m×4 m 調(diào)整(4～6)m×(6～8)m。

該開采方法的實(shí)質(zhì)是將上向水平進(jìn)路充填法“自下而上單分層回采”變?yōu)椤白韵露想p層合采”,是將空?qǐng)龇ㄅc充填法進(jìn)行技術(shù)性融合,通過預(yù)先加固頂板,下向采礦形成較大空?qǐng)?然后充填的一種采礦方法。其基本特征是:一個(gè)回采單元是由兩個(gè)分層所構(gòu)成的,首先對(duì)上分層,即控頂層進(jìn)行回采,采用支護(hù)等方法對(duì)頂板巖層進(jìn)行加固以后,對(duì)下分層,即回采層進(jìn)行回采工作。當(dāng)兩個(gè)分層回采工作進(jìn)行完畢后,對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填。在同一個(gè)采場(chǎng)中所有上下兩層進(jìn)路回采且充填完成以后,再升層至上兩個(gè)分層,重復(fù)上述工藝流程。

該種采礦方法根據(jù)礦體厚度的不同設(shè)定了兩種進(jìn)路布置。具體而言,即當(dāng)水平厚度大于20～30 m的情況,垂直礦體的走向進(jìn)行布置;若水平厚度低于20～30 m 時(shí),為充分發(fā)揮鑿巖設(shè)備,尤其是鑿巖臺(tái)車的效率,按照礦體走向來進(jìn)行布置,如圖1和圖2所示[9]。本采場(chǎng)所有上下兩層進(jìn)路回采充填完畢后,再升層至上兩個(gè)分層。

圖1 垂直礦體走向布置進(jìn)路的預(yù)控頂上向分層充填采礦法(礦體水平厚度大于20～30 m)

圖2 沿礦體走向布置進(jìn)路的預(yù)控頂上向分層充填采礦法(礦體水平厚度小于20～30 m)

2.2 上向水平分層充填采礦法

國(guó)內(nèi)金屬礦山最常用的為兩步驟回采的機(jī)械化上向水平分層充填采礦法,其特征是:礦體被依次劃分為礦房和礦柱,按照兩步驟對(duì)礦房和礦柱內(nèi)所含有的礦體進(jìn)行開采,即先采礦房,高強(qiáng)度膠結(jié)充填后,第二部回采礦柱并進(jìn)行低強(qiáng)度或非膠結(jié)充填。采場(chǎng)是自下而上分層進(jìn)行回采,每個(gè)分層或者多個(gè)分層被回采完成以后,對(duì)其采空區(qū)進(jìn)行及時(shí)充填,以形成強(qiáng)度后的充填體作為不斷向上開采礦體的作業(yè)空間和平臺(tái)。

這種采礦方法具有回采工程布置比較靈活、對(duì)礦體的適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),一般情況下適用于任何傾角和厚度的頂板和圍巖特性比較穩(wěn)固的礦體。該采礦方法存在的主要問題是工人在較大空?qǐng)鱿伦鳂I(yè),對(duì)于穩(wěn)固性較差的礦床存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn),如圖3所示[10]。

2.3 下向進(jìn)路充填采礦法

下向分層進(jìn)路充填采礦法是1960年代試驗(yàn)成功的一種新型采礦方法,主要適用于相對(duì)不穩(wěn)固、受到地應(yīng)力大的高品位礦體,如圖4所示[11]。

圖4 下向進(jìn)路充填采礦法

2.4 分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法

分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法的基本特征:在某一階段內(nèi)將礦體依次劃分為礦房(一步驟采場(chǎng))礦柱(二步驟采場(chǎng)),仍然采用兩步驟回采。具體而言為先應(yīng)用分段空?qǐng)龇▽?duì)礦房?jī)?nèi)的礦體進(jìn)行回采,進(jìn)行高強(qiáng)度膠結(jié)充填,當(dāng)充填體形成所要求的強(qiáng)度之后,作為人工礦柱來支護(hù)和承載頂板巖層。此后用相同的采礦方法即分段空?qǐng)龇▽?duì)礦柱內(nèi)的礦體進(jìn)行回采工作,隨后采用低強(qiáng)度膠結(jié)充填或非膠結(jié)充填的工藝完成充填工作。兩步驟回采空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ǖ韧趹?yīng)用了空?qǐng)龇ㄅc充填法,因此該方法可以同時(shí)具備以上兩種采礦方法的優(yōu)勢(shì),在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的關(guān)注與應(yīng)用,如圖5所示[12]。

圖5 分段鑿巖階段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘?/p>

3 各備選采礦方法不接頂高度預(yù)測(cè)

在對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填的過程中,由于充填料漿存在坡面角,且井上井下聯(lián)絡(luò)不暢,容易存在進(jìn)路未充滿的現(xiàn)象,且充填體在濾水養(yǎng)護(hù)后存在一定的沉縮性,因此,會(huì)出現(xiàn)充填不接頂現(xiàn)象。根據(jù)白象山鐵礦-390 m 中段七、八盤區(qū)的實(shí)際情況,進(jìn)路的不接頂高度為0.3～1.0 m。預(yù)期通過研究與工程實(shí)施,將預(yù)控頂進(jìn)路不接頂高度控制在0.5 m 以內(nèi),故在后文進(jìn)行理論分析計(jì)算時(shí)取不接頂高度為0.5 m。

3.1 預(yù)控頂上向進(jìn)路充填采礦法

目前白象山使用的預(yù)控頂上向進(jìn)路充填采礦法進(jìn)路高度為8 m,單一進(jìn)路充填后會(huì)在上方出現(xiàn)0.5 m 的不接頂高度,分層內(nèi)進(jìn)路全部回采完畢后會(huì)在整個(gè)盤區(qū)形成大面積的0.5 m 高的不接頂區(qū)域。因?yàn)轭A(yù)控頂上向進(jìn)路充填采礦法在控頂層回采時(shí)采用1/5拱的三心拱,且對(duì)頂板進(jìn)行噴錨網(wǎng)支護(hù),因此在上層回采時(shí)不會(huì)對(duì)下層的充填不接頂區(qū)域造成影響。預(yù)控頂上向進(jìn)路充填采礦法不接頂區(qū)域與上層進(jìn)路關(guān)系如圖6所示。

圖6 預(yù)控頂上向進(jìn)路充填采礦法不接頂區(qū)域與上層進(jìn)路關(guān)系示意

圖7 有限開采時(shí)走采動(dòng)系數(shù)與的關(guān)系

因此每層礦體回采時(shí)均會(huì)出現(xiàn)0.5 m 的不接頂,表1為預(yù)控頂上向水平分層充填采礦法的不接頂計(jì)算結(jié)果。

表1 預(yù)控頂上向水平分層充填采礦法的累計(jì)不接頂計(jì)算結(jié)果

3.2 上向水平分層充填采礦法

若西部厚大礦體改用上向水平分層充填采礦法,上向水平分層充填采礦法上分層作業(yè)時(shí),底板為下分層的充填體,因此不會(huì)在每分層都形成充填不接頂區(qū)域,中段回采完成時(shí)最后分層的充填會(huì)存在不接頂現(xiàn)象。-390 m 中段已經(jīng)回采了第一層,第二層采準(zhǔn)巷道已經(jīng)部分施工,部分區(qū)域已經(jīng)開始回采,因此第二層依然采用預(yù)控頂上向進(jìn)路充填采礦法。-390 m 中段其余礦體均采用上向水平分層充填采礦法。-430 m 中段第一層礦體回采尚未完成,且礦體剩余厚度較少,因此除第一層外,-430 m中段剩余礦體均采用上向水平分層充填采礦法。-470 m 中段礦體只回采了第一層,以上礦體均采用上向水平分層充填采礦法,其不接頂計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 改用上向水平分層充填采礦法的累計(jì)不接頂計(jì)算結(jié)果

3.3 下向進(jìn)路充填采礦法

若西部厚大礦體改用下向進(jìn)路充填采礦法,-390 m 中段五盤區(qū)的下向進(jìn)路充填采礦法試驗(yàn)采場(chǎng)普通層進(jìn)路高度為4 m,因此,厚大礦體采用的下向進(jìn)路充填采礦法進(jìn)路高度也初步定為4 m。-390 m 中段已經(jīng)回采了第一層,第二層采準(zhǔn)巷道已經(jīng)部分施工,部分區(qū)域已經(jīng)開始回采,因此第二層依然采用預(yù)控頂上向進(jìn)路充填采礦法。-390 m 中段其余礦體均采用下向進(jìn)路充填采礦法。-430 m中段第一層礦體回采尚未完成,且礦體剩余厚度較少,因此除第一層外,-430 m 中段剩余礦體均采用下向進(jìn)路充填采礦法。-470 m 中段礦體只回采了第一層,以上礦體均采用下向進(jìn)路充填采礦法,其不接頂計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 改用下向進(jìn)路充填采礦法的累計(jì)不接頂計(jì)算結(jié)果

3.4 分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法

若西部厚大礦體改用分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法,分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法高大空區(qū)整體充填,只會(huì)在空區(qū)上方出現(xiàn)一個(gè)不接頂區(qū)域。-390 m 中段已經(jīng)回采了第一層,第二層采準(zhǔn)巷道已經(jīng)部分施工,部分區(qū)域已經(jīng)開始回采,因此第二層依然采用預(yù)控頂上向進(jìn)路充填采礦法。-390 m 中段其余礦體均采用分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法[13]。-430 m 中段第一層礦體回采尚未完成,且礦體剩余厚度較少,因此除第一層外,-430 m 中段剩余礦體均采用分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法。-470 m 中段礦體只回采了第一層,以上礦體均采用分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法,其不接頂計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 改用分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法的累計(jì)不接頂計(jì)算結(jié)果

4 地表最大沉降變形特征值計(jì)算

對(duì)受開采引發(fā)的采動(dòng)區(qū)周邊巖層或地表的移動(dòng)和變形的特征值進(jìn)行計(jì)算,并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)受礦體開采影響的周邊巖體和地表移動(dòng)和變形在時(shí)間上和空間上的變化規(guī)律進(jìn)行定量研究,對(duì)開采引發(fā)的沉陷研究和礦山實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐具有重要意義,可用于指導(dǎo)建(構(gòu))筑物下的礦體開采實(shí)踐[5]。本研究對(duì)概率積分法進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化,對(duì)于充填采礦法,采用累計(jì)不接頂高度代替礦體開采厚度,對(duì)白象山西部厚大礦體各備選開采方案誘發(fā)的地表移動(dòng)變形特性進(jìn)行研究。

4.1 參數(shù)計(jì)算方法

地下開采對(duì)地表的影響主要有垂直方向的移動(dòng)和變形(下沉、傾斜、曲率)與水平方向的移動(dòng)和變形(水平移動(dòng)、拉伸和壓縮)等。相關(guān)參數(shù)的計(jì)算方法如下所述[14]。

4.1.1 最大下沉值W

根據(jù)隨機(jī)介質(zhì)理論及其移動(dòng)規(guī)律,地下開采誘發(fā)地表出現(xiàn)的最大下沉值W可按式(1)～式(7)計(jì)算:

式中,W0為走向、傾向均充分采動(dòng)時(shí)地表最大下沉值,mm;m為開采礦體厚度,對(duì)于充填采礦法,本研究采用累積不接頂高度,m;q為下沉系數(shù),參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)取q=0.03;α為礦體傾角,取平均值45°;

式中,l為走向計(jì)算開采長(zhǎng)度,m;D1為走向開采長(zhǎng)度,平均為795 m;S0為走向拐點(diǎn)偏距,本研究選擇堅(jiān)硬礦巖類型,即S0=0.2H0;r0為走向主要影響半徑,m;H0為走向開采深度,自-470 m～-270 m 水平,即取值為200 m;tanβ為主要影響角正切值;為傾向充分采動(dòng)、走向有限開采時(shí)地表最大下沉值,mm;C ym為傾向采動(dòng)系數(shù);為移動(dòng)變形分布函數(shù)值,從圖8中量取;r1為最低開采水平主要影響半徑,m;r2為最高開采水平主要影響半徑,m;H1為最大開采深度,地表標(biāo)高+10 m 左右,至-470 m 水平最大開采深度480 m;H2為最小開采深度,地表標(biāo)高+10 m 左右,至-270 m 水平最大開采深度280 m;S1為最大深度拐點(diǎn)偏距,S1=0.2H1);S2為最小深度拐點(diǎn)偏距,S2=0.2H2;L為傾向計(jì)算開采長(zhǎng)度,m;D2為傾向開采長(zhǎng)度,435 m;θ0為開采影響傳播角。

圖8 移動(dòng)和變形分布曲線

4.1.2 最大水平變形U

地表最大水平變形按下式計(jì)算:

式中,b為水平移動(dòng)系數(shù)。

4.1.3 最大傾斜值i,最大曲率值K,最大水平變形ε

最大傾斜值、最大曲率值、最大水平變形分別按式(11)～式(13)計(jì)算:

4.2 各備選采礦方法地表變形值計(jì)算

根據(jù)白象山鐵礦西部厚大礦體賦存狀況和開采規(guī)劃方案,利用概率積分法理論預(yù)計(jì)不同采礦方法地表變形值所需參數(shù),計(jì)算結(jié)果見表5。根據(jù)上述計(jì)算方法預(yù)測(cè)的最大變形值匯總見表6。

表5 概率積分法理論預(yù)計(jì)參數(shù)取值

表6 各備選采礦方法方案的地表最大變形值

根據(jù)表6可以得知,西部厚大礦體地表最大下沉值范圍在64.4～294.2 mm之間,最大水平移動(dòng)值在19.3～88.3 mm 之間,最大傾斜值在0.5～2.4 mm/m 之間,最大曲率值均不高于3×10-5/m。最大水平變形值均不高于1.1 mm/m。按建筑物的重要性、用途以及受開采影響引起的不同后果,建筑物保護(hù)等級(jí)分為五級(jí)[15]?！队猩饘俨傻V設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)各等級(jí)規(guī)定的允許變形值見表7[16]。經(jīng)過對(duì)比分析各采礦方法最大地表變形值和相應(yīng)允許值可以得知,各采礦方法引起的地表變形值均小于I級(jí)保護(hù)對(duì)象允許的范圍,因此,從改進(jìn)的概率積分法預(yù)測(cè)的地表變形值分析,各采礦方法均不會(huì)對(duì)地表建構(gòu)筑物造成超出規(guī)范要求的危害。

表7 建(構(gòu))筑物位移與允許的變形值

5 結(jié)論

本文提出一種適用于充填采礦法的改進(jìn)概率積分法,用累積不接頂高度代替礦體開采厚度,分別對(duì)白象山鐵礦西部厚大礦體采用4種不同的備選采礦方法導(dǎo)致地表的沉降變形進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析,得出主要結(jié)論如下。

(1) 西部厚大礦體上部地表最大下沉值范圍在64.4～294.2 mm 之間,最大水平移動(dòng)值在19.3～88.3 mm 之間,最大傾斜值在0.5～2.4 mm/m 之間,最大曲率值均不高于3×10-5/m。最大水平變形值均不高于1.1 mm/m。

(2) 經(jīng)過與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比分析,各備選的采礦方法均不會(huì)對(duì)地表建(構(gòu))筑物造成超出規(guī)范要求的危害。