陳小偉，范文錄，蔡光輝，徐興保

(1.中國恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038；2.萊州市瑞海礦業(yè)有限公司，山東 萊州 261400)

海下采礦屬于“三下開采”中的地表水體下開采，不同于普通陸地開采，海下金屬礦床大規(guī)模開采、高強(qiáng)度爆破作業(yè)容易導(dǎo)致海床沉降變形，引發(fā)基巖開裂形成導(dǎo)水通道，尤其對于深井礦山形成的高水壓大流量的地表水進(jìn)入井下，將對礦山造成致命的災(zāi)難。世界范圍內(nèi)多個國家進(jìn)行過海下采煤實踐[1]，如英國、澳大利亞、日本、加拿大和智利等，最早英國在1560年已經(jīng)開始海下煤層的開采。山東龍口礦業(yè)是我國最早也是唯一實施海下采煤的礦山[2-3]。山東黃金集團(tuán)三山島金礦新立礦區(qū)是我國成功實施海下黃金開采的礦山[4-5]，表明我國在海下采礦方面已經(jīng)積累了一定的經(jīng)驗。

三山島北部海域金礦緊鄰三山島金礦，礦床全部賦存在渤海海面以下，與龍口煤礦和三山島金礦新立礦區(qū)相比，該礦開采范圍、開采規(guī)模、開采深度都要大很多，開采技術(shù)條件更加復(fù)雜。解決海下采礦的關(guān)鍵是防止海水和井下導(dǎo)通，國內(nèi)外常用做法是在上部留設(shè)一定厚度的保護(hù)礦柱，在保證安全開采的前提下，應(yīng)盡可能減小防水礦柱的厚度，以提高礦產(chǎn)資源的綜合利用率。

本文通過采用有限差分程序FLAC3D，對三山島北部海域金礦海下多中段開采對地表巖移影響進(jìn)行研究，為礦山安全高效開采提供理論依據(jù)。

1 工程概況

1.1 礦區(qū)概況

三山島北部海域金礦位于山東省萊州市北部，西南鄰近國內(nèi)第一個海底黃金礦山——三山島金礦，礦區(qū)周邊水陸交通極為方便。礦區(qū)地處渤海海灣，近岸及海底地形低平，海拔標(biāo)高-5.80～2.00 m，區(qū)內(nèi)地表水發(fā)育，主要為渤海海水，分布整個礦區(qū)。

1.2 礦區(qū)開采技術(shù)條件

礦床處于三山島—倉上斷裂帶，該斷裂帶內(nèi)金礦床是最早發(fā)現(xiàn)的破碎帶蝕變巖型超大型金礦床，倉上金礦、新立金礦、三山島金礦、三山島北部海域金礦均處于該斷裂帶上，見圖1。礦區(qū)共發(fā)現(xiàn)金礦體48個，均分布在20線至66線之間黃鐵絹英巖化(花崗質(zhì))碎裂巖帶內(nèi)，主要礦體為深部的Ⅰ-4礦體，標(biāo)高-950～-1 900 m，控制走向長約1 750 m，沿走向兩端均未封閉，傾斜最大延深1 230 m，深部未封閉，主要礦體平均傾角39°，平均礦體厚度10～15 m。

圖1 三山島北部海域金礦計算模型Fig.1 Numerical model of gold mine

礦體賦存于渤海海面以下，因地表第四系粉質(zhì)黏土隔水層將地表海水、第四系含水層與礦體隔開，在生產(chǎn)過程中需要重點保護(hù)第四系黏土隔水層不受破壞。礦床充水的主要來源是構(gòu)造裂隙含水層。經(jīng)預(yù)測，礦山正常涌水量約7 000 m3/d，最大涌水量11 000 m3/d，礦山水文地質(zhì)條件為中等—復(fù)雜類型。

礦床頂板和底板為絹英巖化花崗巖、絹英巖化碎裂巖、黃鐵礦絹英巖化花崗碎裂巖等，巖性較單一，飽和單軸抗壓強(qiáng)度為13.6～84.1 MPa。礦床工程地質(zhì)條件取決于巖石構(gòu)造發(fā)育程度，斷裂帶內(nèi)局部巖石較破碎，蝕變較強(qiáng)烈、裂隙較發(fā)育，巖心較破碎，穩(wěn)固性相對較差，需要加強(qiáng)支護(hù)措施。礦山工程地質(zhì)條件為中等類型。

2 數(shù)值模型

2.1 材料參數(shù)

根據(jù)礦山工程概況，將計算模型設(shè)為三類巖層，分別為上盤圍巖，礦體和下盤圍巖，礦巖體和充填體力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 礦巖體和充填體力學(xué)參數(shù)

參考項目周邊礦山的已有地應(yīng)力資料，礦區(qū)內(nèi)地應(yīng)力場以水平構(gòu)造應(yīng)力為主導(dǎo)，其中最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力和垂直主應(yīng)力均隨深度變化而線性增加，其規(guī)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—最大水平主應(yīng)力，MPa；σhmin—最小水平主應(yīng)力，MPa；σz—垂直應(yīng)力，MPa。

2.2 計算模型

根據(jù)礦體實際特征進(jìn)行適當(dāng)簡化，簡化計算模型包括三條礦體，其特征見表2，構(gòu)建礦體開采數(shù)值計算模型見圖1，模型地表標(biāo)高為0 m。

表2 礦體特征

2.3 破壞準(zhǔn)則

模型中巖礦體均假設(shè)為理想彈塑性連續(xù)介質(zhì)，計算采用破壞準(zhǔn)則為摩爾-庫侖準(zhǔn)則，力學(xué)模型為：

(4)

式中：fs—摩爾—庫侖準(zhǔn)則的函數(shù)關(guān)系；σ1—最大主應(yīng)力，MPa；σ3—最小主應(yīng)力，MPa；φ—內(nèi)摩擦角，(°)；c—介質(zhì)黏聚力，MPa。

2.4 開采順序

1)下部1#礦體開挖與充填模擬

1#礦體從-1 480中段和-1 300中段兩中段同時回采，中段高60 m，每次按20 m分段進(jìn)行回采與充填模擬，如此反復(fù)至中段回采完畢，見圖2所示。

圖2 1#礦體開采示意圖Fig.2 Mining sketch of 1# ore body

2)上部2#礦體與3#礦體開挖與充填模擬

待下部1#礦體回采充填完畢，開始對2#礦體和3#礦體進(jìn)行回采模擬，2#礦體與3#礦體厚度較小，為簡化模擬過程，2#礦體與3#礦體同時進(jìn)行回采，每次按20 m高度進(jìn)行開挖模擬，開采直至設(shè)定的頂柱厚度結(jié)束，見圖3，開采計算后分別摘取頂柱厚度為180 m、160 m及110 m計算結(jié)果分析。

圖3 2#、3#礦體開采示意圖Fig.3 Mining sketch of 2#，3# ore bodies

3 數(shù)值結(jié)果分析

3.1 豎剖面位移結(jié)果

圖4左側(cè)為三維模型下地表沉降等值線，根據(jù)地表垂直位移分布情況可知，地表最大沉降區(qū)位于礦體對應(yīng)的上盤區(qū)域；根據(jù)圖4右側(cè)模型豎剖面垂直位移圖結(jié)果，在多中段同時開采下，距離開采區(qū)域越近，沉降位移就越大，往上至地表位移逐漸變??；同時，在開采深部中段時，地表沉降位移較小，而開采中段逐漸往淺部區(qū)域靠近時，地表沉降位移逐漸增大。因此地下開采必須留設(shè)足夠的頂柱隔離層，才能保護(hù)地表沉降變形不超允許范圍，而海底開采頂柱隔離層的留設(shè)尤為重要。

圖4 三維模型地表沉降等值線與豎剖面垂直位移云圖Fig.4 Surface subsidence map in 3D model and vertical displacement contour of vertical profile

3.2 預(yù)設(shè)頂柱不同厚度下地表垂直位移結(jié)果

根據(jù)豎剖面位移分析結(jié)果，安全頂柱隔離層厚度主要通過地表最大沉降變形與水平變形值來進(jìn)行確定。根據(jù)圖5～7結(jié)果，留設(shè)180 m頂柱地表最大沉降值約為151 mm，地表最大傾斜變形值約為0.58 mm/m；留設(shè)160 m頂柱地表最大沉降值約為160 mm，最大傾斜變形值約為1.07 mm/m；留設(shè)110 m頂柱地表最大沉降值約為175 mm，最大傾斜變形值約為2.63 mm/m。根據(jù)相關(guān)規(guī)定，地表滿足I類保護(hù)等級要求時，地表傾斜變形最大不允許超過3 mm/m?；谏鲜鼋Y(jié)果，預(yù)設(shè)110 m厚礦柱時，地表沉降變形接近地表保護(hù)等級要求，而預(yù)設(shè)160 m厚頂柱，最大傾斜變形值完全小于允許規(guī)定。由于水下開采的特殊性，應(yīng)相應(yīng)提高地表保護(hù)要求，因此，建議留設(shè)頂柱厚度不小于160 m。另據(jù)圖8地表中部最大沉降曲線對比結(jié)果，留設(shè)頂柱厚度越小，地表沉降值越大，地表沉降變形曲線愈陡，相對應(yīng)，地表傾斜值也越大。因此，留設(shè)足夠厚度的頂柱是保證海下安全開采的重要措施。

圖5 180 m厚頂柱地表垂直位移等值線Fig.5 Surface vertical displacement contour of 180 m thick crown pillar

圖6 160 m厚頂柱地表垂直位移等值線Fig.6 Surface vertical displacement contour of 160 m thick crown pillar

圖7 110 m厚頂柱地表垂直位移等值線Fig.7 Surface vertical displacement contour of 110 m thick crown pillar

圖8 不同礦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 預(yù)設(shè)頂柱不同厚度下地表水平位移結(jié)果

圖9 180 m厚頂柱地表水平位移等值線圖Fig.9 Surface horizontal displacement contour contour of 180 m thick crown pillar

圖10 160 m厚頂柱地表水平位移等值線圖Fig.10 Surface horizontal displacement of 160 m thick crown pillar

根據(jù)圖9～11結(jié)果，留設(shè)180 m頂柱，地表最大水平位移約為58 mm，地表最大水平變形約為0.24 mm/m；留設(shè)160 m頂柱地表最大水平位移約為61 mm，地表最大水平變形約為0.29 mm/m；留設(shè)110 m頂柱下地表最大水平位移約為63 mm，地表最大水平變形約為0.52 mm/m。根據(jù)相關(guān)規(guī)定，地表滿足I類保護(hù)等級要求時，地表水平變形最大不允許超過2 mm/m，由水平變形計算結(jié)果可知，預(yù)設(shè)頂柱厚度為180 m、160 m及110 m均滿足規(guī)范要求。另據(jù)圖12地表中部水平位移曲線對比結(jié)果，預(yù)設(shè)頂柱不同厚度下地表水平位移曲線對比結(jié)果，頂柱預(yù)設(shè)厚度越小，地表水平位移值越大，地表水平變形值也越大。

圖11 110 m厚頂柱地表水平位移等值線圖Fig.11 Surface horizontal displacement contour of 110 m thick crown pillar

圖12 不同礦柱厚度下地表中部最大水平位移曲線對比Fig.12 The maximum horizontal displacement of middle surface under different thickness pillars

通過地表垂直位移計算結(jié)果和水平變形結(jié)果分析可知，為保證三山島北部海域金礦海下高效安全開采，地表最大傾斜值和最大水平變形值不應(yīng)超過允許規(guī)定，因此，建議留設(shè)頂柱厚度不小于160 m。

4 結(jié)論

1)多中段同時開采下，距離開采區(qū)域越近，沉降位移就越大，開采中段逐漸往淺部區(qū)域靠近時，地表沉降位移逐漸增大，且地表最大沉降區(qū)位于礦體對應(yīng)的上盤區(qū)域，上盤巖體位移量要明顯大于下盤巖體位移量，因此，為控制地表沉降變形，需留設(shè)一定的安全隔離礦柱。

2)根據(jù)地表傾斜變形結(jié)果，預(yù)設(shè)110 m厚礦柱時，地表最大傾斜值為2.63 mm/m，接近保護(hù)等級要求，預(yù)設(shè)160 m厚頂柱，最大傾斜變形值為1.07 mm/m，符合地表保護(hù)規(guī)定。

3)根據(jù)地表水平變形結(jié)果，留設(shè)礦柱厚度為180、160及110 m下的地表最大水平變形值均小于允許規(guī)定，滿足地表保護(hù)等級要求。

綜合地表沉降位移計算結(jié)果和地表水平變形結(jié)果，建議留設(shè)頂柱厚度不小于160 m。