黃 斌張 寧林玉川李庸慶王 靖任遠(yuǎn)芳
(1.霍邱縣慶發(fā)礦業(yè)有限責(zé)任公司;2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司;3.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦院工程勘察設(shè)計有限公司;4.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司;5.安徽富凱礦業(yè)有限公司)
隨著社會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,礦山周邊的廠房、村莊不斷擴(kuò)張,導(dǎo)致巖體移動監(jiān)測范圍內(nèi)存在道路、村莊、廠房等建(構(gòu))筑物。礦體開采后,地應(yīng)力重新分布,引發(fā)上覆巖層移動,進(jìn)而使地表建筑發(fā)生變形,嚴(yán)重時將造成破壞,對礦區(qū)周邊人員和財產(chǎn)造成威脅[1]。
安徽霍邱地區(qū)某礦體上部第四系厚約200 m,設(shè)計第四系下部留設(shè)不小于50 m 的隔離層礦柱,其地表巖體移動范圍分布有農(nóng)田、道路、村莊等。為研究該礦床開采對地表的影響,研究采用FLAC3D軟件,基于拉格朗日有限差分法,計算開采過程中應(yīng)力、位移分布情況[2-4],分析地下開采對地表的影響。
該鐵礦礦床由1 個主礦體和多個零星小礦體組成,礦體賦存于周集巖組含磁鐵礦巖段中。礦體呈似層狀,單層厚度為18.58~36.59 m,夾層厚度為2.1~8.97 m,傾向南西,淺部礦體傾角為45°~60°,深部礦體傾角為5°~15°。礦體標(biāo)高為-180~-734 m,最大斜長約為700 m,走向為330°,長度為1 600 m。
礦床被第四系松散層所覆蓋,風(fēng)化帶呈似層狀分布,穩(wěn)定性差,礦體及其頂、底板巖石穩(wěn)定性較好,礦床屬于堅硬、半堅硬層狀礦床工程地質(zhì)類型。礦床構(gòu)造復(fù)雜程度相對簡單,主要以Ⅲ、Ⅳ結(jié)構(gòu)面為主。第四系松散層、風(fēng)化帶及局部破碎帶影響巖體穩(wěn)定。巖體質(zhì)量分級見表1。
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礦山水文地質(zhì)條件簡單,地表以及各含水組之間水力聯(lián)系簡單,礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)良好。
礦區(qū)地表平坦,標(biāo)高在30~39 m,礦區(qū)巖體移動監(jiān)測范圍內(nèi)分布村莊、道路等建(構(gòu))筑物,保護(hù)等級屬于II類。
礦山設(shè)計生產(chǎn)規(guī)模為95 萬t/a,設(shè)計開采標(biāo)高范圍為-250~-600 m,礦區(qū)第四系厚度約為200 m,分布標(biāo)高在40~-180 m。
為保證第四系的穩(wěn)定,設(shè)計最高開采標(biāo)高為-250 m 水平,以上有厚度為50~90 m 的礦體(包括氧化礦體)作為護(hù)頂?shù)V柱。根據(jù)各勘探線護(hù)頂?shù)V柱厚度統(tǒng)計與校核,5#勘探線剖面護(hù)頂?shù)V柱厚度最小,為79.47 m;2#勘探線剖面新鮮基巖工程地質(zhì)組厚度最小,為37.84 m;5#勘探線剖面風(fēng)化基巖工程地質(zhì)巖組厚度最小,為19.47 m,各勘探線剖面上護(hù)頂?shù)V柱與各工程地質(zhì)巖組厚度見表2。
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對礦體及頂?shù)装鍘r石取樣,進(jìn)行室內(nèi)巖石力學(xué)試驗。試驗包括單軸抗壓強(qiáng)度試驗、劈裂拉伸試驗、剪切變形試驗和變形試驗。
巖石力學(xué)試驗結(jié)果匯總見表3。
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巖體是由一系列結(jié)構(gòu)面及被結(jié)構(gòu)面切割成的結(jié)構(gòu)體所組成的復(fù)雜介質(zhì),與巖石有較大差別。在模擬計算時,需對室內(nèi)力學(xué)試驗結(jié)果進(jìn)行折減處理。折減后的礦巖體力學(xué)參數(shù)見表4。
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根據(jù)礦體的分布以及回采盤區(qū)的尺寸情況,模型上部為礦區(qū)地表,其余各邊界距開采邊界的距離是盤區(qū)尺寸3 倍以上[5]。建模范圍為南北方向2 200 m,Y軸 坐 標(biāo) 自3 590 800~3 593 000 m;東 西 方向2 000 m,X軸坐標(biāo)自39 401 800~39 403 800 m;下部邊界為-800 m 水平。
模型根據(jù)巖層、中段礦塊設(shè)計及圍巖留設(shè)情況劃分材料類別,包括第四系(dsx)、風(fēng)化層(fhc)、礦塊(350~450 m)、圍巖(wy)等,共建立929 195 個網(wǎng)格單元,20余個回采單元。模型典型剖面見圖1。
按照設(shè)計推薦回采順序,水平方向上自中間3#勘探線和5#勘探線向兩翼回采,垂直方向上先回采-450 m 中段礦體,隨后開采-350 m 中段礦體,最后回采-600 m中段礦體。
為了清晰地反映礦體開采過程中位移發(fā)展規(guī)律,本次論證結(jié)合平面圖和剖面圖進(jìn)行分析。平面圖利用計算模型表面圖,剖面圖根據(jù)保護(hù)對象相應(yīng)位置,共設(shè)計了4 條虛擬計算監(jiān)測線,分別為1#、2#、3#和4#,見圖2。
礦體開采結(jié)束后,采場圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)受到了擾動,采場周邊區(qū)域在彈性恢復(fù)以及自重作用下向暴露面方向移動,造成其周邊圍巖發(fā)生位移,進(jìn)而逐漸影響至地表[6],通過1#~4#監(jiān)測線和地表位移等值線圖分析礦床開采的影響區(qū)域,為后續(xù)變形及曲率計算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(圖3~圖7)。
從圖3 中可以看出,受礦體開采影響,1#監(jiān)測線影響區(qū)域在Y方向上的3 590 800~3 593 000 m,深部影響區(qū)域在-250~-600 m,主要影響區(qū)域出現(xiàn)在-400和-500 m處。深部最大位移為70 mm,地表區(qū)域最大位移為37 mm。
從圖4 中可以看出,受礦體開采影響,2#監(jiān)測線影響區(qū)域在Y方向上的3 591 000~3 592 700 m,位移等值線在-600 m 中段形成等值線拱,最后延伸至地表形成不閉合等值線群,深部最大位移值為65 mm,地表區(qū)域最大位移值為18 mm。
從圖5 中可以看出,受礦體開采影響,礦體開采在該監(jiān)測線的影響區(qū)域在X方向上的39 401 900~39 403 100 m,對該監(jiān)測線所在剖面的影響小,主要以不閉合等值線群出現(xiàn),深部區(qū)域影響小,地表區(qū)域影響相對較大,最大位移值為19 mm。
從圖6中可以看出,受礦體開采影響,該監(jiān)測線的影響區(qū)域在X方向上的39 401 800~39 403 500 m,位移等值線在-600 m 中段形成等值線拱,最后延伸至地表形成不閉合等值線群,深部最大位移值為75 mm,地表區(qū)域最大位移值為31 mm。
圖7為礦體開采結(jié)束后地表位移等值線圖,可以看出,受礦體開采影響,地表位移以礦體開采區(qū)域為中心向外呈等值線拱,開采區(qū)域中部位置地表位移最大,遠(yuǎn)離開采中心,位移等值線半徑變大,位移值變小,地表最大位移值為41.5 mm,出現(xiàn)在桃園村與張家夏樓之間區(qū)域。
礦山開采引起的地表建(構(gòu))筑物的破壞主要由傾斜和變形導(dǎo)致。我國評判礦體開采對建筑物破壞等級的標(biāo)準(zhǔn)采用傾斜、曲率及水平變形值為依據(jù),需根據(jù)位移與變形相互關(guān)系進(jìn)行轉(zhuǎn)化計算[7]。通過對比地表發(fā)生的傾斜、曲率及水平變形值是否符合相關(guān)規(guī)范的允許值,判斷建(構(gòu))筑物是否發(fā)生破壞。
為尋求礦區(qū)地表最大傾斜、曲率及水平變形值,結(jié)合上述數(shù)值模擬計算結(jié)果,在模型表面保護(hù)對象及位移變化明顯的區(qū)域布置模擬監(jiān)測點,模擬監(jiān)測點網(wǎng)格為100 m×100 m,共計設(shè)置模擬監(jiān)測點110個,監(jiān)測點布設(shè)見圖8。
參照《有色金屬采礦設(shè)計規(guī)范》,分2步驟評判地表保護(hù)對象的變形與曲率的允許值。首先對照建(構(gòu))筑物的重要程度劃分保護(hù)等級表,該礦山地表分布有學(xué)校、長度大于20 m 的2 層和3 層以上住宅樓、一級公路等,屬于Ⅱ類保護(hù)等級。
Ⅱ類保護(hù)等級建(構(gòu))筑物允許地表傾斜、曲率及水平變形值見表5。
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通過計算,整個礦區(qū)地表最大變形及曲率出現(xiàn)在張家夏樓與桃園村之間的進(jìn)礦大道和張家夏樓北部村莊區(qū)域,最大傾斜為0.123 4 mm/m,最大曲率為0.000 8×10-3/m,最大水平變形為-0.092 4 mm/m,均遠(yuǎn)小于Ⅱ類保護(hù)等級構(gòu)筑物的允許值。
(1)數(shù)值模擬表明,該礦區(qū)地表最大變形及曲率出現(xiàn)在張家夏樓與桃園村之間的進(jìn)礦大道和張家夏樓北部村莊區(qū)域,其變形值符合相關(guān)規(guī)范要求,不會對建(構(gòu))筑物的安全造成太大的影響。
(2)對于厚大第四系礦山,留設(shè)合適的水平隔離層礦柱及采用空場嗣后充填法開采礦體,引起的地表位移及變形較小,對地表建(構(gòu))筑物的影響較小。