高 林,蘆慶和,梁 維,申業(yè)興,劉鵬澤,趙世毫

(1.貴州大學 礦業(yè)學院,貴州 貴陽 550025;2.中國礦業(yè)大學(北京) 煤炭行業(yè)巷道支護與災害防治工程研究中心,北京 100083;3.貴州大學 喀斯特地區(qū)優(yōu)勢礦產(chǎn)資源高效利用國家地方聯(lián)合工程實驗室,貴州 貴陽 550025;4.貴州理工學院 礦業(yè)工程學院,貴州 貴陽 550003)

0 引言

磷礦作為非碎屑沉積巖,是一種重要的非金屬礦產(chǎn)資源,主要用于化工和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[1-2]。貴州磷礦資源儲量豐富,居全國第二位,且賦存較為集中,主要分布在開陽、息烽、甕安及福泉等地[3-5],多礦井相鄰集中開采的情況比較常見。已有研究表明,井工礦山開采過程中形成的巖體移動范圍會對鄰近礦山開采造成影響,如削弱礦區(qū)及鄰近范圍內(nèi)地表邊坡的穩(wěn)定性、誘發(fā)地表移動變形與破壞等[6],對自身及周邊礦井的安全產(chǎn)生重大影響[7-9]。為此,國家礦山安全監(jiān)察局在2022年印發(fā)的《金屬非金屬礦山重大事故隱患判定標準》中指出,相鄰礦山開采巖體移動范圍存在交叉重疊等相互影響時,未按設計留設保安礦(巖)柱或者采取其他措施的視為重大事故隱患。因此,金屬、非金屬地下礦山建設和生產(chǎn)過程中必須分析并圈定礦山開采巖體移動范圍,從而為留設保安礦(巖)柱或者采取其他措施提供依據(jù)。

近年來,一些學者[10-12]對井工礦山開采地表沉陷規(guī)律展開了研究,結合下沉、水平移動、傾斜、曲率等參數(shù)對地表沉陷規(guī)律進行了分析,并提出了針對性的措施和建議。如程立年等[13]對“三下”開采移動帶內(nèi)地表穩(wěn)定性進行了分析,采用概率積分法計算出了礦山安全開采深度;賀躍光等[14]研究發(fā)現(xiàn)地表開采沉陷在受自重應力作用影響的同時,還受構造應力作用和礦層傾角大小、頂板巖體節(jié)理發(fā)育程度與結構形式、開采方法與放礦規(guī)律等的影響;廖寶泉等[15]通過對不同充填體灰砂質(zhì)量比和充填率影響下的地表移動進行了模擬,得出膏體充填開采下覆巖移動角會隨著覆巖水平高度的增加而逐漸增大;許夢國等[16]分析了塌陷坑移動角和遠近地表圍巖隨開采深度的變化規(guī)律。以上學者從安全開采深度、構造應力作用、不同充填率等方面對地表移動變形破壞進行了研究,為礦山地表沉陷、移動變形等問題提供了有益參考。然而,現(xiàn)有研究大多集中在礦井開采引起的地表移動變形、沉陷分析及監(jiān)測等方面,針對礦山開采巖體移動范圍對相鄰礦山的影響鮮有提及。因此,本文以貴州A磷礦為例,采用理論計算與數(shù)值仿真分析相結合的方法,對上向分段充填開采后的地表移動變形及巖體移動對相鄰礦山的影響范圍進行了分析和預測,以期為類似條件下多個磷礦相鄰開采的優(yōu)化提供參考。

1 礦井概況

1.1 地質(zhì)概況

貴州A磷礦礦區(qū)面積0.427 3 km2,開采深度為+1 300～+900 m標高,礦區(qū)內(nèi)總體地形為一東高西低、向北西傾斜的斜坡,礦區(qū)環(huán)境較復雜,同時與B、C、D磷礦相鄰(見圖1)。礦區(qū)含磷巖組為陡山沱組,由磷塊巖、白云巖、硅質(zhì)巖等組成,礦體平均傾角83°,為急傾斜礦體。礦層由兩層磷塊巖礦層組成(見圖2),a層礦平均厚度18.17 m,b層礦平均厚度15.54 m,總體趨勢是東厚西薄。

圖1 礦區(qū)相鄰位置關系

圖2 礦層特征圖

1.2 開采現(xiàn)狀及接續(xù)計劃

設計中將A磷礦劃分為一采區(qū)和二采區(qū)兩個采區(qū),其中一采區(qū)已開采完畢,形成了采空區(qū);二采區(qū)為當前開采區(qū)域,礦體開采標高為+980～+900 m,按照礦體賦存條件及礦山實際情況,將二采區(qū)劃分成4個分段開采,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礦法開采,礦房長度為10～25 m。首采分段為+900 m分段,礦房內(nèi)開采順序是先采b層礦,再采a層礦。

2 地表移動變形理論計算

2.1 概率積分法

概率積分法又稱隨機介質(zhì)理論法,是一種以隨機介質(zhì)理論為基礎的開采沉陷預計方法,是目前較為成熟、應用最廣泛的地表移動變形預計方法[17]。該方法是由我國學者劉寶琛等[18-20]在隨機介質(zhì)理論的基礎上逐步完善發(fā)展而來的。依據(jù)概率積分法原理,地表最大傾斜變形imax、最大水平變形εmax、最大曲率Kmax與地表最大下沉值Wmax、開采深度H及主要影響角正切值tanβ之間存在如下關系:

Wmax=mqcosα,

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中:m表示礦層厚度,m;q表示下沉系數(shù),根據(jù)礦區(qū)實際測量資料確定;α表示礦層傾角,(°);r表示采空區(qū)邊界地表主要影響范圍半徑,m;tanβ為主要影響角的正切值;b表示水平移動系數(shù),按礦區(qū)實際測量資料確定。

2.2 計算結果分析

根據(jù)該礦地質(zhì)資料及實際生產(chǎn)條件,本文分析的開采區(qū)域礦體主要由17#勘探線控制,取下沉系數(shù)q為0.04、主要影響角正切值tanβ為1.5、水平移動系數(shù)b為0.25,與其余相關參數(shù)值一并代入式(1)-式(5),計算得出地表下沉量、傾斜值、曲率值、水平變形值等(見表1)。

表1 地表移動變形計算結果

由表1可知,A磷礦a層礦、b層礦開采后地表移動變形產(chǎn)生的最大區(qū)域地表傾斜值、水平變形值和曲率值均未達到GB 50771-2012《有色金屬采礦設計規(guī)范》規(guī)定的地表變形臨界值,因此,預測A磷礦在a層礦、b層礦開采完畢后,整體上不會在地表產(chǎn)生大的移動變形。

3 地表移動變形數(shù)值仿真分析

3.1 數(shù)值仿真模型建立

采用FLAC3D建立數(shù)值仿真模型,開展A磷礦上向分段充填開采對地表影響范圍的模擬分析。為使模型最大程度地接近真實情況,依據(jù)地質(zhì)資料,并結合A磷礦與各勘探線位置關系建立數(shù)值模型(見圖3)。模型x方向與勘探線平行,長度1 500 m;y方向與勘探線方向垂直,長度1 000 m;z方向為豎直方向,最低標高為600 m。模型共劃分為41 175個單元和50 128個節(jié)點。

圖3 三維數(shù)值仿真模型

通過開展井下工程地質(zhì)調(diào)查及巖石力學室內(nèi)試驗,并采用Hoek-Brown經(jīng)驗公式對各項參數(shù)進行折減,同時參考區(qū)域內(nèi)其他礦山數(shù)據(jù),綜合確定模型巖石物理力學參數(shù)(見表2)。

表2 巖石物理力學參數(shù)

3.2 分析計算

分析過程中采用建(構)筑物損壞等級評判標準來驗證移動范圍內(nèi)的沉降變形。目前,礦山回采作業(yè)面主要集中于+900～+920m水平,采用充填法處理采空區(qū)。結合圖3對各分段進行模擬開采,同時為便于分析A磷礦各分段開采后對地表的影響,分別在模型地表位置布置一號測線(x方向)和二號測線(y方向)(見圖4)。

圖4 模型地表測線布置圖

根據(jù)各監(jiān)測點的水平位移和豎直位移數(shù)值仿真數(shù)據(jù),可計算得出相鄰監(jiān)測點的水平變形值和傾斜變形值,計算公式[21]如下:

(6)

(7)

(8)

式中:in為地表n點的傾斜值,mm/m;Tn+1、Tn分別為地表n點和n+1點的下沉值,mm;Kn為地表n點的曲率值,mm/m2;Dn～n+1為地表n點和n+1點的水平距離,m;εn為地表n點的水平變形值,mm/m;Hn+1、Hn分別為地表n點和n+1點的水平移動值,mm。

3.3 模擬結果分析

將一號、二號測線測得的位移代入式(6)-式(8)計算得到+900、+920、+937、+951 m分段開采后的地表位移變化(見圖5)。由圖5可以看出:沿y方向的傾斜值比沿x方向的傾斜值大,最大值0.12 mm/m為+900 m分段開采后的地表傾斜值;各分段沿y方向傾斜值按開采順序依次減小,沿x方向傾斜最大值出現(xiàn)在+937 m分段,為2.74×10-2mm/m;沿x、y方向水平變形最大值均出現(xiàn)在+951 m分段,最大值為1.93×10-2mm/m,且變形值呈逐漸增大的趨勢。

圖5 各分段開采后地表位移變化圖

因文章篇幅所限,以下僅給出+951 m分段開采后的地表位移變形云圖(見圖6、圖7)。

圖6 +951 m分段開采后地表垂直位移變形云圖

圖7 +951 m分段開采后地表位移與礦界相對位置示意圖

從圖中7可以看出,地表整體位移變形主要集中在礦井范圍內(nèi),緊鄰C磷礦,地表沿x方向的水平位移最大值約為9.9 mm,沿y方向的水平位移最大值約為0.5 mm,沿z方向的垂直位移最大值為83.5 mm,地表總體最大位移量約為84 mm。

計算出+951 m分段開采后該區(qū)域下沉盆地的地表傾斜值、曲率、水平變形值,從x、y方向算得最大地表傾斜值、曲率、水平變形值分別為:x方向傾斜值1.36×10-2mm/m、曲率5.77×10-5mm/m2、水平變形值1.1×10-2mm/m;y方向傾斜值6.02×10-2mm/m、曲率1.2×10-4mm/m2、水平變形值1.93×10-2mm/m。

根據(jù)式(6)-式(8),并結合數(shù)值模擬結果計算得出不同開采時期的地表變形值(見表3)。由表3可知,A磷礦各分段開采后的地表最大傾斜值為0.12 mm/m、最大水平變形值為0.019 3 mm/m,均未達到GB 50771-2012規(guī)定的地表變形臨界值。因此,A磷礦現(xiàn)階段開采引起的地表變形整體上較小,初步預測對相鄰的B磷礦、C磷礦及D磷礦開采影響程度較弱。

表3 不同開采時期的地表變形值

4 巖體移動對相鄰礦山影響范圍的預測分析

由于巖體長期強度和采空區(qū)穩(wěn)定性的時間效應,現(xiàn)階段地表位移較大的區(qū)域有可能成為礦山長期開采潛在的地表移動范圍,對比數(shù)值仿真地表移動變形區(qū)域,并結合位移變化可預測得出A磷礦各分段在上向充填開采后巖體移動對相鄰礦山的影響范圍(見圖8)。

當開采+900 m分段礦體時,礦體埋深大于400 m,地下開采對地表影響程度較小,潛在的開采移動影響范圍主要在16#-17#勘探線之間,影響范圍呈類橢圓形[見圖8(a)],長軸方向長約547 m,短軸方向長約434 m,擴展到C磷礦礦界內(nèi)約175 m。由該礦地質(zhì)資料可知,該區(qū)域為礦井主要開采部分,受采掘影響,上覆老采空區(qū)發(fā)生下沉,且采空區(qū)上方為高陡山體邊坡,為潛在的開采移動影響范圍。

當開采+920 m、+937 m分段礦體時,下分段采空區(qū)已完成充填,此時C磷礦受到的影響范圍較大,該區(qū)域地形為高邊坡并向A磷礦礦井延伸,因此隨著開采范圍的擴大,形成的潛在開采移動影響范圍逐漸向C磷礦擴展,由175 m增加到189 m,而長軸方向由530 m增加到601 m,整體影響范圍分別呈類橢圓形[見圖8(b)]、類三角形[見圖8(c)],對B磷礦的影響逐漸變小。

當開采+951 m分段礦體時,上覆地層所受擾動范圍和程度亦增大,位移變化最大值處向南移動,同時影響范圍再次擴展到相鄰的C磷礦,整體影響范圍呈類三角形[見圖8(d)],長軸方向長約683 m,短軸方向長約400 m,下部影響范圍擴展到距礦界約189 m處。礦井所處區(qū)域地勢為北高南低、東高西低,主要開采范圍處于該磷礦左部邊界處,此處地表為高陡邊坡并向北延伸至相鄰礦井,因此潛在的開采移動影響范圍向B磷礦擴展。開采+951 m分段礦體時,因礦脈傾斜向下,老采空區(qū)位于礦井右翼邊界處,此處地表由D磷礦一路延伸而來形成高陡邊坡,因此潛在的開采移動影響范圍再次向D磷礦擴展。

圖8 各分段依次開采后巖體移動對相鄰礦山影響范圍預測

5 開采建議

綜合理論計算和數(shù)值仿真分析可知,相比于其他礦井而言,A磷礦開采后對C磷礦的影響范圍最大,B磷礦次之,D磷礦相對較小。因此,提出如下開采建議:

a.后期開采過程中要重點加強因A磷礦開采巖體移動對C磷礦影響的預測預警工作。

b.相鄰礦井應重視本礦山處于A磷礦開采巖體移動影響范圍內(nèi)的礦山壓力管理工作,嚴格按照設計留設相應保護礦(巖)柱,加強影響區(qū)域采場和巷道支護。

c.由于A磷礦+980 m以上存在采用空場法處理的歷史遺留采空區(qū),采空區(qū)內(nèi)留設有礦柱支撐頂板,但隨著時間的推移,采空區(qū)圍巖應力重新分布,礦柱有可能因應力集中產(chǎn)生疲勞破壞導致頂板冒落,從而影響采空區(qū)的穩(wěn)定性,故建議礦山在今后開采過程中加強對礦區(qū)范圍礦層露頭一帶高陡邊坡的巡查以及地表變形監(jiān)測工作,以確保礦山開采安全;應加強與相鄰礦井的信息溝通,一旦發(fā)現(xiàn)因開采巖體移動導致的異常情況可能影響相鄰礦井的建設和生產(chǎn)安全時,立即向其發(fā)出預警,并及時報告礦山安全監(jiān)管監(jiān)察部門。

6 結論

a.采用概率積分法對A磷礦開采后的地表移動變形進行計算,結果顯示該磷礦現(xiàn)階段開采后整體上不會產(chǎn)生大的地表移動變形。

b.采用FLAC3D建立三維數(shù)值仿真模型,模擬分析得出A磷礦各分段上向充填開采后的地表總體最大位移量約為84 mm、最大傾斜變形值為0.12 mm/m、最大水平變形值為0.019 3 mm/m,均未達到GB50771-2012規(guī)定的地表變形臨界值。

c.對A磷礦現(xiàn)階段開采引起的巖體移動影響范圍進行預測,相比于其他礦井,A磷礦開采后的巖體移動對C磷礦的影響最大,B磷礦次之,D磷礦相對較小。

d.綜合理論計算和數(shù)值仿真分析結果,建議下一步開采過程中應重點加強因A磷礦開采巖體移動對C磷礦影響的預測預警工作。相鄰礦井應重視本礦山處于A磷礦開采巖體移動影響范圍內(nèi)的礦山壓力管理工作,嚴格按照設計留設保護礦(巖)柱,加強影響區(qū)域采場和巷道支護。同時,加強對A磷礦礦區(qū)范圍礦層露頭一帶高陡邊坡的巡查以及地表變形監(jiān)測工作。