相邻复杂矿体开采过程对地表稳定性的时空影响研究

王辉镜 许 威

(1.江西江铜银珠山矿业有限公司,江西 贵溪 335400;2.江西理工大学资源与环境工程学院,江西 赣州 341000)

随着社会对矿产资源需求的增长,地下矿山的开采深度逐渐加大[1],同时带来了岩体失稳、地表变形等安全问题[2]。由于地下开采将原始应力状态打破,引起围岩和矿体的应力重分布,易诱发覆岩变形、移动,不可避免地会对地表稳定性产生影响[3]。尤其是相邻矿山同时开采将对安全生产带来诸多不利因素[4],例如开采过程中的凿岩爆破工程易造成生产上的相互干扰,增大地压管理成本和难度;相邻矿山开采中段多、采出矿量大时,将对矿体、围岩造成较强的应力扰动,形成的地表移动带范围扩大甚至将出现“相互重叠”的状态,产生的地表水平变形、垂直沉降将对移动带内的井筒、斜井、尾矿库、矿部、居民区、河床等造成不利影响[5]。因此,探究相邻复杂矿体开采过程与地表稳定性的时空规律,能够为矿山提供合理的安全生产建议,为开采方案设计和优化提供理论依据。

现阶段,地下开采对地表稳定性影响的分析方法主要有数值模拟法、理论法和相似模型模拟法[6-7]。其中较为常用的数值模拟法有适用于连续介质力学的有限元法、边界元法、有限差分法等,以及适用于非连续介质力学的离散元法、流行元法等。近年来,不少学者通过有限元法分析了矿山开采对地表稳定性的影响。邹开华等[8]利用Rhino-Flac3D数值模拟法分析了开采深度与地表岩移的时空演变规律,为矿山合理开采与地表岩移控制提供了理论依据;朱鹏瑞等[9]通过现场监测数据与Flac3D数值模拟结果相结合,综合分析了深部联合开采交错区的应力、位移等时空规律,为深部开采地压显现的监测预警提供了有效手段;张耀平等[10]通过Flac3D对龙桥铁矿空区形成过程进行了模拟计算,认为首先达到极限剪切破坏的区域是空区四周各角处,在此基础上对矿山后续开采设计及生产提供了建议。以上研究表明:基于Flac3D数值模拟法研究地下开采对地表稳定性的影响具有切实可行性,但以往研究倾向于围绕单一矿山开采展开,涉及多矿山、毗邻甚至上下交叠的相邻矿山集中开采的分析较少。因此,本研究以贵溪冷水坑银铅锌矿田内3 座相邻且中段下降速度不同的矿山为例,提出考虑开采过程的Flac3D三维数值模拟计算方法,将实际生产过程与计算工况相结合,研究开采与地表稳定性的时空规律,供相关研究参考。

1 工程概况

江西省贵溪市银珠山矿区(银珠山矿业)、鲍家矿区(鲍家矿业,分南、北矿段和银路岭矿体)、下鲍矿区(银海矿业)均属冷水坑银铅锌矿田[11](图1)。由于该矿田被分割成3 个矿权开采(图1),均有独立的采矿系统,相互毗邻甚至上下交叠,开采深度大、服务年限长、中段下降速度不一致,地表内有工业场地、村庄、公路、河流、尾砂库等重点保护对象,且部分建(构)筑物位于矿山开采地表移动带以内(如银海矿业尾矿库、竖井),开采环境较为复杂。

图1 冷水坑银铅锌矿田各矿权分布示意Fig.1 Distribution schematic of mineral rights in Lengshuikeng Ag-Pb-Zn ore field

银珠山矿业的银珠山矿区位于矿田北部,该矿山正处于基建期,矿区范围最大,银铅锌资源储量最多,设计开采标高最深(+110 ～-640 m),矿山服务年限最长(至2043 年),矿区地表横跨一条公路(乡道)、3个村庄、冷水河、银海矿业尾矿库等。银海矿业的下鲍矿区位于矿田西南部,设计开采标高为-80 ～-420 m,当前生产中段为-160 m 标高,矿山服务年限至2041 年,矿区地表主要为其工业场地。鲍家矿业虽然处于生产状态,但其采矿证内资源即将枯竭(暂未深部延伸)。北矿段位于银珠山矿区南部,与银珠山矿区紧密相接,最低开采标高为+180 m;南矿段平面上位于下鲍矿区范围内,与其部分重叠,垂直方向上+50 m 以上为鲍家南矿段,+50～-70 m为隔离矿柱,-70 m 以下为下鲍矿区,南矿段因采用无底柱分段崩落法形成的采空塌陷区面积约14 300 m2;银路岭矿区位于鲍家北矿段以南,已开采20 余年,现已闭坑,地表已形成约27 000 m2的采空塌陷区。

3 座矿山均属于同一矿田甚至同一矿体,矿区范围属人为分割,矿床类型均主要为层状型(层状、似层状)和斑岩型(透镜状)[12],地层岩性以白垩系下统晶屑凝灰岩(K1e)和燕山期早世花岗斑岩(γπK1e2)为主[13]。

2 矿山建模与数值计算

2.1 矿体建模与网格划分

首先以3 座矿山的储量核实报告、勘探线剖面图等为基础资料,采用相连线段法(显式建模法)建立各矿体模型[14]。然后以矿山1 ∶2 000 实测地形等高线生成地表模型,通过勘探线剖面图中的岩层线将地表模型切割成晶屑凝灰岩(下盘围岩)和花岗斑岩(上盘围岩)两种岩性模型(图2、图3)。最后根据圣维南原理,取X轴方向2 500 m、Y轴方向2 800 m、Z轴方向-850 m 标高至地表为数值模拟范围(图1)。将矿体划分成10 m、围岩划分成20 m 的三角网格,整个模型节点数为1 590 424、单元数为9 413 354。

图2 围岩模型Fig.2 Surrounding rock model

图3 矿体—围岩复合模型Fig.3 Composite model for orebody-surrounding rock

2.2 计算参数选取

由于银珠山矿业未基建开拓、鲍家矿业矿体埋藏较浅,二者存在矿岩体物理力学资料较少、不具代表性等问题,根据《岩石物理力学性质试验规程》(DZ/T 0276—2015)和《工程岩体试验方法标准》(GB/T 50266—2013),在银海矿业下鲍矿区的生产中段对矿体、晶屑凝灰岩、花岗斑岩、充填体进行取样,开展物理力学性质试验。在银海矿业下鲍矿区进行工程/水文地质(结构面)调查,通过GSI 法、弹性波法、系数换算法对矿岩物理力学试验值进行折减,得到矿岩/充填体物理力学参数推荐值,见表1。

表1 岩体力学参数推荐值Table 1 Recommended values of rock mass mechanical parameters

2.3 矿山开采Flac3D 数值模拟计算

2.3.1 边界条件

采用弹塑性力学模型,考虑自重应力。前后左右面(X、Y轴)设置边界位移为0,Z轴方向底部设置边界位移为0,顶部为自由边界。

2.3.2 考虑开采过程的工况设计

为准确模拟相邻复杂矿体开采对地表稳定性的影响过程,选取的开采工况必须与实际生产相结合。故根据冷水坑银铅锌矿田各矿山排采计划(表2),以年份顺序为计算步骤(2025—2043 年),在Flac3D软件中对矿体先开挖,再充填,在此基础上,进入下一状态模拟。具体顺序为:工况1(2025KC)模拟计算开采至银海-120 m 中段→工况2(2025CT)模拟计算充填银海-120 m 中段→工况3(2030KC)模拟计算开采银海-160 m 中段、银珠山110、-240、-390 m 中段→工况4(2030CT)模拟计算充填银海-160 m 中段、银珠山110、-240、-390 m 中段,一直计算(开采、充填)到2043 年银海矿业结束开采。由于鲍家矿业即将闭坑且矿体通地表,数值模拟中只开采不充填。

表2 冷水坑银铅锌矿田各矿山排采计划Table 2 Drainage plan of each mine in Lengshuikeng Silver-lead-zinc Orefield

3 相邻复杂矿体开采过程与地表稳定性时空规律

3.1 稳定性判据

本研究地表稳定性判据指标采用《有色金属采矿设计规范》(GB 50771—2012)、2017 年局部修订的《煤矿采空区岩土工程勘察规范》 (GB 51044—2014)、《采空塌陷防治工程设计规范(试行)》(TCAGHP 012—2018)、《地质灾害地面倾斜监测技术规程(试行)》(T-CAGHP 051—2018)、《煤矿测量规程》(2013 版)、《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》等对于Ⅰ级保护物或一般砖石结构建筑物给出的临界变形极限值(倾斜量i=3 mm/m、曲率变形K= 0.2 mm/m2、水平变形ε=2 mm/m)。

3.2 计算结果及分析

按照冷水坑银铅锌矿田各矿山排采计划确定的计算工况计算后,提取出地表节点的X、Y、Z轴方向上的最大位移值,即Δxmax、Δymax和Δzmax,并计算出相邻点的最大倾斜量imax、最大曲率Kmax及最大水平变形εmax,如图4所示。

图4 数值模拟计算结果Fig.4 Calculation results for numerical simulation

选取各开采年度的充填工况计算结果,将开采年度与Δxmax、Δymax和Δzmax、imax、Kmax、εmax6 个参数进行非线性拟合,得到各变形参数的拟合曲线及方程,如图5所示。

图5 矿体开采过程与地表稳定性参数拟合结果Fig.5 Fitting results of orebody mining process and surface stability parameters

由图4、图5 可知:

(1)冷水坑银铅锌矿田各矿山开采过程中的最大倾斜量imax为0.852 1 mm/m,最大曲率Kmax为0.018 4 mm/m2, 最大水平变形εmax为0.390 1 mm/m,均小于规范要求的临界变形极限值,说明矿田各矿山采用嗣后充填采矿法且保证充填质量的前提下,矿体开采对地表无显著不利影响。

(2) 随着矿田各矿山的开采,Δxmax、Δymax和Δzmax、imax、Kmax、εmax等参数呈双参数递增指数关系,拟合关系式为y=e(cx2+bx+a)(a、b、c为拟合参数,x为开采年份)。且2025—2035 年、2037—2041 年间各地表变形参数增长率均显著增大,是因为银珠山矿业在该生产阶段进行了多中段集中开采,且开采区域内的矿体储量较大;2035—2037 年、2041—2043 年间各地表变形参数增长率均相对较小,前者是因为开采中段相对较少,后者是由于银海矿业结束开采和银珠山矿业深部资源量少所致。

3.3 安全生产建议

针对2025—2035 年和2037—2041 年两个重点生产阶段可能出现地表变形显著增大的情况,相关措施建议为:① 加强对地表的变形监测,在地表设置变形监测点(水平位移、垂直位移、倾斜等),将村庄、主副井、风井、斜坡道、尾矿库、河流等列为重点监测对象。② 加强对井下围岩的地压监测,预防冒顶、片帮等对井下工作人员造成伤害,对不稳定区域采取锚喷、锚管等支护措施,必要时留设保安矿柱。③ 充分保证充填质量,适当提高充填体强度并及时充填采空区。

4 结 论

(1)冷水坑银铅锌矿田各矿山采用嗣后充填采矿法且保证充填质量的前提下,矿体开采对地表无显著不利影响;根据开采过程对地表稳定性的时空规律分析可知,2025—2035 年和2037—2041 年两个重点生产阶段可能出现地表变形显著增大的情况,对此提出了监测、支护、充填采空区等相关建议。

(2)银珠山矿区资源储量最多、开采范围最大、开采标高最深,该矿开采对整个冷水坑银铅锌矿田地表稳定性影响最大,建议矿山基建或试产后,进行采矿方案试验研究,验证该矿区开采作业对地表稳定性及相邻矿山安全的影响。