河流下开采岩层移动及地表变形预测研究-sup-①-_sup-_丁飞.pdf

河流下开采岩层移动及地表变形预测研究 ① 丁 飞1， 付 俊1，2， 周 罕1， 唐绍辉2，3， 黄英华2，3 1.中国有色金属工业昆明勘察设计研究院有限公司,云南 昆明 650000； 2.金属矿山安全技术国家重点实验室,湖南 长沙 410012； 3.长沙矿山研究 院有限责任公司,湖南 长沙 410012 摘 要 山东某铁矿Ⅲ1矿体位于河流下方,为确保地表水体及生产安全,采用地质理论及有限元数值模拟计算结合的方式,开展 了上覆岩层的移动特征及地表变形影响分析。 研究结果表明,理论计算与数值模拟计算的结果基本吻合,地表水体与地下开采不 会相互影响。 关键词 河下采矿； 理论计算； 数值模拟； 岩层移动； 地表变形； FLAC3D 中图分类号 TD325文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2019.05.004 文章编号 0253-6099201905-0014-03 Prediction of Strata Movement and Surface Deation for Mining below Rivers DING Fei1, FU Jun1,2, ZHOU Han1, TANG Shao-hui2,3, HUANG Ying-hua2,3 1.Kunming Prospecting Design Institute of China Nonferrous Metals Industry Co Ltd, Kunming 650000, Yunnan, China； 2.State Key Laboratory of Safety Technology of Metal Mines, Changsha 410012, Hunan, China； 3.Changsha Institute of Mining Research Co Ltd, Changsha 410012, Hunan, China Abstract Due to the location of Ⅲ1ore body in one Shandong iron mine below the river, the geological theory combined with finite element numerical simulation was used to analyze the movement of the overlying strata and the influence on surface deation, for ensuring the safety of the surface water and production environment. It is found that the theoretical calculations are basically consistent with the results from numerical simulation calculation, indicating the surface water will not be affected by underground mining. Key words mining deposit below rivers； theoretical calculation； numerical simulation； strata movement； surface deation； FLAC3D 伴随着资源开采活动的进程,以“三下”开采形式 进行经营的矿山企业越来越多［1］。 同时,矿山企业逐 步开始普及采用充填采矿法,以控制开采区域上覆岩 层的移动变形以及对地表的影响程度,特别是对地表 存在重要建构筑物及大型水体的矿山,采矿方法科学 选取及其开采影响预测研究非常必要［2］。 对河流下开采岩层移动及地表变形的预测研究, 既可验证矿山相对经济可行的开采方式,又可为地表 水体及井下安全开采提供可靠的参考,近年来,我国学 者针对该类矿山开采开展了研究［3-4］。 本文采用相关 工程地质理论计算与有限元数值模拟计算相结合的方 式,进行了河流下开采上覆岩层的移动特征以及地表 变形影响预测研究。 1 工程概况 山东某地下铁矿Ⅲ1矿体埋深 210～400 m,矿体走 向长 920 m,延倾向宽 300 m 左右,厚度 1.23～40.16 m, 倾角 5～20,位于一河流正下方,采矿方法为上向分 层充填法,中段高度 50 m。 矿体顶底板围岩主要为石 炭系板岩、角岩及奥陶系大理岩。 除大理岩正常情况 下稳定性较好外,其他围岩稳定性都很差。 矿床主要 充水因素为地下水,含水性极弱,补给源贫乏,水文地 质条件属中等类型。 地表河流直接位于Ⅲ1矿体正上方地表,为东北- 西南方向流向,最高洪水位 196.5 m 左右,枯水期水深 约 0.15 m,汛期水深约1.5 m。 河水位高于河床以西第 ①收稿日期 2019-04-03 基金项目 国家安全生产监督管理总局第一批安全科技“四个一批”项目安监总厅管一函［2013］121 号文 作者简介 丁 飞1975-,男,云南昆明人,高级工程师,主要研究方向为工程勘察类岩石力学、稳定性分析及地质灾害防治。 第 39 卷第 5 期 2019 年 10 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.39 №5 October 2019 ChaoXing 四系地下水水位,并且第四系砂砾石含水层之上多覆 盖有粘土或亚粘土。 Ⅲ1矿体最高开采标高-96 m,与河床平均垂直距 离约 280 m,地下开采将直接形成与河流的相互影响, 影响程度取决于该区域的地质条件及采矿方法。 2 上覆岩层的移动特征分析 地下岩矿体在开挖以后,地应力发生重新分布,可 能产生局部围岩应力集中,临近围岩则会产生相应的 移动和变形。 采场上覆围岩可能受到不同程度的破 坏,并呈现出明显的“分带” 现象［5］见图 1。 通过 “三下开采”相关理论计算可以预测矿体的导水裂隙 带、合理的防水隔离层厚度及上覆岩层移动特征［6-7］。 图 1 “三带”分布示意 2.1 导水裂隙带高度预测 根据Ⅲ1矿体赋存条件及围岩条件及采矿方法, 可确定导水裂隙带高度公式为 H ＝ 100M 1.6M 3.6 5.61 式中 H 为导水裂隙带高度,m；M 为矿体厚度,m。 计 算得出Ⅲ1号矿体的导水裂隙带高度为 49.72 m。 2.2 防水隔离层厚度预测 根据“三下”开采规程相关防水隔离层的理论,厚 度应满足 Hsh ＝ H b H d H fe 2 式中 Hsh为防水隔离层厚度,m；Hb为保护层厚度,m； Hd为导水裂隙带高度,m；Hfe为基岩风化带高度,m。 因矿体围岩为软弱岩体,根据保护层取值方法,取 Hb＝80 m,Hfe＝ 0 m,计算得出Ⅲ1矿体的防水隔离层 厚度为 129.72 m,小于矿体最高开采标高与第四系含 水层的距离,地下开采不会导通地表水体。 3 地表变形影响分析 为了界定地下开采对地表的影响范围,通常对岩 层移动形成的地表倾斜、曲率及水平变形进行分析,并 最终通过比较变形值,圈定Ⅲ1矿体地下开采对地表 移动的影响范围,确定地下开采对地表水体及建构筑 物的影响程度。 3.1 数值计算模型 数值模拟软件选择目前岩土和采矿行业应用广泛 的 FLAC3D软件［8］。 通过对Ⅲ1矿体、河流及地层界线 数据的提取和分析,建立了三维数值计算力学模型。 模型 x 方向长1500 m,y 方向长1250 m,z 方向范围为 标高-350 m 至地表。 数值模拟计算方案共分 4 个步 骤进行开采及尾砂充填模拟分析。 3.2 岩体物理力学参数 根据相关地质特征及实验参数,岩体物理力学参 数如表 1 所示。 表 1 岩体力学参数汇总表 岩性 弹性模量 / GPa 泊松 比 内聚力 / MPa 内摩擦角 / 抗拉强度 / MPa 容重 / kNm -3 第四系0.780.210.1260.011 800 第三系砾岩1.530.251.06310.022 470 板岩1.430.250.63220.0152 480 磁铁矿25.430.256.83440.293 670 大理岩21.650.283.94350.592 690 尾砂充填体1.000.270.05270.11 945 3.3 影响范围的界定依据 根据“三下”开采规程,采用地表变形对应的 3 个 参数值来界定地表影响范围,即倾斜 i＝3.0 mm/ m、曲 率 K＝0.2 mm/ m2、水平变形 ε＝2.0 mm/ m。 3.4 数值模拟计算结果 3.4.1 影响范围分析 数值模拟整个过程中,地表最大全位移变化范围 在 0～0.065 m 之间,0.01 m 边界移动范围南北向变化 在 0～1 075 m 之间,东西向在 0～892 m 之间,最终竖 向位移等值线图及变化趋势见图 2 和图 3。 由图 2～3 可见,最大位移值缓慢增加,南北、东西范围曲线在开 图 2 竖向位移等值线图 51第 5 期丁 飞等 河流下开采岩层移动及地表变形预测研究 ChaoXing 开采步数 1200 1000 800 600 400 200 0 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0.00 第1步第2步第3步第4步 位移范围/ m 最大全位移/ m ▲ ▲ ▲ ▲ ● ● ● ● ◆ ◆ ◆ ◆ 最大全位移 东西位移范围 南北位移范围 ● ▲ ◆ 图 3 各阶段最大全位移及范围变化趋势 采过程中均呈现一个趋于平稳的趋势,第 3 步开采至 矿体开采结束时,0.01 m 移动范围基本不再扩大,表 明矿山地下开采对地表影响逐渐减缓,充填法采矿能 够有效控制地表位移。 3.4.2 影响程度分析 地表倾斜方面,由于地表竖向位移值较小,相应的 地表倾斜值较小,南北向倾斜的两个区域绝对值最大值 均为 0.000 22 m/ m,东西向倾斜正、负倾斜区域的倾斜 绝对值最大值分别为 0.000 18 m/ m 和 0.000 16 m/ m, 均未达到 0.003 m/ m。 地表曲率方面,南北向曲率正、负区域绝对值最大 值分别为 3.6 10 -6 m/ m2和1.4 10 -6 m/ m2；东西向曲 率的正、负区域绝对值最大值分别为 2.8 10 -6 m/ m2和 8.0 10 -7 m/ m2, 均未达到 0.000 2 m/ m2。 地表水平变形方面,南北向水平变形正、负变形区 域绝对值最大值分别为1 10 -4 m/ m和1.8 10 -4 m/ m； 在东西向水平变形正、负变形区域绝对值最大值分别为 6 10 -5 m/ m 和1.4 10 -5 m/ m, 均未达到0.002 m/ m。 各变形值等值线图见图 4～6。 经对比“三下”开 采规程,可以得出地表变形值均小于规程中最低等级 对应值,地下开采对地表建构筑物及水体的扰动较小。 图 4 南北向倾斜等值线图 图 5 南北向曲率等值线图 图 6 南北向水平变形等值线图 4 结 论 1 理论计算结果表明,Ⅲ1号矿体的导水裂隙带 高度为 49.72 m,防水隔离层厚度为 129.72 m,小于矿 体最高开采标高与第四系含水层的距离,地下开采不 会导通地表水体。 2 数值模拟计算结果表明,地表移动范围在开采 过程中均呈现一个趋于平稳的趋势,矿山地下开采对 地表影响逐渐减缓,充填法采矿能够有效控制地表位 移。 经对比“三下”开采规程,可以得出地表变形值均 小于规程中最低等级对应值,地下开采对地表建构筑 物及水体的扰动较小,计算结果与理论计算吻合。 参考文献 ［1］ 陈俊杰,郭文兵,邹友峰. 大型水体下顶水安全开采的可行性研究［J］. 中国安全科学学报, 2011,21257-62. ［2］ 梅文泽,杜计平,韩可琦. 水库下安全采煤可行性研究［J］. 矿山 压力与顶板管理, 2003486-88. 下转第 21 页 61矿 冶 工 程第 39 卷 ChaoXing 其中 K1～K12 为空孔,空孔直径89 mm,为爆破提拱自 由面和补偿空间；1～31 号炮孔为装药孔,炮孔直径为 76 mm。 中央掏槽区“田字形”区域孔网参数 0.25 m 0.25 m, 外面炮孔环形布置,第一圈半径0.45 m,布置 12 个孔,其中 1 个炮孔直径 76 mm间隔 2 个空孔 直径 89 mm布置,第二圈半径 0.8 m,布置 10 个孔, 炮孔直径 76 mm,第三圈半径1.3 m,布置 12 个孔,炮 孔直径 76 mm。 装药采用粒状乳化炸药5.2 kg/ m, 孔口堵塞长度 1.0～1.5 m。 整个掏槽区域起爆顺序为 中心孔先响,由内向外逐圈起爆,进而形成切割天井, 随后以天井为自由面,依次向外爆破至东西两侧采场 控制线,形成切割槽。 现场切割天井区域炮孔爆破参 数见表 3。 表 3 切割天井区域炮孔爆破参数 炮孔名称编号个数/ 个深度/ m装药量/ kg爆破顺序 中心炮孔1～559.52211 第一圈炮孔6～949.51772 第二圈炮孔10～19109.54423 第三圈炮孔20～31129.55304 在试验采场第一次掏槽爆破结束后,经观察现场 爆破效果发现,掏槽区域可以形成较好的切割槽空区, 空区深度较深,东西两侧范围均能达到设计要求,且爆 破块度较均匀,大块率较小,掏槽爆破效果好,进而表 明切割天井中心炮孔和第一圈炮孔布置参数采用方案 3炮孔直径 76 mm、空孔直径 89 mm时,切割天井成 井效果好,能够为后续掏槽爆破提供充足的自由面及 补偿空间。 6 结 论 通过对比分析 3 种模拟方案的掏槽爆破效果以及 进行现场试验,可以得到以下结论 1 空孔直径大小直接影响着爆破效果的优劣,较 大的空孔不仅可以为爆破提供较大的补偿空间,还可 以提供更大的自由面,有利于反射应力波,以更好地破 岩,所以在现场施工中应结合实际情况选取较大的空 孔直径。 2 过小的药量由于能量不够,不足以破碎与空孔 间的矿岩或者造成大块率过高,所以为了得到爆破块度 合理、单耗适中的爆破效果,应选取合理的炮孔直径。 3 根据数值模拟掏槽爆破效果对比分析可知,炮 孔直径 76 mm、空孔直径 89 mm 方案有较好的掏槽空 区形成,大块率较小,掏槽爆破结果较好,掏槽爆破条 件最优。 4 现场试验对切割天井区域炮孔布置优化方案 炮孔直径 76 mm、空孔直径 89 mm的有效性及可行 性进行了验证,表明该方案可以有效地掘进切割天井, 能够为后续掏槽爆破提供充足的自由面及补偿空间, 进而形成较好的切割槽,为中深孔采场掏槽爆破提供 借鉴。 参考文献 ［1］ 陈士海,魏海霞,薛爱芝. 坚硬岩石巷道中深孔掏槽爆破试验研究［J］. 岩石力学与工程学报, 2007,26S13498-3502. ［2］ 李启月,李夕兵,范作鹏,等. 深孔爆破一次成井技术与应用实例 分析［J］. 岩石力学与工程学报, 2013,324664-670. ［3］ 刘优平,黎剑华,林大能,等. 掏槽爆破中空孔效应的理论与试验 研究［J］. 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