深井空场法开采急倾斜薄矿脉地表沉降规律研究-sup-①-_sup-_黄英华.pdf

深井空场法开采急倾斜薄矿脉地表沉降规律研究 ① 黄英华１,２, 付 俊１,２, 郭 岩３ （１．长沙矿山研究院有限责任公司 安全中心，湖南 长沙 ４１００１２； ２．金属矿山安全技术国家重点实验室，湖南 长沙 ４１００１２； ３．国家安全生产监督管理 总局，北京 １０００１３） 摘 要 采用二维有限元程序，模拟计算了不同倾角薄矿脉由浅至深开采过程中地表沉降范围和最大下沉量随倾角及开采深度的 变化趋势。 结果表明，倾角越大，开始产生地表下沉的深度也越大，而地表下沉范围越小，当矿体倾角足够大时，甚至不会在地表形 成下沉盆地；随开采深度增大，下沉范围由近空区上盘围岩呈下开口抛物线逐渐向地表发展，当在地表形成下沉盆地后，其地表沉 降范围及最大下沉量似线性增长，其中，地表下沉范围扩展速度与矿体倾角无关。 关键词 深井； 空场法； 急倾斜薄矿脉； 地表沉降； 地表最大下沉量 中图分类号 ＴＤ３２５文献标识码 Ａｄｏｉ１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３－６０９９．２０１７．０６．００４ 文章编号 ０２５３－６０９９（２０１７）０６－００１８－０３ Ｓｕｒfａcｅ Ｓｕｂsｉｄｅｎcｅ Rｕｌｅ fｏｒ Ｍｉｎｉｎｇ Ｓtｅｅpｌｙ Iｎcｌｉｎｅｄ Ｔｈｉｎ Vｅｉｎs ｂｙ Ｏpｅｎ Ｓtｏpｉｎｇ Ｍｅtｈｏｄ ｉｎ Ａ Ｄｅｅp Wｅｌｌ ＨＵＡＮＧ Ｙｉｎｇ⁃ｈｕａ１，２， ＦＵ Ｊｕｎ１，２， ＧＵＯ Ｙａｎ３ （１．Ｓｅｃｕｒｉｔｙ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｃｈａｎｇｓｈａ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｏ Ｌｔｄ， Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００１２， Ｈｕｎａｎ， Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｓａｆｅｔｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｍｅｔａｌ Ｍｉｎｅ， Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００１２， Ｈｕｎａｎ， Ｃｈｉｎａ； ３．Ｓｔａｔｅ Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｗｏｒｋ Ｓａｆｅｔｙ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００１３， Ｃｈｉｎａ） Ａｂstｒａct Ｔｈｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ ｓｃｏｐｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｍｉｎｉｎｇ ｄｅｅｐｅｎｉｎｇ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ｕｓｉｎｇ ｔｗｏ⁃ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｐｒｏｇｒａｍ ｂｙ ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ ｓｔｏｐｉｎｇ ｍｉｎｉｎｇ ｏｆ ｉｎｃｌｉｎｅｄ ｔｈｉｎ ｏｒｅ ｖｅｉｎｓ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｄｉｐ ａｎｇｌｅ． Ｉｔ ｉｓ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ ａ ｌａｒｇｅｒ ｄｉｐ ａｎｇｌｅ ｗｉｌｌ ｉｎｉｔｉａｌｌｙ ｒｅｓｕｌｔ ｉｎ ａ ｄｅｅｐｅｒ ｓｕｒｆａｃｅ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ ｗｉｔｈｉｎ ａ ｓｍａｌｌｅｒ ｓｃｏｐｅ． Ａｎｄ ａ ｓｕｆｆｉｃｉｅｎｔｌｙ ｌａｒｇｅ ｄｉｐ ａｎｇｌｅ ｅｖｅｎ ｗｏｎ′ｔ ｌｅａｄ ｔｏ ａ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ ｂａｓｉｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ． Ｈｏｗｅｖｅｒ， ｗｉｔｈ ａｎ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｉｎ ｔｈｅ ｍｉｎｉｎｇ ｄｅｐｔｈ， ｔｈｅ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ ｓｃｏｐｅ ｗｉｌｌ ｇｒａｄｕａｌｌｙ ｄｅｖｅｌｏｐ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ｏｆ ｈａｎｇｉｎｇ ｗａｌｌ ｔｏｗａｒｄ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ． Ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ ｂａｓｉｎ ｉｓ ｆｏｒｍｅｄ， ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ ｓｃｏｐｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ ｗｉｌｌ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｌｉｎｅａｒｌｙ， ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｒａｔｅ ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｉｐ ａｎｇｌｅ ｏｆ ｏｒｅｂｏｄｙ． Ｋｅｙ wｏｒｄs ｄｅｅｐ ｗｅｌｌ； ｏｐｅｎ ｓｔｏｐｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ； ｓｔｅｅｐｌｙ ｉｎｃｌｉｎｅｄ ｔｈｉｎ ｖｅｉｎ； ｇｒｏｕｎｄ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ； ｍａｘｉｍｕｍ ｓｕｒｆａｃｅ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ 地下开采必然引起采空区围岩自然应力状态及上 覆岩体内部原始应力平衡状态受到破坏，由于岩体内 部应力经重新分布后已达到新的应力平衡，导致上覆 岩体移动与变形，最终传递到地表，引起地表开裂、变 形及沉降等。 由于金属地下矿山开采引起的岩体移动 受地质条件、地质构造、开采方式等众多因素影响，表 现出不同的岩体移动特征和地表变形形态，造成地表 岩体移动范围难以准确界定。 在地下金属矿山中，由于地表移动范围圈定不合 理，造成地表建筑物和生产设施处于移动区内而产生 变形破坏，不仅给矿山造成了经济损失，而且对矿山的 安全生产构成巨大的威胁。 随着浅部资源的枯竭，金 属矿山开采逐步向深度发展，浅部开采的岩移规律已 明显不符合深井开采，因此确定深井开采引起的地表 岩移范围是面临的新难题。 合理确定深井地下开采引 起的上覆岩层移动及地表影响范围，关系到矿山总图 设计、土地征购和复垦、矿山可持续发展以及矿山安全 生产。 １ 急倾斜薄矿体开采岩移变形破坏特征 １.１ 采通至地表的岩移变形破坏特征 当采用空场法开采急倾斜矿体采通至地表后，地 ①收稿日期 ２０１７－０５－０４ 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 黄英华（１９８０－），男，湖南常德人，硕士，高级工程师，主要从事采矿工程及岩石力学研究。 第 ３７ 卷第 ６ 期 ２０１７ 年 １２ 月 矿矿 冶冶 工工 程程 ＭIＮIＮＧ ＡＮＤ ＭＥＴＡLLＵRＧIＣＡL ＥＮＧIＮＥＥRIＮＧ Ｖｏｌ．３７ №６ Ｄｅｃｅｍｂｅｒ ２０１７ ChaoXing 表至开采水平的矿体范围内会形成采空区［１－５］。 由于 空区上盘岩体失去原有的支撑，近地表空区上盘岩体 在自重力、水平构造应力和构造弱面的共同作用下，形 成张拉裂缝和剪切破坏面，并逐步垮塌或整体滑移至 采空区。 随着开采向下延伸，上盘悬空岩体的高度会 越来越大，产生逐渐向外围发展的张拉裂缝（下盘也 有少量发展），因贯通性裂缝和剪切破坏面垮塌形成 的地表塌陷范围也会越来越大，产生随开采深度增加 近地表上盘岩体渐进式破坏的发展模式。 １.２ 留有岩帽的岩移变形破坏特征 急倾斜矿体空场法开采过程中，当未采通至地表、 采空区至地表留有岩帽时，其上盘岩体的受力和岩移 模式较采通至地表的上盘岩体有较大区别，其主要原 因是有岩帽对上下盘围岩的支撑作用。 当急倾斜矿体开挖后，其围岩移动主要有两种类 型一种是与矿体开采边界正交或者近似正交的岩体 运动，它们是由矿体的上、下盘岩体向采空区弯曲及进 一步破坏而引起的；另一种是与矿体开采上、下边界垂 直或正交，包括与矿体延伸方向平行的岩体运动，围岩 移动及变形过程中伴随着结构面、岩层界面等软弱面 的剪切。 在采动影响下，岩体移动逐渐传递到地表，并 最终在地表形成沉陷盆地。 而地表最终沉陷沉降曲线 则是由 ３ 种不同的单一沉降曲线共同叠加而成，分别 是矿体上、下盘岩体向采空区弯曲及进一步破坏产生 的地表沉降曲线，矿体顶部与矿体延伸方向平行的岩 体运动而引起的地表沉降曲线。 ３ 种不同的单一沉降 曲线共同在地表形成具有上、下盘双沉陷中心的沉陷 最终曲线。 随着开采的下向发展，采空区上盘覆岩的岩移范 围主要位于空区的偏上方，岩体在自重力及水平构造 应力的作用下，顶板产生法向弯曲，同时，受矿体倾向 方向分力作用产生沿倾向的采空区方向的移动和滑 落。 随着矿体倾角增加，岩体沿法向应力不断减小，轴 向应力增加，产生沿倾向的岩体剪切或滑动的趋势更 加明显。 当矿体倾角大于 ５０时，此现象可扩展到矿 体下盘岩体。 ２ 模型建立 根据国家安全生产监督管理总局安全科技“四个 一批”项目超深井金属矿山开采地表岩移预测和安 全控制关键技术研究专题中急倾斜薄矿脉岩移影响 因素的正交实验分析结果，影响岩移因素的敏感程度 排序为开采深度 ＞ 矿体倾角 ＞ 岩体质量 ＞ 矿体厚 度［６－７］。 为研究未采通至地表急倾斜薄矿脉深井空场法开 采岩移范围及岩移角的变化规律，根据空场法开采的 适用条件，在留设顶底柱后，采空区不出现大范围跨冒 的前提下，分别对不同矿体倾角和采深情况下的岩移 范围及岩移角变化进行计算。 岩移考虑的影响因素及 水平见表 １。 计算分析模型见图 １。 模型中不考虑矿 体厚度变化的影响，均取矿体厚度 １ ｍ，岩体质量按国 标 ＢＱ 分级Ⅱ级取值，地表至空区岩帽厚度 ５０ ｍ，顶柱 ３ ｍ，底柱 ４ ｍ，中段高度 ５０ ｍ。 表 １ 岩移主要影响因素及水平 水平 岩移影响因素 岩体质量等级矿体倾角／ （）矿体厚度／ ｍ开采深度／ ｍ １Ⅱ６０１５００ ２Ⅱ７０１１ ０００ ３Ⅱ８０１１ ５００ 图 １ 典型计算模型 ３ 计算结果及分析 ３.１ 地表下沉盆地与采深的关系 由于矿体围岩条件较好，急倾斜薄矿脉深井空场 法开采，在留设足够的顶底柱和间柱而未出现大范围 地压活动现象时，产生的地表下沉总体上不太显现。 但地表下沉量与开采深度和矿体倾角之间存在一定的 数学关系，为此，根据矿体倾角分类，分别对倾角 ６０、 ７０、８０的矿体，在开采深度 ５００ ｍ、１ ０００ ｍ、１ ５００ ｍ 所产生的地表最大下沉量进行了分析，提取每 １００ ｍ 采深所产生的地表最大下沉量值数据绘制变化曲线， 见图 ２。 急倾斜薄矿脉空场法开采后，矿体上下盘围岩有 向采空区闭合的趋势，该岩体移动波及地表并在上下 盘地表形成相对称的下沉盆地，上盘地表下沉盆地规 模及下沉量均明显大于下盘地表下沉盆地。 矿体倾角 越缓，上盘地表下沉盆地规模及下沉量越大，而下盘反 之，当矿体倾角大于 ８０时，上下盘围岩的岩移逐渐朝 同一趋势发展，并最终形成规模及下沉量基本相同的 双地表下沉盆地。 ９１第 ６ 期黄英华等 深井空场法开采急倾斜薄矿脉地表沉降规律研究 ChaoXing 距离/m 0.005 0 -0.005 -0.010 100002000300040005000 c 500 m 1000 m 1500 m 0.01 0 -0.01 -0.02 -0.03 下沉量/m b 500 m 1000 m 1500 m 0.02 0 -0.02 -0.04 -0.06 a 500 m 1000 m 1500 m 图 ２ 不同倾角矿体开采随采深的地表下沉曲线 （ａ） ６０； （ｂ） ７０； （ｃ） ８０ 由图 ２ 可见，随着开采深度增大，上盘地表下沉中 心朝距矿体远方向移动，但始终保持位于矿体倾向水 平投影的中心位置，同时，矿体倾角越大，下沉中心移 动越小。 结合此次模拟计算结果，开采深度 ５００ ～ １ ５００ ｍ 过程中，６０、７０、８０倾角矿体上盘地表下沉 中心位置移动了 ２００ ｍ 以上，其中，６０倾角的上盘地 表下沉中心移动距离达到 ４００ ｍ 以上。 整体而言，小倾角的矿体地表下沉范围要远大于 大倾角矿体的下沉范围，开采深度越大，地表下沉量近 似线性增大，矿体倾角越大，地表下沉量越小。 模拟计 算结果表明，开采深度 ５００～１ ５００ ｍ 过程中，６０、７０、 ８０倾角矿体地表最大下沉量分别为 ４３、２０、８ ｍｍ。 ３.２ 上盘沉降范围及趋势 急倾斜薄矿脉空场法开采后在地表上下盘形成双 下沉中心，上盘地表下沉盆地规模及下沉量均明显大 于下盘地表下沉盆地，为清楚反映上盘下沉盆地随开 采深度及矿体倾角的变化趋势，根据地下矿山开采下 沉盆地边界角的定义，取地表下沉值 １０ ｍｍ 为下沉盆 地边界，分别对倾角 ６０、７０、８０矿体在不同开采深度 引起的地表下沉盆地范围进行数据提取和统计，结果 见图 ３～４。 由图 ３～４ 可知，随开采深度增大，急倾斜 薄矿脉空场法开采上盘下沉范围由近空区围岩呈下 开口抛物线逐渐向地表发展。 当在地表形成下沉盆 地后，上盘围岩的沉降边界又类似于上开口抛物线 轴线左侧曲线，有别于按传统边界线划定的上盘沉 降范围。 图 ３ 不同开采深度所对应的上盘下沉范围 （ａ） ６０； （ｂ） ７０； （ｃ） ８０ 开采深度/m ■ ■ ■ ■ ■ ■ 1800 1500 1200 900 600 300 0 6004008001000120014001600 地表沉降范围/m ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ 60 70 ■ ◆ 图 ４ 地表下沉范围变化趋势曲线 不同矿体倾角产生地表下沉盆地的深度和范围各 不相同，倾角越大，开始产生地表下沉的深度也越大， （下转第 ２５ 页） ０２矿 冶 工 程第 ３７ 卷 ChaoXing 图 ４ 为拖曳力系数比 Ｃ′ Ｄｇ／ Ｃ′Ｄ与颗粒群体积浓度 Ｃｖ的关系。 体积浓度/ 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 10020304050 拖曳力系数比 ■ ■■ ■ ■ ■ ■ ■ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ◆ ◆ ◆ ◆◆ ◆ ◆ ◆ 模拟结核, d 15 mm 模拟结核, d 25 mm 天然结核, d 18 mm 天然结核, d 28 mm 图 ４ 拖曳力系数比与颗粒群体积浓度的关系 ４ 结 语 按照国家或行业规程对天然多金属结核的物理特 性 进行了测量，获得了结核密度、孔隙率、粒级组成、 抗压强度和显微硬度等的实测结果，为采矿系统的水 力学计算提供了基础数据。 参考文献 ［１］ Ｃｈｉ Ｈｏ Ｙｏｏｎ， Ｊｏｎｇｇｅｌ Ｋｉｍ． Ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｉｚｅ ａｎｄ ｃｏｍｐｏ⁃ ｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｍａｎｇａｎｅｓｅ ｎｏｄｕｌｅ ｃｏｍｍｉｎｕｔｅｄ ｄｕｒｉｎｇ ｌｉｆｔｉｎｇ［Ｊ］． Ｇｅｏｓｙｓｔｅｍ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， ２０１５，１８（６）３４８－３５２． ［２］ 野田佳六，川岛俊夫，吉尺幸雄． 固体粒子の水力输送に关する研 究 单粒子の终速度たちびに粒群の终速度と抗力系数［Ｊ］． 日本矿业会志， １９７０，８６（１）９８１． ［３］ Ｊｅｒｚｙ Ｓｏｂｏｔａ，Ｓｔａｎｉｓｌａｗ Ｂｏｃｚａｒｓｋｉ． Ｓｌｉｐ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｉｎ ｎｏｄｕｌｅｓ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｆｌｏｗ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ［ Ｃ］ ∥Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ｆｏｕｒｔｈ ｏｃｅａｎ ｍｉｎｉｎｇ ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ，Ｓｚｃｚｅｃｉｎ， Ｐｏｌａｎｄ，２００１１２７－１３１． ［４］ 黄家桢，王盛展． 水力提升技术研究［Ｒ］． 北京中国大洋矿产资 源研究开发协会， １９９５． ［５］ 邹伟生． 扬矿硬管系统工艺与参数研究［Ｒ］． 北京中国大洋矿产 资源研究开发协会， １９９９． 引用本文 邹伟生,曹鸿灿,刘瑞仙． 海洋矿物的物理及水力学特性研 究［Ｊ］． 矿冶工程, ２０１７,３７６２１－２５． （上接第 ２０ 页） 地表下沉范围越小，当矿体倾角足够大时，甚至不会在 地表形成下沉盆地。 本次模拟计算结果表明，倾角 ６０和 ７０矿体空场法开采产生地表下沉的深度分别 为 ６００ ｍ 和 １ ０００ ｍ，而同样开采技术条件下倾角 ８０ 矿体，当开采深度达 １ ５００ ｍ 时，地表也不会产生下 沉，仅在上盘部分围岩中出现较明显的位移。 当地表形成下沉盆地后，随采深增大，地表盆地范 围呈线性扩大，其扩展速度与矿体倾角无关。 ４ 结 论 １） 空场法开采的急倾斜薄矿脉，在上、下盘地表 形成相对称的下沉盆地，上盘地表下沉盆地规模及下 沉量均明显大于下盘地表下沉盆地。 矿体倾角越缓， 上盘地表下沉盆地规模及下沉量越大，而下盘反之，当 矿体倾角大于 ８０时，上下盘围岩的岩移逐渐朝同一 趋势发展，并最终形成规模及下沉量基本相同的双地 表下沉盆地。 ２） 急倾斜薄矿脉空场法开采上盘下沉范围，随开 采深度增大，由近空区围岩呈下开口抛物线逐渐向地 表发展。 当在地表形成下沉盆地后，上盘围岩的沉降 边界又类似于上开口抛物线轴线左侧曲线，有别于按 传统边界线划定的上盘沉降范围。 ３） 不同矿体倾角产生地表下沉盆地的深度和范 围各不相同，倾角越大，开始产生地表下沉的深度也越 大，地表下沉范围越小，当矿体倾角足够大时，甚至不 会在地表形成下沉盆地。 ４） 小倾角矿体地表下沉范围及最大下沉量远大 于大倾角矿体，随开采深度增大，地表下沉范围及最大 下沉量似线性扩长，其中，地表下沉范围扩展速度与矿 体倾角无关。 参考文献 ［１］ 王明旭，许梦国，程爱平，等． 复杂地质条件下两种采矿方法共同 开采时地表变形规律研究［Ｊ］． 矿冶工程， ２０１７（２）２８－３１． ［２］ 陶 峰，陈俊智． 急倾斜矿体持续开采对空区上覆岩层的影响 ［Ｊ］． 价值工程， ２０１４（４）２９２－２９３． ［３］ 袁仁茂，马凤山，邓清海，等． 急倾斜厚大金属矿山地下开挖岩移 发生机理［Ｊ］． 中国地质灾害与防治学报， ２００８，１９（１）６２－６６． ［４］ 刘宝琛，廖国华． 煤矿地表移动的基本规律［Ｍ］． 北京中国工业 出版社， １９６５． ［５］ 吕泰和． 急倾斜煤层开采引起断裂岩体移动规律［Ｊ］． 矿山测量， １９８１（３）２４－２５． ［６］ 唐绍辉，黄英华，付 俊，等． 超深井金属矿山开采地表岩移预测 和安全控制关键技术研究［Ｒ］． 长沙长沙矿山研究院有限责任 公司， ２０１５． ［７］ 黄英华，付 俊，郭 岩． 超深井急倾斜薄矿脉开采地表岩移规律 研究［Ｊ］． 矿业研究与开发， ２０１５，３５（６）５９－６２． 引用本文 黄英华,付 俊,郭 岩． 深井空场法开采急倾斜薄矿脉地 表沉降规律研究［Ｊ］． 矿冶工程, ２０１７,３７６１８－２０． ５２第 ６ 期邹伟生等 海洋矿物的物理及水力学特性研究 ChaoXing