急倾斜矿体开采岩体移动规律与变形机理.pdf

第40卷第5期 中南大学学报自然科学版 Vol.40 No.5 2009 年 10 月 Journal of Central South University Science and Technology Oct. 2009 急倾斜矿体开采岩体移动规律与变形机理 赵海军 1，马凤山1，丁德民1，高建科2，杨长祥2，卢耀军2 1. 中国科学院地质与地球物理研究所工程地质力学重点实验室，北京，100029； 2. 金川集团有限公司二矿区，甘肃 金昌，737100 摘 要为了研究急倾斜矿体开采的岩移规律与变形机理，采用数值模拟的方法，对急倾斜矿体在高构造应力和 自重应力 2 种条件下的岩移特征进行对比分析。研究结果表明当开采区在竖直方向上的高度远小于矿体在水平 方向上的长度时，在这 2 种应力条件下都具有类似水平矿体开采的地表岩移特征；反之，在高构造应力条件下， 急倾斜矿体开采地表出现双沉降中心的现象，而在自重应力条件下只存在单沉降中心；在高构造应力条件下，急 倾斜矿体开采在地表移动变形量、移动变形影响区规模及地表宏观变形破坏特征上与自重应力条件下相比都有较 大差异，原岩应力场中作为特征量的最大主压应力的取向对岩移行为的影响是产生这差异的根本原因。 关键词高构造应力；自重应力；急倾斜矿体；地表移动；变形机理 中图分类号TD311；TD325 文献标识码A 文章编号1672−7207200905−1423−07 Law of ground movement and its deation mechanism induced by mining steep deposit ZHAO Hai-jun1, MA Feng-shan1, DING De-min1, GAO Jian-ke2, YANG Chang-xiang2, LU Yao-jun2 1. Key Laboratory of Engineering Geomechanics, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China; 2. Mining Area No.2, Jinchuan Group Co. Ltd., Jinchang 737100, China Abstract Based on numerical simulation, the ground movement laws and deation mechanism were studied at mining steep deposits in high tectonic stress area and in gravity stress area. The results show that, when the vertical size of the mining areas is smaller than the horizontal size of the orebody, no matter mining is in gravity stress area or in high tectonic stress area, they have similar features of ground movement with mining horizontal orebody; contrarily, there appear double settlement centers on the ground surface under the condition of mining in high tectonic stress area, while there is always a single center under the other condition. Meanwhile the ground movement lever, scale of mining influence area and macro features of ground movement, deation and fracture are also different from mining in gravity stress area. The fundamental reason consists in the impact of orientation of the maximum principal stress on rock movement features in in-site rock stress field. Key words high tectonic stress; gravity stress; steep deposit; ground movement; deation mechanism 地表移动和变形量测是矿山开采研究中的重要内 容，也是井下采矿工作面推进过程中岩体移动在地表 上的动态反映和获取地表动态移动和变形规律基础数 据的必要工作。我国对煤矿地表移动规律进行了大量 研究[1−3]， 但是， 对于急倾斜金属矿体开采地表移动规 律的研究还不够深入，这主要是因为黑色金属、有色 金属等均具有与沉积煤矿不同的岩体、地质和开采条 件，导致采用空场法、留矿法、充填法开采的急倾斜 收稿日期2008−08−10；修回日期2008−11−09 基金项目中国科学院知识创新工程重要方向性项目KZCX2-YW-113；国家自然科学基金资助项目40702048 通信作者赵海军1981−，男，宁夏中卫人，博士研究生，从事工程地质与岩土工程研究；电话010-82998590； E-mail Jonavy 中南大学学报自然科学版 第 40 卷 1424 金属矿山难以应用煤矿通用的方法来研究地表移动规 律[4−13]。在高构造应力条件下，急倾斜矿体开采引起 的地表移动、变形规律不同于仅有自重应力条件下的 地表移动规律。前者对地表岩体的变形和改造不仅有 自重应力对地表岩体的变形和改造作用，而且叠加了 一个水平系统的变形和改造作用。为了研究及阐述方 便，这里将仅受自重体积力作用的研究区称为自重应 力型地区，将水平构造应力为最大主压应力的高构造 应力研究区简称为构造应力型地区。构造应力型矿山 开采引起的地表移动、变形可理解为自重体积力作用 与水平构造应力作用双重影响的结果[11−14]。我国对金 属矿山开采沉降规律的研究主要是通过建立各类观测 站，确定移动角，采用岩移随机介质理论对金属矿体 开采沉降与急倾斜矿体开采沉降问题进行了大量研 究[13]。然而，目前，对高构造应力区急倾斜矿体开采 岩体移规律、发生机制、与自重应力型矿体开采岩移 的对比研究和宏观破坏特征的机理分析方面的研究还 较少，在此，本文作者对其进行研究。 1 构造应力型急倾斜矿体开采岩移 规律与发生机制 1.1 计算模型与参数选取 选择金川 2 矿区 14 行剖面即金川矿山第 2 个主 采矿区的第 14 行勘探线作为平面地质模型，此剖面 内的岩组主要有富矿、贫矿，含矿超基性岩、大理岩 和混合岩。采用 FLAC3D有限差分软件，模型大致通 过矿体中心，总长取 4 km，最深边界达 950 m，共划 分 17 939 个单元，18 220 个节点。模型的边界约束条 件如图 1 所示，在模型的两侧面约束水平位移，模型 底边界约束垂直位移，模型纵向约束全部位移，模型 的上边界为自由表面， 数值模拟计算参数如表 1 所示。 图 1 数值模型剖面示意图 Fig.1 Cross-section map of numerical model 表 1 数值模拟计算参数 Table 1 Parameters in numerical simulation 岩 性 容重/ KNm−3 弹性模 量/GPa 泊松比 粘聚力 /MPa 内摩擦 角/˚ 抗拉强 度/MPa 混合岩30.0 2.2 0.25 2.0 44 2.0 矿体 29.3 2.5 0.23 1.0 42 0.8 超基性岩29.3 2.2 0.25 1.0 42 0.8 大理岩30.0 2.2 0.25 2.0 44 2.0 充填体20.0 0.2 0.28 0.1 44 0.1 根据高地应力判别标准，矿区地应力基本上属于 中高超高。在地表附近，最大水平主压应力约为 3 MPa。 应力随深度增大而增大， 在深度 200500 m 处， 最大主应力一般为 2030 MPa，最高实测值为 50 MPa。在单元上施加梯形分布的水平初始应力。矿区 地应力随深度变化的经验计算公式为[15] ⎪ ⎩ ⎪ ⎨ ⎧ 。 ;027. 00 . 3 ;045. 00 . 3 3 2 1 h h h γσ σ σ 式中σ1为最大主压应力；σ2为中间主压应力；σ3为 最小主压应力；h 为岩体埋藏深度；γ 为岩体容重。 1.2 计算方案 为了揭示高构造应力条件下开采引起地表沉降特 征与自重应力条件下开采的不同，分别在 2 种应力条 件下进行开挖回填模拟。 每种情况都分 3 个阶段进行 首先， 采用单中段下向充填法开采高程为 1.3381.248 km 水平的矿体， 共分 9 步开挖， 开挖后立即进行充填； 从第 10 步开始进行双中段开采，上部从 1.248 km 水 平下向充填开采，下部从 1.148 km 水平下向开采，直 至水平矿体采完，共分 10 步开挖；最后，继双中段开 采结束的1.048 km水平再次进行单中段下向充填法开 采至 1.008 km，全过程共开挖 23 次，充填 23 次，单 次开挖高度为 10 m。 1.3 计算结果分析 1.3.1 地表沉降和水平移动特征 对地下开采引起的地表岩体沉降和水平移动特征 的研究是矿山开采研究的重要内容。 为方便对比研究， 将 2 种应力条件下开挖充填的不同阶段的地表单元节 点位移全部输出， 并分别绘制了地表沉降分布曲线图 2 和图 3和地表水平移动分布曲线见图 4 和图 5。 从图 2 可以看到，在只有自重应力下，地表沉降 规律性明显，下沉分布曲线基本上呈对称分布。随着 开采深度的加大，尤其双中段开始后，沉降量明显增 第 5 期 赵海军，等急倾斜矿体开采岩体移动规律与变形机理 1425 大，形成尖底形状。在整个采充过程中，矿体上盘图 中心左侧岩体沉降速度稍大于下盘沉降速率， 且最大 沉降中心向矿体上盘方面有一个小幅度偏移，这与矿 体陡倾，随采深加大，采场向上盘方面移近相关。图 3 所示为构造应力型开采引起的地表沉降分布曲线。 在单中段开采阶段，地表沉降曲线特征与自重条件下 的沉降特征相似，但沉降量只有自重条件下沉降量的 75.3。在双中段开采到第 4 步时，矿体靠近沉降中 心的下盘区域沉降速率开始减低，到双中段第 5 步开 采结束后形成了比较明显的双沉降中心，此时，竖直 方向总共开采高度为 180 m，模型水平矿体平均宽度 1单中段第 2 次开挖；2单中段第 6 次开挖；3双中段 第 1 次开挖； 4双中段第 3 次开挖； 5双中段第 5 次开挖； 6双中段第 7 次开挖；7双中段第 9 次开挖 图 2 自重应力型开采地表沉降分布曲线 Fig.2 Subsidence curves of gravity stress type mining 1单中段第 2 次开挖；2单中段第 6 次开挖；3双中段 第 1 次开挖； 4双中段第 3 次开挖； 5双中段第 5 次开挖； 6双中段第 7 次开挖；7双中段第 9 次开挖 图 3 构造应力型开采地表沉降分布曲线 Fig.3 Subsidence curves of tectonic stress type mining 1单中段第 2 次开挖；2单中段第 6 次开挖；3双中段 第 1 次开挖； 4双中段第 3 次开挖； 5双中段第 5 次开挖； 6双中段第 7 次开挖；7双中段第 9 次开挖 图 4 自重应力型开采地表水平移动分布曲线 Fig.4 Horizontal displacement curves of gravity stress type mining 1单中段第 2 次开挖；2单中段第 6 次开挖；3双中段 第 1 次开挖； 4双中段第 3 次开挖； 5双中段第 5 次开挖； 6双中段第 7 次开挖；7双中段第 9 次开挖 图 5 构造应力型开采地表水平移动分布曲线 Fig.5 Horizontal displacement curves of tectonic stress type mining 约为 150 m。且随着开采规模的增大，双沉降中心特 征越来越明显。与此同时，矿体上盘最大沉降中心也 不断增大，并且向矿体上盘移动的幅度比自重应力开 采条件下移动的幅度大，矿体上盘岩体沉降速率也明 显大于下盘沉降速率。最大沉降量只有自重应力型开 采最大沉降量的 78.5，但与自重应力型开采沉降相 比，虽然其最大沉降量减少，但在沉降中心两侧的区 域沉降量较前者的大。 中南大学学报自然科学版 第 40 卷 1426 图 4 所示为自重应力型开采所引起的地表水平移 动分布曲线。可见，地表水平位移在含矿超基性岩地 表露头附近为 0，且以该处为界，左侧向右移动，右 侧向左移动，都向沉降中心移动，左右两侧水平位移 分别有 1 个最大值和极大值。矿体上盘岩体受采动影 响大于下盘岩体所受的影响，上盘地表水平移动明显 大于下盘的水平移动， 上盘最大位移为下盘的 25 倍， 这主要是由矿体和岩层的倾向所决定。图 5 所示为构 造应力型开采地表水平移动分布曲线，可见，矿体上 盘和下盘地表的水平位移均大于自重应力条件下的位 移。 并且上盘地表水平位移显著大于下盘的水平位移， 其最大水平位移为下盘的 13 倍，由于双沉降中心的 出现，水平移动零值点右移。 可见，仅有自重应力条件下开采所引起的地表沉 降自始至终只出现 1 个沉降中心，且最大沉降中心向 两侧扩展区域的沉降变化量较大，水平位移也较小， 即地表岩体移动变形的铅直分量占优势。构造应力型 开采沉降在不同的阶段有不同的规律，当开采深度较 小时，与自重应力条件下的开采相类似。但是，当开 采达到一定深度时，会出现双沉降中心，而且自沉降 中心向两侧扩展区域的沉降变化量较前者的小，最大 沉降量也小于自重条件下开采的沉降量。构造应力型 开采上下盘地表岩移的水平位移均大于自重条件下的 水平位移。 1.3.2 岩移现象的发生机理 地下开采引起地表岩体的移动和变形是受到了多 个因素的综合作用，包括与矿体开采边界正交或近似 正交的岩体移动和变形，它们是由矿体的上下盘岩体 向采空区移动、变形和进一步发生的破坏引起的，还 包括矿体顶部与矿体延伸方向平行的岩体移动变形。 金川二矿区 1 号矿体长 1.6 km，水平宽近 200 m，平 均宽度为 98 m。 为了直观表征不同应力状态下和不同开采阶段岩 体移动的发生机理，开采初期阶段、双中段开采后期 阶段的位移场模拟结果见图 6，相应的岩移规律和机 理见图 7。 在开采的初期阶段，由于开采的矿体在竖直方向 上的深度远远小于矿体在水平方向上的宽度，所以， a 开采初期阶段位移场分布； b 自重应力型急倾斜矿体开采位移场分布； c 构造应力型急倾斜矿体开采位移场分布 图 6 不同开采阶段和应力条件下急倾斜矿体 开采位移场分布 Fig.6 Displacement distribution induced by underground mining under different stage and stress condition a 开采水平矿体岩体移动方式示意图；b 自重应力型急倾斜矿体开采岩移方式示意图； c 构造应力型急倾斜矿体开采岩移方式示意图 图 7 不同开采阶段及应力条件下岩体移动及位移传递机理 Fig.7 Ground movement induced by underground mining and their general transmission model 第 5 期 赵海军，等急倾斜矿体开采岩体移动规律与变形机理 1427 这个时期的采区几何形态类似于水平煤层的开采区的 几何形态，其沉降曲线在形态上类似于水平煤层开采 引起的沉降曲线见图 7a。 在这个时期， 虽然也有采 空区左右两侧围岩的变形和移动，但移动的范围和幅 度远小于采空区顶板岩体移动的范围和幅度。因此， 在这个阶段，无论是自重应力型急倾斜矿体还是构造 应力型急倾斜矿体，地表沉降曲线特征基本相似。当 开采区在竖直方向上的深度开始超过水平方向上的宽 度时，2 种应力型矿山地表岩移特征开始出现不同的 特点。 对于自重应力型急倾斜矿体，由于在开采区以自 重体积力为主，尽管开采的矿体上下盘岩体移动变形 区域大于顶底板移动变形区域，但上下盘每点的岩体 移动是以竖直分量占优势，因此，地表岩体移动变形 以整体竖向沉降为主，沉降曲线一直保持单沉降中心 的尖底形特征。对于构造应力型急倾斜矿体，当开采 区在竖直方向上的深度大于矿体在水平方向上的宽度 时，上下盘岩体的水平移动开始起主导作用，并逐步 传递到地表形成沉降盆地，双沉降中心逐渐显现。 构造应力型急倾斜矿体开采沉降小于自重型沉 降，但水平移动和影响区域较大。由于金川矿区地应 力基本上属于中高～超高范围，在成矿构造上受到挤 压作用，矿区陡倾岩体结构面走向基本与最大压应力 方向垂直，结构面法向应力较高，岩体陡倾结构面的 滑动摩擦阻力大，受采动影响不易松动、活化，这在 一定程度上减缓了岩体变形的幅度和破坏程度；另一 方面，在较高的水平构造应力下开采，采空区围岩的 移动变形除竖直分量外，水平方向的移动变形往往较 大且占优势，致使水平移动变形范围扩大。因此，构 造应力的存在一方面减缓了铅直下沉的幅度，另一方 面也促进了矿体上下盘地表岩体的水平移动和变形的 发展。 2 地表岩体移动、变形和宏观破坏特 征及形成机制 由于作用机制不同，构造应力型急倾斜矿体开采 地表岩移与自重应力型矿体开采，尤其是自重应力型 水平矿体开采引起地表岩体移动、变形和宏观破坏特 征不同，主要表现在[11−14] a. 由于下沉所形成的下沉盆地其容积远小于地 下采出体积，即使是采用充填法采矿的高构造应力矿 区如金川矿山，所形成地表沉降盆地的容积也远小 于地下充填后的空区体积，且沉降缓慢，不会产生突 然的大幅度沉降。 b. 地表岩体移动、 变形和破坏范围有向外扩大的 现象，且不同区域的破坏呈现 2 种不同的类型内区 剪切错断台阶状破坏，对应与自重应力场条件下的开 采沉降和变形；外区以拉伸破坏为主，由叠加构造应 力型开挖卸载所导致的开采沉降与拉伸破坏引起 图 8。 c. 地表的水平移动和变形的范围更大，移动盆地 边缘各点的水平位移分量和竖直位移分量的比值 U/W成倍甚至成数量级增长表 2。 d. 构造弱面的存在改变了构造应力型矿山地表 拉伸变形分布与破坏的正常规律。 金川矿山 F1断层带 的存在基本上可以作为矿体下盘岩移变形的边界，断 层带远离矿体一侧的监测点变形量明显小于内侧的变 形量。如图 9 所示，金川三矿区沉陷椭圆区存在 1 条 陡倾的断层带 F17 ，在椭圆形盆地内靠近断层带的地 方，位移变化幅度大，位移等值线密集，而在断层带 的另一侧岩体移动，变形趋势截然不同，等值线分布 规律性不强，而且其值远远小于断层另一侧对称区域 的值。其次，小断层和一些弱结构面往往是造成地表 出现大量台阶状陡坎的诱因。在地表岩移的压缩区， 沿断层面或结构面剪切错断，成台阶状破坏；在拉张 区断层面及软弱结构面上产生了较强的附加张应力， 造成断层面以及软弱结构面被拉开错动见图 8。 图 8 地表岩体非连续变形示意图 Fig.8 Discontinuous deation of rockmass 表 2 金川二矿沉降主断面 14 行岩移盆地中心至边缘水平位移 U 与竖直位移 W 之比 Table 2 Ratio of horizontal displacement to subsidence from center to edge in main cross-section of subsidence in Jinchuan No.2 mine 点号 14-7 14-8 14-9 14-10 14-1114-1214-1314-1414-15 14-16 14-1714-18 U/W 0.76 1.22 1.33 1.46 1.62 1.92 1.75 1.65 1.77 2.23 2.69 3.04 中南大学学报自然科学版 第 40 卷 1428 等值线中数值对应的单位mm 图 9 金川三矿区地表 GPS 三维位移等值线 Fig.9 3D displacement contour of Jinchuan No.3 mine e. 构造型矿山，尤其是像金川这样的金属矿山， 经历了复杂的成矿构造运动，矿体陡倾。随着采掘向 纵深发展，沉降量累计递增，地表的沉降范围不断扩 大，沉降中心向矿体上盘方向缓慢地发生偏移，最大 沉降量和移动角都是动态变化的，地表岩体移动、变 形和破坏的区域也会缓慢向矿体上盘区域发展，下盘 区域移动速率逐渐减弱。 可见， 不同的受力条件出现不同的宏观破坏特征， 构造型地下开采地表岩移宏观破坏特征与自重应力条 件下开采，尤其是自重应力下的水平煤系地层开采岩 移的宏观特征不同，其根本原因在于原岩应力场状态 下的开挖作用。在自重应力型地区，以自重体积力为 主，在一般情况下，最大主压应力为铅直取向，地表 岩移的竖直分量大于水平分量。在构造型地区，最大 主应力一般与最小主应力方向为近水平方向，中间主 应力方向多为铅直取向，地下开采引起的地表岩移除 竖直分量外，水平分量通常较大，往往导致岩移范围 扩大，呈现不同的破坏特征。 3 结 论 a. 在开采的初期阶段， 急倾斜矿体无论是自重应 力型还是构造应力型，开采后都具有类似水平矿体开 采的地表岩移特征。当开采区在竖直方向上的深度大 于矿体在水平方向上的宽度时，对于自重应力型急倾 斜矿体，地表沉降盆地自始至终只出现 1 个沉降中 心；对于构造应力型急倾斜矿体，在地表沉降盆地出 现双沉降中心的现象。 b. 由于高构造应力区优势结构面法向应力较高， 岩体陡倾结构面的滑动摩擦阻力大，受采动影响，不 易松动、活化，这在一定程度上减缓了岩体变形幅度 和破坏程度；另一方面，在较高的水平构造应力下开 采，采空区围岩的移动除竖直分量外，水平分量往往 较大而且占优势，致使构造应力型急倾斜矿体开采地 表岩体水平移动和变形范围扩大。 c. 高构造应力区急倾斜矿体开采引起的地表岩 体移动、变形和宏观破坏特征在沉降盆地容积、岩体 移动、变形和破坏边界类型、移动盆地边缘带移动分 量比值及沉降中心偏移量等方面与自重应力型矿体开 采不同，尤其是自重应力型水平矿体开采引起的地表 移动、变形和宏观破坏特征上表现得更突出，其根本 原因在于原岩应力场中作为特征量的最大主压应力的 取向对岩移行为的影响。 参考文献 [1] 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. 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