包头壕赖沟铁矿开采沉陷规律预测.pdf

1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第34卷第7期煤 炭 学 报Vol . 34 No. 7 2009年7月JOURNAL OF CH I NA COAL SOCIETYJuly 2009 文章编号 0253 - 99932009 07 - 0887 - 05 包头壕赖沟铁矿开采沉陷规律预测 武 雄 1 ,徐能雄 1 ,田 红 1 ,于 沭 1 ,岳茂华 2 ,杨锦华 3 ,房利民 2 1 1中国地质大学北京水资源与环境工程北京市重点实验室,北京 100083; 21内蒙古自治区地质环境监测院 包头分院,内蒙古 包头 014010; 31包头市国土资源局,内蒙古 包头 014010 摘 要采用自行开发的ROCKMODEL程序建立了研究区三维地质模型,然后根据现场实际情 况进行反演分析,确定矿体开采范围和岩土体物理力学参数;其次对塌陷坑现状进行流变分析; 最后对二次塌陷进行弹塑性和流变计算,预测塌陷坑最终的发育范围,并提出相应防治措施.研 究结果表明,塌陷坑在考虑流变情况下不会对外围公路产生影响,在二次塌陷情况下,会影响外 围公路的安全运行,建议尽快进行处理. 关键词开采沉陷;弹塑性分析;流变分析;二次塌陷 中图分类号TD32514 文献标识码 A 收稿日期 2008-08-07 责任编辑柴海涛 基金项目国家自然科学基金资助项目40602036 ;水利部科技创新项目Scxc2005 - 11 作者简介武 雄1973 , 男,内蒙古清水河人,副教授,博士后.E - mail wuxiongcugb1edu1cn Forecast of m in ing subsidence regular at the Haola igou iron ore m ine in Baotou WU Xiong 1 , XU Neng2xiong 1 , TI AN Hong 1 ,YU Shu 1 ,YUEMao2hua 2 ,YANG Jin2hua 3 , FANG Li2min 2 11Beijing Key Laboratory of W ater Resources and Environment Engineering, China University of Geosciences Beijing , Beijing 100083,China; 21Baotou B ranch,Institute of Geological EnvironmentalMonitoring of InnerM ongolia, Baotou 014010,China;31Bureau of Land and Resources Bao2 tou, Baotou 014010,China Abstract A 3D geologicalmodel in the study area with the ROCKMODEL soft ware was developed. Then accord2 ing to in2situ conditions, the range of orebodymining and the physical and mechanical parameters of rock and soil masswere confir med by inversion analysis . The creep analysis of the pit actualitywas done. The elas2plasticity and creep of the second collapse were computed, and the final range of the pit was forecasted. Also, corres2ponding controlmeasureswere advanced.The results demonstrate that the collapse pit will not affect the road even though considering creep, but itwill affect the road safety on the condition of second collapse.So the collapse pit should be dealwith as soon as possible. Key words mining subsidence; elastic2plastic analysis; creep analysis; second collapse 内蒙古自治区包头市东河区壕赖沟铁矿I号矿段于2007 - 01 - 17零时发生特大突水事故,经有关部 门全力抢救,仍有29名矿工遇难.突水事故造成严重的地面塌陷地质灾害,给当地造成巨大的经济损失, 损坏房屋10余间,高压塔架1座, 360 V电杆歪斜2根,损坏果园2 hm 2 ,直接经济损失约500万元 [1 ]. 事故调查专家组认为塌陷区矿体顶板的基岩层较薄,有些地段甚至没有基岩,矿体开采以后,未按照设 计要求及时充填,上覆很厚的第四系堆积物大量进入采空区,由于第四系发育含水层,从而使水、泥石、 黏土混合物一并进入采空区,进而在地表形成一个直径约为150 m、可见深度约为30 m、面积约 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 煤 炭 学 报 2009年第34卷 17 663 m 2的巨型塌陷坑[1]. 塌陷坑周围约80 m范围内分布有裂缝,多呈以塌陷坑为中心的环状,裂缝宽 度为2～20 cm,长度015～2010 m.塌陷坑边缘距离包头市北绕城公路最近处约60 m,其西南部分布有大 量基本农田,塌陷坑周边还布设有数个高压塔架、电杆及房屋. 截至目前,监测资料表明,塌陷坑仍有微量的变形趋势.鉴于塌陷坑周边设施的重要性,塌陷坑的继 续变形是否会对附近公路、农田、电力设施及房屋造成影响;如果不及时处理,在暴雨作用下,水流顺着 裂缝不断向下渗透,塌陷区内的土体受水流冲刷,顺着采空区移动,导致的二次塌陷是否会对上述重要设 施产生影响,这2方面是本文研究的重点. 1 地质条件 I矿段地层主要由前震旦纪深变质岩及新生界第四系组成.深变质岩系属于太古界桑干群第三含铁片 麻岩组中的第四亚组;第四系主要由更新统及全新统土黄、褐黄色的冲洪积砂砾石、中粗砂组成,地表有 腐植土及黄土,厚度25～30 m [2 ]. 矿区构造简单,呈北东 南西走向、倾向南东的单斜构造.对于 Ⅰ 矿段而言,对其开采有影响的主要 是F1断裂,F1走向近东西,倾向北,倾角35～70,局部直立,断裂北盘上升,属于陡倾斜的逆冲断层, 垂直断距200 m,破碎带最宽达140 m [2 ]. 矿体围岩容重27 kN /m 3 ,单轴抗压强度90 MPa以上,普氏系数为8～19,属中硬-坚硬岩石;矿体 容重34 kN /m 3 ,单轴抗压强度170 MPa以上,普氏系数为17～19,属坚硬岩石,但由于破碎带和节理裂 隙的影响,破坏了岩体的完整性,矿床的工程地质条件属中等类型 [2 ]. 2 计算参数及开采范围的反演分析 壕赖沟铁矿开采方法为浅孔留矿嗣后充填采矿法,该方法根据我国部分矿山实测资料和设计资 料 [3 - 4 ] ,结合壕赖沟铁矿地形地貌、地质条件、围岩强度、矿体埋深条件及开采方式,本次研究确定地表 移动参数如下上盘表土移动角βt35,下盘表土移动角 δt 45,端部表土移动角 γt 45;上盘岩石 移动角β65,下盘岩石移动角δ70 ,端部岩石移动角γ70. 图1 概率积分法计算铁矿全部开采后地表塌陷范围 Fig11 Surface sedimentation area caused bymining totally based on probability integral 根据地质资料可以圈定壕赖沟铁矿I矿段矿体 分布范围,如图1所示,可以看出,其4个端点的 埋深分别为50, 44, 73及270 m,采用上述参数计 算可以得出.假设铁矿体被全部采出后,其地表塌 陷范围要远远大于现状的实际塌陷范围,这说明在 矿体开采了一部分后就发生了地表塌陷,这一点在 紧急抢险救灾时就得到了证实. 由于铁矿采掘管理制度不健全,无法弄清楚在 塌陷时井下的开采情况,为了使地表塌陷预测结果 更加合理,就必须弄清楚井下的开采情况和采场围 岩的力学参数,本次研究采用FLAC 3D软件对其进行 反演分析 [5 - 6 ]. 采用课题组自主开发的三维建模系统ROCK2 MODEL [7 - 8 ] ,结合各种曲面插值、曲面求交、曲面重构与搜块等技术实现了矿区岩体结构三维地质模型, 如图2所示.在此基础上进行网格剖分,计算模型共划分了321 195个单元, 56 502个结点. 本次反演分析计算参数最初相关地质报告和设计报告 [9 ] ,本构模型采用理想弹塑性模型,破坏准则 采用摩尔-库仑准则,断层采用实体单元.反演最终计算结果如图3 a所示,地表沉降最大值为 281827 m,塌陷坑直径约1721487 m,开采矿体范围如图2 b所示,最终计算参数见表1. 888 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第7期武 雄等包头壕赖沟铁矿开采沉陷规律预测 表1 反演后的岩土体计算参数 Table 1 Calculation parameters of rock and soil after i nversion 岩层名称弹性模量/MPa泊松比容重/ kNm - 3 内摩擦角 / 黏聚强度/MPa 第四系覆盖层601301916220 铁矿30 00001253217504150 岩层25 00001262618424100 断层1 28001272215250106 3 地表塌陷规律预测 311 现状情况下地面塌陷流变分析 本次研究对现状塌陷进行了流变分析,流变模型采用诺顿双指数组合模型,其标准形式 [10 - 11]为ε cr Aσ -n, 其中,ε cr为流变率; A为材料特性参数,一般取A11010 - 25 Pa - 3 /a;n为材料特性参数,一般取 n3. 计算结果如图3 b所示,可以看出, 1 a后的地表沉降最大值为301633 m,比刚塌陷时增加了 11806 m,公路位置仍未发生塌陷. 312 二次塌陷分析 如果目前的塌陷坑不及时处理,在暴雨情况下,经水流下渗、冲刷,采空区的坍塌物很可能被搬运, 产生二次塌陷.笔者对其塌陷范围进行了弹塑性和流变计算分析,弹塑性计算结果表明,地表塌陷最大值 为561301 m,公路处最大塌陷值为012 m;流变计算分析结果表明, 1 a后地表塌陷最大值达571572 m, 比二次塌陷刚发生时增加了11271 m,公路的最大塌陷值为0145 m.地表塌陷云图如图4所示,地表塌陷 等值线如图5所示. 988 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 煤 炭 学 报 2009年第34卷 4 结 语 数值计算结果表明,现状条件和1 a后的地表塌陷不会影响公路的安全运行,但会在地表产生大量的 台阶状和水平拉伸裂缝,会对房屋、电力设施等造成损坏,这一点已被实践所证实.考虑流变的计算结果 比刚塌陷时的塌陷深度要深,但塌陷范围变化不大,说明产生的台阶状和水平拉伸裂缝情况更为严重.在 暴雨作用下产生的二次塌陷和1 a后的地表塌陷会对公路安全运行造成影响,公路不但会发生塌陷,还会 产生台阶状和水平拉伸裂缝.考虑流变的计算结果比刚发生二次塌陷时的塌陷深度要深,但塌陷范围变化 不大,说明产生的台阶状和水平拉伸裂缝情况更为严重. 根据上述计算结果可以看出,如果发生二次塌陷将危及到公路的安全运行,而研究区地处干旱半干旱 气候区,年降水量平均32213 mm,年蒸发量大于降水量9～10倍,但降雨比较集中, 69月间的降水量 约占全年的70 ,且多暴雨.因此,现在的塌陷坑在降水的作用下完全可能发生二次塌陷,这就要求必 须尽早对塌陷坑进行处理,处理方式宜采用填筑工艺,施工顺序应为先外后里,注意塌陷区一定要填实; 另外,要建立长期地表塌陷观测站,并建立紧急预案. 参考文献 [1] 内蒙古自治区地质环境监测院.包头市东河区壕赖沟铁矿117突水事故引发地面塌陷应急调查报告[R ]. 2007. InnerMongolia Autonomous RegionAcademy of Geological EnvironmentMonitoring . Survey report that the round subsidence of the november 11th bymine water accident in the Haolaigou iron mine of the East river district, Baotou city [R ]. 2007. [2] 内蒙古地质局一零六地质队.内蒙古包头市东河区壕赖沟铁矿地质勘探报告[R ]. 1979. InnerMongolia Bureau of Geological 106 Branch. 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