城市道路下金属矿山保护性开采方案研究.pdf

城市道路下金属矿山保护性开采方案研究 梅志恒1 张俊思1 鲍敏2 1. 中国地质大学武汉工程学院 武汉 430070; 2. 大冶有色金属有限责任公司丰山铜矿 湖北黄石 435232 摘 要 以大冶铜山铜铁矿为研究对象,论述了如何实施保护性地下开采以保障城市道路的建设和运 营。 通过理论计算和数值模拟,得出了矿山采用胶结充填法时保护公路建设的最小安全开采高度,并提出针 对性的安全技术措施。 关键词 城市道路 保护性开采 最小开采深度 FLAC3D Study on Protective Mining Scheme of Metal Mines for Urban Road Safety MEI Zhiheng1 ZHANG Junsi1 BAO Min2 Faculty of Engineering,China University of Geosciences Wuhan 430070 Abstract This paper discusses how to implement protective underground mining in order to ensure the construction and operation of urban roads. Through theoretical calculation and numerical simulation, the minimum safe mining height is obtained to protect highway construction when the cementing and filling is adopted in mine, and the corresponding safety technical measures are put forward. Key Words urban roads protective mining minimum mining depth FLAC3D 0 引言 拟建设的大冶市金湖外环线工程,将压覆大冶 铜山铜铁矿 401 号和 402 号矿体。 为保障道路的安 全建设和矿山的安全开采,需研究城市道路下金属 矿山保护性开采措施。 城市道路下的矿山开采属“三下” 开采范围。 “三下”开采的重要研究方向之一就是预测矿体开 采后引起的上覆岩层沉降变形,确定所采用的开采 技术是否能保证地表建构筑物的安全。 虽然国 内外对于“三下”开采的文献较多[1-4],但是涉及到 城市道路下金属矿山开采的研究却很少。 本文采用理论计算和数值模拟的方法,研究了 大冶铜山铜铁矿保护性开采措施,为类似工程项目 提供参考和借鉴。 1 矿体特征及开采方式 1. 1 矿体特征 大冶铜山铜铁矿赋存有 401 号和 402 号矿体。 401 号矿体位于矿区西部,402 号矿体位于矿区东 部。 401 号矿体产于下三叠统嘉陵江组第一段白云 岩夹大理岩构成的捕虏体的东侧接触带的石榴石硅 卡岩中,矿体长 253 m,斜深 25 162 m,厚 6. 69 61. 53 m,平均 24. 87 m。 402 号矿体产于铜山矿区 深部中-下三叠统大冶组第四段大理岩捕虏体与石 英闪长岩内、外接触带中,矿体赋存于-85 -679 m 标高间。 矿体围岩主要为石英闪长岩、硅卡岩,其次 为大理岩等。 1. 2 矿床工程地质条件 矿区的地形南高北低,由南向北,为中低山、丘 陵至大冶湖盆地。 南部中低山由石炭、二叠、三叠系 灰岩、大理岩等碳酸盐岩组成,地形标高一般为 100 400 m;丘陵区主要由燕山期石英闪长岩、花岗岩、 闪长斑岩等岩浆岩组成,地表多被第四系残坡积层 覆盖,地形标高一般为 30 60 m;湖盆地沉积物主 要为湖相粘土及河湖相亚粘土,湖底标高为 14. 5 19 m。 本矿区地层岩性较为简单,浅部岩浆岩风化强 烈,深部岩浆岩、大理岩工程地质岩组工程地质性状 良好。 1. 3 开采方式及采矿方法 401 矿体于 2009 年已采完并进行了充填。 402 号矿体采用竖井开拓,最高开采标高为-85 m,最低开 采标高为-679 m,中段间距为50 m,胶结充填开采。 2 道路工后容许沉降值的确定 2.1 道路等级与功能的确定 根据公路工程技术标准JTG B012014和 交通量预测,公路基本路段均处于三级服务水平,考 53 2020 年第 46 卷第 9 期 September 2020 工业安全与环保 Industrial Safety and Environmental Protection 虑到其主要服务于马叫工业区内的工矿企业,行驶大 型货车较多,同时该公路与该区域城市路网联系紧 密,规划部门拟将其纳入城市路网中,故确定本项目 全线采用双向四车道三级公路兼城市次干路。 2.2 路基容许工后沉降值的确定 地下开采将导致城市道路发生沉降变形,而关于 其允许变形值目前国内外尚未做过专门的研究。 城 市道路工程设计规范CJJ 372012[5]中指出 进 行路基变形分析和稳定性验算,应合理确定特殊地基 处理或处治的设计方案,满足路基变形和稳定性要 求。 但该规范中并未给出路基变形具体要求。 公路路基设计规范JTG D302015 [6] 中 7. 7. 1 条款,对公路路基容许工后沉降值进行了规 定,详见表1。 拟建设的城市道路为三级公路兼城市 次干路,属低等级公路,为了确保城市道路的安全使 用,按照较高标准控制地表移动变形。 本道路按干 线公路的二级公路取值,即路基容许工后沉降值≤ 0. 5 m。 表 1 容许工后沉降m 公路等级 工程位置 桥台与路 堤相邻处 涵洞、箱 涵、通道处 一般路段 高速公路、一级公路≤0. 10≤0. 20≤0. 30 作为干线路的二级公路≤0. 20≤0. 30≤0. 50 3 最小安全开采深度的确定 根据特殊条件下“三下”采矿生产实践,在 “三下”开采时,首先要确定最小的安全开采深度, 即在地表建构筑物与停采线标高之间预留一定 厚度的保护层矿柱,其在回采过程中起到缓冲作用, 防止地表下陷[7],详见图 1。 图 1 城市道路下地下开采示意 目前金属矿山尚无系统的开采沉陷计算方法, 上覆岩层沉降预测大都参考煤炭行业。 在金属矿山 胶结充填开采中,各中段未充满的空间视同于一层 矿开采未充填所形成的采空区,因此可将矿山开采 简化为多层矿开采。 其最小安全开采深度可参照 三下采煤新技术应用与煤柱留设及压煤开采规程 实用手册计算。 3. 1 保护层高度h1的确定 当矿体倾角在 0 55时,保护层高度为 h1 K ∑m n 1 式中,∑m 按开采 12 个中段矿体赋存标高为-85 -679 m,中段高度取 50 m,可布置 12 个中段充 填沉降后的未充填满的空间计算,依据金属矿山充 填实际经验,充填体压缩率约 2,对应每中段为 1 m,取 12 m;n 为中段数量,取 12;K 为与覆岩岩性及 松散层情况有关的系数,由大冶铜山铜铁矿地质资 料可知,取5。 可得 h1 K ∑m n 512 12m5 m。 当 矿体倾角在 55 90时,由大冶铜山铜铁矿地质资 料可知,矿体围岩主要为石英闪长岩、矽卡岩、大理 岩,均属于坚硬岩石类型,参考三下采煤新技术应 用与煤柱留设及压煤开采规程实用手册中附表 6- 6,保护层高度取 20 m。 3. 2 导水裂缝带最大高度h2的计算 当矿体倾角在 0 55时,导水裂缝带最大高 度为 h2 100∑m 1. 2∑m 2. 0 8. 92 式中,∑m 取12 m,故 h2 10012 1. 2122. 08. 9 m 73. 178. 9m;当矿体倾角在 55 90时,导水裂 缝带最大高度为 h2 100∑mH 4. 1H 133 8. 43 式中,∑m 取12 m;H 为回采阶段高度,取50 m;故 h2 1001250 4. 1501338. 4 m177. 518. 4m。 3. 3 最小安全开采深度的计算 安全开采深度可计算为 H安 h 1 h 2 4 当矿体倾角在 0 55时,安全开采深度为 H安 573. 178. 9m78. 178. 9m;当矿体倾角 在 55 90时,安全开采深度为 H安20177. 51 8. 4m197. 518. 4m。 为保障地表公路建设运营安全,设计按最不利 情况考虑,最小安全开采深度应不小于 206 m。 矿 区地表高程约46 m,则矿体停采线高程为-160 m。 63 4 地表移动变形数值模拟计算 参考有关地表沉陷数值模拟的文献[8-9],结合 矿山实际岩体力学性质及开挖形式,本文选取 FLAC3D软件作为研究工具,研究胶结充填条件下不 同的停采线标高时,大冶铜山铜铁矿地下开采可能 导致金湖外环线沉陷情况。 4. 1 基本假设 鉴于矿山矿岩构造的多样性和复杂性、矿岩的 各向异性以及实际工程的诸多影响因素,为了构建 研究模型和适当简化模拟计算的过程,将岩石强度、 岩芯质量指标、结构面间距、结构面条件、地下水等 影响在岩体力学性质中体现,突出研究重要影响因 子,确保模拟结果的突出性和准确度[10]。 现对模型 建立做如下简化和假设 1模拟的围岩均为理想状态下的弹塑性体, 在到达屈服点只发生塑性流变,体积和强度不改变; 2模拟的矿岩均为连续的各向同性体,不考 虑地下水活动和岩体结构面的影响; 3模拟过程中不考虑采矿扰动等因素的影 响; 4未考虑井巷工程掘进导致的地应力重新分 布所带来的影响; 5未考虑井巷支护对采场稳定性的影响; 6假定矿体回采和充填是连续完成的。 4. 2 模型的构建 鉴于 401 号矿体已充填开采完毕,本文仅对金 湖外环线公路压覆的 402 矿体构建计算模型。 停采 线标高初步考虑两种情况,即-160 m 和-230 m,所 建模型如图 2 及图 3 所示。 模型采用与矿体形状一 致的结构单元,单元大小为 134. 28 mm2;采用位移 边界约束,即模型底部和左右两边采用位移固定约 束,模型顶部载荷仅考虑上覆岩层自重应力, 以此 来模拟该条件下不同停采线高程对地表沉陷变形的 影响。 图 2 停采线-160 m 模型 4. 3 材料参数的设定 大冶铜山铜铁矿的开采设计及地质报告中提 供了矿岩力学参数,但未提及充填体材料的力学参 数。 依据开采设计,充填料主要由水、水泥、尾砂组 成,水泥选用 425水泥,灰砂比范围为 1 ∶ 4 1 ∶ 10,充填料浆质量分数为 67。 依据充填体的设计 参数,将国内相似矿山的充填体材料力学参数作为 本次模拟的充填体材料的力学参数[11]。 模拟所需 材料参数见表 2。 图 3 停采线-230 m 模型 表 2 矿岩和充填体力学参数 种类 抗拉强 度/ MPa 抗压强 度/ MPa 体积模 量/ GPa 剪切 模量/ GPa 密度/ gcm -3 内聚 力/ MPa 矿体6. 2775. 452. 387. 694. 3918. 037 围岩6. 87569. 9525. 3915. 942. 6935. 04 充填体0. 43. 50. 30. 2342. 350. 3 4. 4 模拟结果与分析 通过 FLAC3D将各方案依次进行数值模拟计 算,方案一数值模拟计算结果见图 4,方案二数值模 拟计算结果见图 5。 由图 4、图 5 可知,当停采线高 程为-160 m 时,地表竖向沉降量为 0. 32 m;当停采 线高程为-230 m 时,地表竖向沉降量为 0. 25 m;方 案一、方案二两者的地表沉降量均小于路基容许工 后沉降值 0. 5 m。 为了充分回收宝贵的矿产资源, 推荐采用方案一,即停采线高程为-160 m。 数值模 拟计算结果进一步验证了前面的理论计算结果。 图 4 方案一竖直方向位移分布 5 安全防治措施 1401 号矿体采空区的治理 虽然 401 号矿体已充填开采完毕,但充填体存 73 在压缩率且 401 号矿体埋藏较浅,为保障地表金湖 外环线公路等重要建构筑物安全,应对 401 号矿 体采空区的充填情况进行调查核实,若未接顶充分 则需进行二次充填。 图 5 方案二竖直方向位移分布 2402 号矿体的开采要求 402 号矿体的停采线标高是-160 m,停采线标 高以上的矿体划作禁采区,严禁开采;停采线标高以 下的采场矿柱不开采,留做永久矿柱。 402 号矿体 的开采严格采用胶结充填采矿法,并确保充填体的 强度和接顶充分,采矿结构参数及回采工艺严格按 照开采设计执行。 3城市道路的安全管理措施 为保障金湖外环线公路运营安全,必须做好地 面变形的动态监测工作,建立完善道路线路变形监 控系统,对道路沿线 20 m 范围内设置观测点,落实 观测人员,定期进行观测并做好记录。 同时制定必 要防治方案和应急预案,发现异常情况及时与当地 主管部门联系。 4疏排水的管理措施 在矿山实际生产中,要加强对涌水量的观察和 预测工作,并根据矿山实际涌水量的大小,及时调整 排水设备、设施,并做好排水记录,随时监测水位变 化。 5地下开采的安全监测措施 矿山采用胶结充填采矿法,地表下沉系数很 小,开采导致的岩移对地表的破坏程度在控制范围 内。 考虑到矿山地下开采的复杂性,仍需加强对岩 溶塌陷区、矿山采空区、充填体质量、充填体接顶等 方面的监测工作。 6 结语 1最小安全开采高度的确定,采用了理论计 算和数值模拟两种方法,得到结果相近,验证了理论 计算方法的可行性。 在评估金属矿山地下开采导致 的地表沉降变形时,也可通过该理论计算方法进行 预测。 2针对城市道路和金属矿山的具体实际,提 出了针对性的保护性开采措施,为类似矿山实践提 供参考。 参考文献 [1]王瑞军. “三下”开采技术的应用及发展趋势探讨[J]. 江西煤炭科技,20172165-169. [2] 徐飞,石立. “三下”开采胶结充填体强度对地表沉降的 影响[J]. 金属矿山,2016139-42. [3] 李强,王继仁,杨庆贺. 浅埋深煤层开采沉陷预测方法 应用及研究[J]. 煤炭科学技术,2019,47556-61. [4] 程立年,李晓刚,叶振华,等. 某金矿“三下”开采移动带 内地表稳定性分析[J]. 金属矿山,20193175-181. [5] 住房和城乡建设部. 城市道路工程设计规范2016 年 版CJJ 372012 [S]. 北京中国建筑工业出版社, 20166. [6] 交通运输部. 公路路基设计规范JTG D302015[S]. 北京人民交通出版社,20155. [7] 王阳. 高等级公路下地下开采对公路的保护方案浅论 [J]. 有色矿冶,2013,29222-24. [8] 张强. 厚松散层下不同关键层位置对采动覆岩运移规律 影响研究[D]. 邯郸河北工程大学,2019. [9] 胡青峰,刘文锴,崔希民,等. 煤柱群下重复开采覆岩与 地表沉陷数值模拟实验[J]. 煤矿安全,2019,501143 -47. [10] 胡盼庆. 关键层对地表移动范围影响的数值模拟研究 [D]. 太原太原理工大学,2019. [11] 周科礼,霍晓锋,苟永刚,等. 铜绿山矿新型胶结充填材 料工业化试验研究[J]. 采矿技术,2019,19134-37. 作者简介 梅志恒,男,1992 年生,硕士研究生,主要从事地 下空间安全技术方面研究工作。 收稿日期2020-03-10 83