厚覆盖岩层下开采对地表变形问题研究(1).pdf

厚覆盖 岩层下开采对 地 表 变形问题 研究 夏金瑞 武钢金山店铁矿 大冶 43 5 1 1 6 1 前言 金山店铁 矿是 武 钢 重要的铁矿 石 生 产 基 地 之一 , 已探明 的地 质储量 达1 10 00万 t 。 其 中张伏山矿床是本 矿 的 主矿床 , 分为 东 、 西 两 个 采区 , 7 0 m 一个 采 掘 中 段 , om , 一 6Om , 一13Om , ⋯ , 一 550m 等 。 东区矿 量丰富 , 矿体埋深 较 大 , 顶 界面埋 深 多 大于 25Om , 底 界面埋 深 大于 7O0 m ; 矿体走向近 东 西 , 有 陡倾平行分布的工 、 1 1号 两个矿体 , 呈似层状 , 单个 矿体厚 度2 0 一8 0m , 西薄东 厚 , 两个矿体之 间 的夹石层 厚3 0m 一 10 0m 。 局部段矿体形 态较 为 复杂 。 矿体上南 盘 为角页岩 , 下北 盘 为 闪长 岩 。 矿体上 方 地表分布有村庄张福山村 、 农田 、 铁路及 火车站 。 地 下大范围开采必 然会 引 起其上部 覆岩层 的 变形 , 并可能 导致地 表 的沉降 、 错 动开裂 。 对地表建筑物而言 , 当这 种变 形 过 大时就会影响其安全 、 正常使用甚至造 成 破 坏 。 这样有可 能 导致村庄 、 铁路等需要 整 体 搬迁 , 费用巨大 。 那么 , 有 没有比较合理 的 开采方案 , 能 够控制 地 表变 形 范围和变形 量 值 , 以达到可不进 行地表建筑物和设施搬 迁 的目的呢正 是 由于缺少科学 的依 据来确 定 开采 与地 表变 形 的关 系 , 使得 东区目前尚未 进行 全面开 采 。 但从生产 规 划上 , 急 需 进行 由西区向东区的转 移 。 为了达 到多 采矿量 , 经济合理 , 而又尽 量保护地 表 环境 的目的 、 需 对采矿方案 、 地 表 变形 预 测和控 制及 相关的经济比较进行全 面的研究 , 为此 , 在矿业公司领 导下 我 矿与几家科研 、 设计单 位共同开 展了题为 “金 山店铁矿 东区地下开 采的地表变形 问题及其控制对策研究 ” 的科 研课题 , 并取得了 比较理想 的科研成果 。 而 整套研究方案特别是进 行地表变形范围 圈定 时采用 的新思路和新 方 法 , 具有 一定的创新 价值 , 现将课题研究工作介绍如下 。 2 丰富的研究内容 与 多手段研究方法 金山店铁矿 是一 个 地质条件比较复杂的 矿山 , 而本 次 研 究 所 涉及 的 地 表 范 围宽 广 , 东西 长近 1000m , 南北 宽约 900m 。 而垂 向深 度达 到 70 0m , 根据生产 规划和对 地表建筑 物 保 护 的要求 , 首先 提 出了研究需要达 到 的目 标 总 的来说 , 是要 研究东区地下开采时 引 起 地表变 形的规律 , 具体地 说 主要 有以下几 项 ①确定从 一 20 0m 水平至 一 55 0m 水平开 采用崩落法采 矿采 深达到各开采 水平 时地 表 变形范 围及 量值 ; ② 确定 合理 的起 采标 高 ; ③确定以 一 200m 作为起采标高时不 引起地表 变形或 变形值在 允许范 围 内 的最大开 采 深度 ; ④确定在 重复地段 留矿 柱 的效果 ; ⑤ 确定 一 200m 水平以下 采用部分充填法 采矿时 地表变形 的规律 。 大家知道 , 岩土体 或 者说是 地 质体 是隐蔽于地下的 , 各向异性 且 极 不 均匀 的材 料 , 其本身的特征往 往 难于直接了解得 十分 清楚 , 即使是 进行了调查和勘 察 , 在某种 程 度或某些 方面仍然是灰色的 , 因此 , 要 研 究 其力学特 征及 在 人类活动下的变 形 规律 , 单 方面的工作是远 远 不够 的 。 从上述课题目标 来看 , 这显然 是 一个具有相 当复 杂和难 度 的 课题 , 因此必 须采取 多 种 手 段 , 多 种方 案的 综合研究 、 对比 , 才 能 提高研究 成 果 的可靠 度 , 为此开展了以下多 项研究 工作 。 1 工程地质与水 文地质 调查 ; 2 浅部地 层 、 构 造的地震 法探测 ; 3 西部地 表移动的全 站仪 、 水准仪观 测 ; 4 西区浅部岩层 移动的测 斜仪监测 ; 5 西区井 下岩层 位移滑 动变形计监测 ; 6 现场和室内岩石力学试验 ; 7 三维有 限元非线性计算分析 ; 8 二维有 限元非 线性计算分析 ; 9 二维离散元计算分析 ; 10东区崩落法 开采的地质力学模型试 验 ; 11 地 下开采采矿方法和地表变形控制 武钢矿业 文集 92 措 施 ; 1 2 崩落采矿 工艺与充 填采 矿工艺 在东 区开采 中对地 表变形 的影 响及技术经济评价 。 3 各分 项目设置 的 目的及 其主要 成果 l工程 地质与 水文地 质调查 众所 周知 , 任何一个 岩土工 程课题都离 不 开以地 质 为基 础 , 对 大 范 围复 杂 的 地 质体 的研究来说更 是如此 。 本项目工作通过 地面 、 井下地质调查 、 节 理统计 , 现 场 岩心点 荷 载 试验等工作 , 对 地质体进 行了地 质分区和岩 体分级 。 对 地质体的岩性 、 构造 、 岩体质量 、 地应 力等进 行了全面的调查 、 分析和研究 , 并得 出相 应结果略 。 2 浅部地层 、 构造 的地震 法探测 地 震法探测 的主要目的是 查 明地 表 覆 盖 层厚度 、 构造破碎 带 断层 的 分 布 、 围 岩 松动带的判别 , 特别是对 前 人资料中的 推 测 断层 进行了进 一步的确认 , 为地 质模型的建 立提供了补 充依据 。 3 西区岩移监 测 西区和东区具有类似的地质条件 , 东区 将来采用 的开采方法 也与西区相同 。 由于目 前东区尚未开采 , 不可 能 取得 在开采条件下 的 围岩变形资料 , 因此在西区采取 了三 种 监 测方法 取 得 在 开采条件下 的相关变形 资料 , 以应 用到东区相应的研究中 。 前面已经提及 , 大范围地质体的细部地 质特征和整体力 学特征往 往是 难以直接进行 确定的 , 而岩体的变形是其地质特征和整体 力学特 征 的综合反 映 , 同时也 与 开采状 态 相 关联 , 由此利用岩移 监测资料 , 通 过 反分析 手段 , 可以从一定程度上来了解 围岩的综合 力学参数 。 全 站仪 、 水准仪进行 的地表观测 , 浅部岩 层移动钻 孔测斜仪监测以及 深部岩 移 的钻孔滑 动变形计监 测 组成 立体的监 测 系统 , 以取得 不 同部 位岩体的变 形资料 , 这 是十分重要和宝贵的 。 4 现场和室 内岩石 力学试验 岩体力学分析计算少 不了岩体物理力 学 参数 。 为此 , 进行 了现场大量 的岩心点荷载 试验 , 现场承压 板变形试 验 、 室内岩块 三轴 抗压 和岩块节 理面抗剪强度等 4个试验项 目 , 取得了较 为 丰富的岩石力学参数 , 为计算分 析提供了可资利用的基本资料 。 5数值计算分析 数值计算是 现代岩 石 力学研究的重 要 手 段和方法 , 本课题采取了三维有限元非线性 厚扭盖岩层 下开采对地表变形问题研究 计算 、 二维有限元非 线 性计算以及 二维 离 散 元计算 。 不同 的计算方 法 在 解决岩 石力 学 问 题时各具优 势 , 根 据求解 问题的不 同选 择合 适 的计算方 法 , 从 而达到多侧面综合解决问 题的目的 , 各分项计算中设置了多种 方案 。 方 案 的安排 都 是围绕着本项研究 所要求解 的 几个 基本 问题进 行 , 即 陷落移 动区范 围 的确 定 、 崩落法 地下采 矿 时地 表 变 形 规 律 、 充 填 法 的效果 、 留设永 久 性 矿柱 的效果 , 合理 的 起采 标高和开采深度等 。 各计算方 法 要 达 到 的目标如下 1 三维有 限元非线 性计算分析 。 采用三 维 弹 塑性 有 限元计算方法模拟采用崩落法开 采东区地 下矿体的过程 , 研究从 一 20 0m起采 至 一 550m和 一2 70m 起 采 至 一 550m地 表 变 形 状态 , 给出各开采 方案所产生的地 表变形 范围及开采过程中围岩 受 损 状态 , 为 配合其 它研究手段共 同确定一种技术可行 、 经济合 理的开采方案提供依据 。 所采 用的计算模型东 西 长 166Om , 南北 宽 1250m , 垂 直范围自地表 至 一 80 0m水平 , 约高8 60m 。 三维有 限元网络以8结点等参数 单元模拟各类岩石和矿体 , 以8结点等参数 节 理单元模拟断层 。 全部网络包含 1 5 12 6个 结点 , 11909个岩石单元和1536个断层 节理 单元 。 2 二维有限元非线计算 。 本项工作的目 的有两个 , 其一 是利用 西区地表变形 的实测 资料通 过二 维有 限元非线性计算反分析研究 求得西区各类 岩体的综合弹 性模量 , 作为确 定东区综合弹性模量 的参考资料 。 其二 是 选 择东区剖面进行计算 , 取得剖面与各点位移 等值线 、 损破区分布情况 , 剖面地 表位移及 变 形 曲线等 。 3 二维离散元法计算分析 。 离散单元法 是 一种基于牛顿第二 定律的计算分析 方 法 , 该方法特别适合于节理比较发育的岩体这 正是本矿岩体特 征之一 , 对模拟和分析 矿体 中因采矿 引起 的 围岩松动和崩落等力学行 为 , 目前是最 有效的计算方法之 一 。 通 过这 种方 法可以求得一定规模的采空区形成 后 , 围岩 的变形特征以及地表 的变形曲线 。 6 地质力学模型试验 本项 试验研究的 主要 目的 是 ①为确定 地表 塌陷 、 错动范围及合理的起 采标高提供 物理仿真模拟试验资料 ; ② 为研究分析地下 采矿 时 围岩破坏特征及地表变形 发展 规律和 39 机 理提供试 验依据 ; ③对 相 应 的 数值分析计 算结 果进行 相互校核检 验 。 7地下开采采 矿 方法和地 表变 形 控 制 措施研究 这 是 由矿山设计单位从设计方面 考虑所 进行 的一 项 研 究工作 , 与本课题密切 相关的 研究 内容为 1 通 过分析研 究无底 柱分段崩落法和充 填采矿 法在本矿 的适 应 条件和优缺 点 , 研究 不 同采 矿 方 法 的矿 块 结 构参数 、 工 艺 技术 , 地表变 形控制效果 的预测等 , 并初 步 选 择合 适 的采矿 方法 。 2 研 究与采 矿方法有关的保护 地表 的其 他技术措施 , 如研究留设保安 矿柱 的必 要 性 和合理性 及 矿柱分布 , 研究充填采 矿 法 充填 料 的来源方案 , 并作出初 步选 择 。 4 圈定 地表 变形范围的新思想和新方法 在传统的采矿设计方法中 , 圈定移 动 、 陷落范围时 引 人 了 移动角 、 陷落角 的 概 念 。 移 动 角是 指移动主断面 上 临界 变形值的点和 采空区边界 的 连线 与水 平线之 间在 采空区外 侧的夹角 。 这里 所说的临界变 形值是 指无 须 维修就 能保持建筑物及各种设施 正常使用所 允许的地表最大变形值 , 根据临界 变 形值可 圈定地表 移动 的危险变形区与非 危险变 形区 。 陷落角是 指采空区上方地表最外侧 的裂缝位 置和采空区边 界 的联线与 水平线之 间在采空 区外侧的夹角 , 也 有 理解 为 与陷落临 界 变形 点 的联线的 夹 角 。 但是在矿山开采之前由于 移动角 、 陷落角取值的影 响因素十分复杂 , 通 常只能 通 过与条件 相近的其它 矿山进 行类 比 。 由于各个 矿山的条件 千差 万别 , 有 时很 难类比 , 所以在确定的时候 , 操作者 的 经 验 和分析判 断的能力就起 着 很 重要 的作用 。 另 外 , 从上述移动角和陷落角 的概念 可以看 出 , 对 它们的定义都是 由采空区底部边 界 出发 联 线的 , 与矿体的起采高程等都不 发 生关系 , 在 采用类比法 时 , 也不大可 能找 到各种条件 都类似的在开采时采用 不同起 采高程 的参考 资料 。 还 有 , 采 用传统 统计方 法 中移 动角 , 陷落角的概 念 进 行设计时 , 往 往 会得 出矿体 埋深越 深地表移动 、 陷落范 围就越大的结果 , 这与实际情 况有较大出人 。 本矿东区的情况有其自身的特点 在 这 里未进行过露天 开采 , 不存在露 天坑 与地下 采空区相联的 问题 , 起 采高程 至少 在 地 表以 下250m深 处 , 层状矿体急倾斜 ; 工 、 n号 矿体相距 较近 , 两 个主要矿体之 间 的岩体的 稳定性对 地 表 变 形有 很 大影 响等 。 依靠传统 的设计方法 难以反 映上述诸 多 因素 。 本 项 研 究旨在寻求一种确定地下采矿 引起地表陷落 、 移 动范 围的更合理 的方 法来 反 映本矿东区的 特 点 , 因此 研究过 程采用 了下 述基本 观点 l 在上部 有 很 厚 岩层 情 况下的地 下采 空区可看成 是 某 种 形态 的地 下空间 , 形 成这 样 的地 下 空 间 时 必 然在围岩 中形成破损区 , 具有这 种 破 损区的 地 下空间可以是 稳 定 的 , 也可以是 不 稳定的 , 在 不稳 定 的情况下 包 括 “ 通天 ” 等现象 。 2 若地下 空间是 稳定的 , 则破损区常 呈椭球状在 垂 直于矿体走 向的截 面上 呈椭 圆形 。 当破损区的顶部距 地表有足够距离的 时候 , 这样 的破 损区和地 下空 间是 能自身平 衡 的 , 它具有一定的稳定程度 。 3 对于能够维持稳定 的地下 空 间不能 采用类似 “ 渐 进崩落 ” 即连续 破 坏并 向深部 急剧发展 的概 念和变 形模式 , 此 时 的地 表虽 然有沉降和水平移动 , 但它是 地 下空间在调 整过 程 中 达 到 新 的 平衡状 态 时 引 起 的 , 与 “ 渐进崩落 ” 的概念有本质上 的差异 。 4 对于 “ 稳定状 态 的开 采空间 ” 不 宜 采用以终采高程作为起算 点 线 , 然 后 定 出某种 角度 来 圈定陷落和移动区的基本方法 , 而应以损伤区椭 球体顶部 或 为简化 , 以地 下空间的顶部高程即起采高程 作为起算线 。 5由于矿体存 在高陡倾角的岩层界面 和规模很大的 断 层 , 因此 , 椭球体上 部 的岩 体和矿体有 可 能 发 生不 均 匀沉降如 塞式下 沉 或筒状陷落, 但不 是上 盘渐进崩落形式 的 那 种陷落坑 。 为了简化 , 我 们将损伤椭球体 最 大宽度作为可能 陷落区的最 大界 限 , 这是 偏于保守 的 。 6 在起算线以上岩体可能 移动的 范 围 可以在起算线与椭球 外 围线陷落区边 线 的交点作为起算点 , 并采用 相应于基 本岩 性 和结构的移 动 角在本研究 中沿 用 了西区研 究得 出的移动 角 从起算点 出发来圈定移动 区 , 这也是 一种偏于安 全的作法 。 5 课题研究的特 色 如前所述 , 研究采用了综合性 的多种手 段 。 由于衡量在 开 采区地 下采空区是 否稳定 和破 损区的形 态 是一 个 十分关键 的 问题 , 因 此采 用 了数值分析和物 理模拟两种 方法 , 进 行相 互对 照 , 以在 综合分析的基 础上得到比 武钢矿业文集 94 较稳妥的结果 , 在具体问题的处理上 采 用了 多种可能 的假定 下 进行 结 果比较 , 以期 得出 有较 健 全工 程概 念基 础 上 总体上偏向于安 全 的移动区范围 。 在 总体规划 下 , 采 用物 探 方 法进一步搞 清 了大断层 的分布 , 采用 室 内和 野外力 学试验和反分析等手 段确定 力学 指标 , 采取 多 种监 测手段 对岩体移 动情 况有 进一步 的了解 , 所 有这些都使得综合分 析更 加合理 , 成果 更加可靠 。 6 主要结论 l 由于东区起采 矿 标高低 、 采空区上 部覆 盖岩层 厚 , 所以地 表 变 形 量值和分布范 围都比通天开采的西区小 , 变 形以垂直位 移 为主 , 最大沉降区位于采空区正 上方 。 最 大 水平 位移区位于采空区上 方 上 盘30 0m的范 围 内 。 2 从 总体来讲 , 起采高程 下降对 地 表 变形 影响较大 , 当起采高程 下降到一定程 度 , 开采深度控制在一定 范 围 内 , 可以对 地表建 筑 物进行保护 , 开采空间 的大小 , 对 地表 的 移动范 围在一定起 采深 度以下 的 影响 , 以开 采 范 围的水平投影 面 积为 主要 因素 , 开采高 度对此影 响较小 。 当采用局部留矿柱 , 可采 用较小的代价 , 对局部地表构建筑物的保护 提供更可靠保证 。 当采用 充 填法 采 矿 时 , 对 地表 变形控制起到积 极作用 , 但由于充填工 艺无法达 到10 0地下空间 的充填 , 只能起 到减少 地下 空 间破损范围 的目的 , 不 能 根本 上 消除地表变形 , 尤其是 对 肥大原 矿体 , 地 下开 采空间较大时 , 不 能 对地 表建筑物使用 功能实 施根本 性保护 。 从经济评价看 , 通 过局部 预 、 留永 久保 护矿柱和降低起采高程 的办法 , 代 价 小 、 投 资省 , 符合环保和可持续发展的要求 , 理论 上可靠 , 技术上 可 行 , 采用充填工 艺 , 虽 然 对地表 变形 程度有所 降低 , 但由于地表 经 保 护 的建筑的特殊 性 , 作用不大 , 另外 , 代价 太高 , 技术 上有复 杂程 度较高 , 充 填 工 艺本 身难以保证 , 因此从技术上 、 经济上都不 可 行 。 7 结束语 1 本文 的目的 旨在介绍 在解决矿山复 杂岩石力学 问题 时所 采用的手段和方 法 , 特 别是突 破传统方法 的新思路和新 技 术 , 而 对 具体问题 的处 理方 法 则 未予详述 。 我们意识 到 , 对于矿山的重 大 技术问题 , 应 与科研单 位特别 是权 威的科研单位 紧密 相结合 。 在 矿 山规划 时投人相对 较少 的资金开展 科研课题 , 在生产 中可以获得 相对较大 的经济效益 。 这 是一种具有 长 远 战 略意 义 的治矿思路 , 对 深 部开采 的地 下矿山建设有 益 。 2 本课题对因地 下 开挖 对 地 表 变形 最 终结果 有了定性及 定量 的分析 研究对不 同开 采方案也 进 行 了比较 。 对 地下 开采过 程与地 表变形值的描 述 , 留待以后进一步研 究 , 从 理论上讲 , 地表变形 应滞后于地下开 挖进程 , 从定量 的角度得出结 论 , 可以延缓 矿山基本 建设投资速度 , 有利于矿山总体效益持续 发 展 。 ... 厚覆盖岩层下开采对地 表变形 问题研究