大规模深部开采诱发上覆岩体变形规律研究.pdf

大规模深部开采诱发上覆岩体变形规律研究 陆玉根 1， 2 汪为平 1， 2 江权 31 （1. 中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司， 安徽 马鞍山 243000； 2. 金属矿山安全与健康国家重点实验室， 安徽 马鞍山 243000； 3. 中国科学院武汉岩土力学研究所， 湖北 武汉 430071） 摘要为深入研究金属矿山岩层移动及地表变形规律， 针对大红山铁矿大规模深部崩落法回采岩层冒落及 地表变形的特点， 分析了深部开采对岩层及地表变形的影响和时空关系。通过矿山现场长期观测及实验室相似模 拟试验， 揭示了岩层冒落移动变形、 地表塌陷过程和 “三带” 规律， 认为金属矿山采用崩落法大规模深部开采后在地 表形成了一个以裂隙为引导的塌陷区， 明显存在崩落带和裂隙带， 弯曲变形带不明显， 但其岩层变形过程仍具有 “三带” 破坏特征。上覆岩层冒落依次经历了三个过程， 即首先呈现正三角拱状冒落， 向上发展并发育到地表， 再形 成小范围塌陷， 后期以该小范围塌陷点为中心向四周扩张， 呈现倒三角的敞开式发育。在上述分析的基础上， 进一 步分析了矿山深部巷道围岩变形特性及造成破坏的原因， 提出了防治上覆岩层冒落的围岩抗变形措施。 关键词深部开采崩落法岩层移动变形地表塌陷 中图分类号TD853文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -09-045-07 DOI10.19614/ki.jsks.201909008 Study of the Law of the Overlying Strata Movement and Deation Induced by Large-scale Deep Mining Lu Yugen1， 2Wang Weiping1， 2Jiang Quan32 （1. Sinosteel Maanshan Institute of Mining Research Co.， Ltd.， Maanshan 243000， China； 2. State Key Laboratory of Safety and Health for Metal Mines， Maanshan 243000， China； 3. Institute of Rock and Soil Mechanics， Chinese Academy of Sciences， Wuhan 430071， China） AbstractIn order to further study the metal mine rocking movement law of caving and surface subsidence law， accord⁃ ing to the characteristics of rock caving and surface deation in large-scale deep caving mining in Dahongshan Iron Mine， the influence of deep mining on rock stratum and surface deation and the space-time relationship are analyzed.Through the long-term on-site observation data in the mine and the similar simulation test in the laboratory， the process of rock stratum caving， movement and deation and surface collapse， and the law of“three zones”are revealed.It is pointed out that after the large-scale deep mining of the metallurgical mine in the caving ， a crack-oriented subsidence zone is ed on the surface.It is obvious that there exist caving zones and fissure zones， with un-obvious bending deation zone.But the defor⁃ mation process of the rock still has “three-zone damage” feature.The overburden rockfall has undergone three processes in se⁃ quence， that is， it firstly presents a positive triangular arched upslide， develops upwards to the surface， and then s a small- scale collapse， then， it expands around the small-scale collapse point， an open development that presents an inverted triangle. Based on the above discussion results， the deation characteristics of surrounding rock of deep mine roadway and the cause of the damage are analyzed， and the corresponding controlling measures for the surrounding rock deation are proposed. KeywordsDeep mining， Caving ， Rock layer movement and deation， Surface subsidence 收稿日期2019-07-29 基金项目 “十三五” 国家重点研发计划项目 （编号 2016YFC0600707） 。 作者简介陆玉根 （1987） ， 男， 工程师。 总第 519 期 2019 年第 9 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 519 September 2019 对采空区上覆岩体与地表移动变形规律进行研 究， 对于确保矿井安全开采具有重要意义 ［1］。近年 来， 大量学者对此进行了卓有成效的研究。何国清 等 ［2］从随机观点出发， 通过对岩石块体的移动规律进 行研究， 提出了地表沉陷的威布尔分布形式； 刘天泉 等 ［3］对不同开采条件下缓倾斜煤层开采引起的上覆 45 金属矿山2019年第9期总第519期 岩层移动和地表变形规律进行了研究； 李增琪等 ［4］将 岩层移动和地表变形纳入弹性力学领域的平面结构 范畴， 引进了富氏积分变换方法来研究岩层移动和 地表移动问题。总体上， 目前地表变形研究工作大 都集中在煤矿领域， 金属矿山地表变形规律的研究 基本停留在经验预测阶段， 相应的成果较少 ［5］。 目前， 对于煤矿地表变形规律的研究运用较为 广泛的是 “三带” 理论 ［6］， 但该理论无法有效分析金属 矿山地下开采引起的上部围岩移动和地表变形规 律。相对于煤矿地下开采， 由于金属矿的赋存特性， 围岩力学强度较高， 在相同的暴露面积下， 更不易发 生垮塌和冒落， 并且围岩的节理裂隙和地质构造也 更为复杂， 存在层状结构， 矿体产状更是形态万千， 导致开采后形成的采空区和采场布置形式复杂多 变， 致使很难达到充分采动条件。正是由于金属矿 山的上述开采特点， 使得空区上部岩层移动和地表 变形过程均较为漫长， 而且连续性较差， 因而难以对 某一金属矿山明确划定 “三带” 区域， 一般其弯曲下 沉带难以有效确定 ［7-9］。 大红山铁矿为典型的大规模深部开采矿山， 本 研究在分析其深部开采后上覆岩层移动和地表变形 现状的基础上， 对深部开采岩层移动和地表变形规 律进行总结， 进而通过矿山现场长期观测数据及实 验室相似模拟试验， 对岩层冒落移动变形及地表塌 陷过程和规律进行分析， 进一步讨论矿山深部巷道 围岩变形特性及破坏原因， 并提出防治上覆岩层冒 落适宜采用的围岩变形综合控制措施。 1工程概况 大红山铁矿位于云南省玉溪市新平县， 主要开采 铁矿石， 矿山以崩落法开采为主， 综合采用露天开采 和地下开采方式生产， 综合生产能力可达1 000万t。 目前矿山开采深度已经达到1 000 m左右， 具有生产 规模大、 开采深度大、 多采区同时开采等特点， 同时 深部开采的各类地压问题显现。井下各开采区域范 围如图1所示。 大红山铁矿井下开采至今， 一直在主采区Ⅱ1矿 体标高370705 m区域进行无底柱分段崩落法回采， 所采用的采场结构参数为目前国内最大， 分段高度 与进路间距均为20 m， 机械化配套程度 （铲、 装、 运各 环节） 也为国内较先进。无底柱分段崩落法的开采 特点是崩落上覆围岩充填处理采空区以达到控制地 压的目的。随着多年开采， 该矿山开采深度不断提 高， 采空区高度与范围也随之不断扩大， 上覆岩层不 断冒落到达地表， 目前地表已产生了大量裂缝， 并形 成了塌陷坑。根据2018年观测资料， 其裂缝范围已 达0.48 km2， 局部区域最大下沉高度约30 m （图2） 。 塌陷区域对应的地下开采区即为大规模开采的主采 区， 塌陷中心向外下沉量逐渐减小， 边缘外侧表现为 开裂， 开裂形态为齿状， 朝向空区。 主采区Ⅱ1矿体上部地表于2011年8月首次观测 到地表裂缝， 地表观测到的裂缝经历了从少数几条 到裂缝形成闭合圈、 闭合圈不断扩大、 裂缝宽度从数 毫米到数十厘米的发展过程， 即裂隙逐步扩张， 逐步 出现明显的塌陷下沉。地表塌陷范围发展情况如图 3所示， 主采空区对应的地表塌陷坑的典型剖面如图 4所示。 2016年以来， 矿区地表裂缝范围相对目前来说 变化不大， 主要是在西南方向上范围有所扩大， 将 主采区井下现状与地表裂缝相对应， 可见， 未来随 着400 m水平以下主采区矿体开采逐渐向西南方向 发展， 其开采范围将越过目前的裂缝圈。根据地表 塌陷移动规律， 地表塌陷及开裂方向将继续向西南 方向发展， 其他方向上由于开采范围变化不大， 地 表塌陷及开裂范围将保持稳定。在不同的横纵剖 面图上， 分别将地表塌陷及裂缝范围与井下主采区 空区进行对比， 划定了不同横纵剖面上的裂缝发展 角度 （塌陷角） ， 截至2018年， 各方向的塌陷角均大 于76。 46 陆玉根等 大规模深部开采诱发上覆岩体变形规律研究2019年第9期 2岩层移动及地表塌陷规律 2. 1地下开采对地表的影响 无底柱分段崩落法开采形成空区后， 利用崩落 上覆围岩处理采空区， 其上部岩层移动冒落及地表 变形是一个较为复杂的时间和空间问题， 由于空区 埋藏较深， 围岩冒落自下而上到达地表是一个较长 的过程。 为了观测围岩不断冒落的过程， 矿山曾采用导 电观测法来监控岩层冒落， 通过在围岩钻孔中埋设 导电回路， 当某一高度的围岩冒落后， 电路随之切 断， 从而该高度的指示灯熄灭， 通过预先标定的高度 推测出冒落高度。大红山铁矿岩层冒落导电观测法 原理如图5所示。 根据监测记录， 从2006年底开始进行地下回采， 到2011年首次观测到地表裂缝， 在这5 a左右的时间 段内， 该矿山井下采空区上覆岩体经历了逐步开裂 后的冒落， 逐步向上发展， 由850 m水平向920、 1 060 m水平扩展最终到达地表等过程 （图6） ， 且岩层冒落 保持一个较为平稳的速度向上发展。 根据以上分析， 大红山铁矿地下开采形成采空 区后， 空区上覆岩层逐步向上冒落， 经历了约5 a左右 （20062011年） 发展到地表。从地表开始出现裂缝 47 金属矿山2019年第9期总第519期 和塌陷开始 （2011年） ， 经历了裂缝逐步扩大、 塌陷逐 步加深、 裂缝形成的塌陷角逐步扩大等过程， 形成 76塌陷角后又经历了4 a左右 （20112016年） ， 截至 2018年， 该角度未见明显扩大。可见， 从开始进行地 下开采到地表塌陷范围扩大至形成塌陷角76， 经历 了9 a左右。 为了观测深部开采上部岩层移动和地表变形， 本研究相继开展了一系列的监测工作， 包括地表变 形监测、 应力位移监测、 微震监测等。自2014年5月 起在地表塌陷区域相继布置了53个变形监测点， 每 个月采用手持动态GPS仪对各测点的变形沉降值进 行监测， 发现目前每月下沉量不大， 地表呈平稳下沉 趋势。 根据矿山提供的围岩变形及微震监测记录显 示， 近几年上覆围岩的变形量保持平稳增长趋势， 微 震监测的破裂事件数及能量值也较为稳定， 虽然一 直能够监测到岩层活动事件， 但地压活动均较小， 未 发生大规模冒落。 综合地压监测结果表明， 近几年来空区上覆岩 层移动和地表变形均较为平稳， 随着围岩逐步冒落 充填处理采空区， 地应力集中现象逐渐得到缓解， 地 压问题逐步缓和。预测未来岩层移动仍将处于平稳 的速度， 同时空区逐渐冒落并密实， 现阶段空区上覆 岩层内发生冲击地压、 大规模不可控崩落和垮塌等 地压灾害的可能性较小 ［10］。 矿山已经建立了微震监测系统， 构建了多指标 地压灾害综合预警评分体系， 通过微震监测系统可 以获得关于微震事件的多个微震参数， 例如事件数、 事件能量释放大小、 空间位置、 震级等。根据该类微 震参数可以计算出事件率、 能量释放率、 b值、 定位事 件簇群密度、 pca聚集程度等多个参数， 分别评价各 分项地压灾害的发生概率， 再对各分项得分按权重 进行累加， 得到地压灾害的发生概率， 如概率值达到 0.5时， 反映出地压灾害发生的可能性较大 ［11-12］。根 据多指标地压灾害综合预警评分体系， 上覆岩层发 生地压灾害的概率为0.22， 反映出发生地压灾害的可 能性较低。 2. 2地下开采引起的地表塌陷规律 结合矿山现场各类观测数据， 该矿山采空区上 部岩体经历了逐步开裂后的冒落， 逐步向上发展， 并 表现为地表首先出现裂隙而后是出现小范围塌陷， 再逐步向空区为中心的外围发展等过程。即首先在 地表形成一个经历了小沉降、 开裂、 下沉等过程的塌 陷区， 该塌陷区域与井下空区总体上先形成一个正 三角形态塌陷范围 （地表首先出现的是小范围沉降 开裂） ， 再逐步扩张形成倒三角形态的塌陷范围 （地 表塌陷面积大于采空区面积） ， 并且， 该过程是在开 裂缝为先导的引领下逐步扩大为区域性的塌陷区。 根据上述分析， 矿山崩落法开采后很明显地存 在了崩落带和裂隙带。从岩体破坏机理及过程分 析， 裂隙带的存在必然由沉降引起。对于金属矿山 而言， 岩体破坏多属于脆性变形， 由于大红山铁矿地 表形成了一个以裂隙为引导的塌陷区， 因此， 该矿崩 落法开采后岩体允许的弯曲变形量很小， 即变形弯 曲带不明显， 但总体上岩层变形过程仍具有 “三带” 破坏特征。 2. 3岩层冒落过程及规律 按照 “三带” 理论， 井下开采形成空区后， 其直接 上部顶板将首先崩落， 存在岩层开裂带、 弯曲变形 带， 并逐步向上呈正三角形拱状发育。结合矿山实 测数据， 大红山铁矿采空区上覆岩层冒落依次经历 了3个过程 ①开采形成空区后， 空区上覆岩层冒落 充填采空区， 冒落发展呈现正三角形拱状， 冒落一直 向上发展至地表 （图7） ； ②冒落发展到地表， 正三角 拱顶最先到达地表， 形成小范围塌陷， 而后以该拱点 小范围塌陷点为中心向四周扩大； ③地表裂缝和塌 陷范围逐步扩大， 冒落呈倒三角敞开式发育， 形成的 塌陷角逐步扩大， 并最终保持稳定 （图8） 。 48 2019年第9期陆玉根等 大规模深部开采诱发上覆岩体变形规律研究 为进一步研究岩层冒落规律， 在实验室内进行 了相似模拟试验 ［13-14］。试验选取矿山具有典型性的 剖面A37作为相似模拟的平面范围， 采用1 ∶ 500作为 试验的几何相似比， 试验模型高度为1.6 m， 长度为 2.4 m。模型将剖面进行简化， 标记了不同岩层及主 采区一、 二期的开采范围， 按照矿山实际开采过程进 行模型开挖， 模型预先埋入位移计和应力计， 传感器 布设于采空区附近、 上部岩层内和地表。 空区上覆岩层内部位移监测数据及空区上部地 表变形位移监测数据如图9所示。由图9可知 ①随 着深部开采空区的形成， 上覆岩层逐渐冒落充填空 区， 上部岩层测点下沉量首先保持不变， 而后受下部 岩层冒落向上发展影响平稳增加， 最终冒落达到该 测点时下沉量产生剧变； ②随着深部开采的进行， 上 覆岩层逐渐向上冒落， 位于采空区上部地表的测点 下沉量首先保持不变， 而后下沉量逐渐平稳增加， 与 现场监测到的岩层内部位移及地表变形规律较相 似。 上述试验验证了有关冒落形态由正三角拱状发 展向倒三角敞开式塌陷的分析结论。采空区上覆岩 层冒落塌陷未到达地表时， 岩层呈正三角拱状冒落 形态， 如图10所示； 采空区上覆岩层冒落到达地表 后， 岩层冒落呈倒三角敞开式形态， 如图11所示。 对于已形成的敞开式冒落形态， 本研究分析认 为 地表下部的倒三角冒落区域与地下采空区上部 正三角冒落区域之间 （腰部） 存在着一个三角状未塌 陷区， 该范围随着塌陷逐步扩大而逐渐减小， 其形成 原因为塌陷不充分， 此时空区上部该部位并未塌落， 并未显现明显的塌陷， 但已经发生破坏及开裂 （图 12） 。 49 ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ 金属矿山2019年第9期总第519期 3巷道围岩变形及控制措施 目前矿山主采区一期大规模开采水平已下降至 400 m水平， 距离地表超800 m， 受深部高地应力及大 规模采动影响， 已在400、 420 m水平巷道及采场出现 围岩变形导致的冒顶片帮等地压问题。二期开采深 度将继续下降至200 m水平， 目前已在300 m水平进 行开采， 其开采深度将达1 000 m。 根据对井下现场条件的分析， 深部巷道围岩变 形破坏特征主要表现为侧墙内挤张裂、 拱顶挤碎或 剪裂、 采动引起的支护变形破坏等 （图13） 。变形规 律可描述为初期变形发展快、 变形量大， 变形持续时 间长， 应力集中区域变形量大、 范围广， 距离开采区 域变形量大等。 造成巷道破坏变形的原因主要有 （1） 采动影响。连续的大规模开采过程中， 大爆 破震动、 大型设备等动荷载改变了围岩的应力环境， 影响围岩结构， 从而加剧了巷道的变形破坏程度。 （2） 岩体结构。不良围岩岩层主要为散体结构、 碎裂结构， 含有复杂的结构面及结构体， 且富含断层 和破碎带， 节理面较发育。 （3） 地应力。深部开采巷道埋深较大， 地应力较 高， 导致围岩产生大变形而且时间效应很明显。连 续的高地应力致使围岩体产生流变变形， 从而导致 巷道产生收敛变形。 （4） 支护因素。初次支护强度、 刚度较低， 喷射混 凝土喷层厚度小， 锚杆因较短而未能打入稳定的岩层 中， 在较大采动荷载、 地压作用下， 支护体出现喷层剥 落、 开裂， 致使锚杆松脱或因强度较小而拉断 ［15］。 结合大红山铁矿岩层移动及地表塌陷规律的分 析， 针对该矿存在的深部围岩变形破坏、 巷道冒顶片 帮问题， 采用了螺纹锚杆、 锚固剂锚固、 喷锚网支护、 喷浆支护、 钢筋混凝土支护或全断面混凝土等多种 岩层变形控制措施。如390 m水平采准干线靠近北 部斜坡道口巷道围岩 （距离地表约800 m） 以及巷道 顶板、 边帮岩石破碎， 存在较大的安全隐患， 前期已 采取了管缝锚杆临时支护， 但效果不理想， 难以保证 过往人员及设备的安全。本研究采用了全断面锚网 喷浆支护形式， 支护长度为30 m， 锚杆型号ϕ20 mm， 采用的钢筋砂浆锚杆长度为2 m， 排距为2 m， 每排5 根、 每6根采用交错布置形式。钢筋网采用钢筋型号 ϕ6 mm， 300 mm300 mm 网格， 且钢筋网紧贴岩 面。混凝土喷射厚度为70 mm， 强度为C20， 如图14 所示。进行支护调整后， 围岩破坏变形得到了有效 控制。 4结语 针对大红山铁矿大规模深部崩落法回采岩层冒 落及地表变形的特点， 分析了深部开采对岩层及地 表变形的影响， 讨论了井下开采引起的岩层移动及 地表塌陷破坏规律， 总结了矿山深部巷道围岩变形 特性及破坏原因， 给出了围岩变形控制措施， 对于类 似矿山深部安全开采有一定的参考价值。 参 考 文 献 钱鸣高， 繆协兴.采场上覆岩层结构的形态与受力分析 ［J］ .岩石 力学与工程学报， 1995， 14 （2） 97-106. Qian Minggao， Miao Xiexing.Morphology and force analysis of over⁃ lying strata structure in stope［J］ .Journal of Rock Mechanics and Engineering， 1995， 14 （2） 97-106. 何国清， 杨伦.矿山开采沉陷学 ［M］ .徐州 中国矿业大学出版 社， 1994. He Guoqing， Yang Lun.Mining Mining Subsidence［M］ .Xuzhou China University of Mining and Technology Press， 1994. 刘天泉.矿山岩体采动影响与控制工程学及其应用 ［J］ .煤炭学 报， 1995， 20 （1） 1-5. Liu Tianquan.Measurement and control engineering of mining rock mass and its application ［J］ .Journal of Coal Science， 1995， 20 （1） 1-5. 李增琪， 杨硕.筑构物下开采集中位移应变漏与大变形 ［M］ .北 京 科学出版社， 2003. Li Zengqi， Yang Shuo.Study on Displacement and Large Dea⁃ tion of Concentrated Displacement in Underground Structures［M］ . BeijingScience Press， 2003. 50 ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ ［9］ ［10］ ［11］ ［12］ ［13］ ［14］ ［15］ 吴静.金属矿山三带分布数值模拟研究 ［D］ .南宁 广西大学， 2012. Wu Jing， Numerical Simulation of Three Zones of Metal Mines ［D］ . NanningGuangxi University， 2012. 邹友峰.矿山开采沉陷工程 ［M］ .徐州 中国矿业大学出版社， 2003. Zou Youfeng.Mining Subsidence Engineering［M］ .XuzhouChina University of Mining and Technology Press， 2003. 刘保卫.采场上覆岩层 “三带” 高度与岩性的关系 ［J］ .煤炭技术， 2009， 28 （8） 56-57. Liu Baowei.Effects of “three zones“ height and lithology on overly⁃ ing strata of stope ［J］ .Coal Science and Technology， 2009， 28 （8） 56-57. 袁义.地下金属矿山岩层移动角与移动范围的确定方法研究 ［D］ .长沙 中南大学， 2008. Yuan Yi.Study on the of Determining the Moving Angle and Moving Range of Underground Metal Rock Strata［D］ .Chang⁃ shaCentral South University， 2008. 邸有鹏， 孟凡杰， 张艳春.采空区勘察工作中 “三带” 的划分 ［J］ . 西部探矿工程， 2010， 22 （6） 107-109. Di Youpeng， Meng Fanjie， Zhang Yanchun.Division of the “three zones“ in the investigation of mined-out area ［J］ .West-China Explo⁃ ration Engineering， 2010， 22 （6） 107-109. 胡静云， 李庶林， 林峰， 等.特大采空区上覆岩层地压与地表塌 陷灾害监测研究 ［J］ .岩土力学， 2014 （4） 1117-1122. Hu Jingyun， Li Shulin， Lin Feng， et al.Research on disaster moni⁃ toring of overburden ground pressure and surface subsidence in ex⁃ tra-large mined-out area［J］ .Rock and Soil Mechanics， 2014（4） 1117-1122. 徐炜， 蔺朝晖， 李金恩， 等.大红山铁矿地压微震监测技术的探 讨 ［J］ .现代矿业， 2012 （9） 146-147. Xu Wei， Lin Zhaohui， Li Jinen， et al.Discussion on the micro-earth⁃ quake monitoring technology in Dahongshan Iron Mine［J］ . Mod⁃ ern Mining， 2012 （9） 146-147. 李庶林， 胡静云， 周爱民， 等.崩落法上覆厚大岩层崩落及破裂特 性综合研究 ［J］ .岩石力学与工程学报， 2016， 35 （9） 1729-1739. Li Shulin， Hu Jingyun， Zhou Aimin， et al.Comprehensive research on character of collapse and fracture of thick and large overburden rock in cave mining ［J］ .Chinese Journal of Rock Mechanics and En⁃ gineering， 2016， 35 （9） 1729-1739. 王运敏， 陆玉根， 孙国权.崩落法深部开采岩移及地表塌陷规律 分析研究 ［J］ .金属矿山， 2015 （6） 6-9. Wang Yunmin， Lu Yugong， Sun Guoquan.Study on the law of deep rock mining and surface subsidence in caving ［J］ .Metal Mine， 2015 （6） 6-9. 陆玉根， 孙国权， 徐刚， 等. 崩落法开采岩移及塌陷规律相似 材料模拟试验 ［J］ .金属矿山， 2015 （S） 1-6. Lu Yugen， Sun Guoquan， Xu Gang， et al.Similar simulation test of the rock movement and subsidence law by caving ［J］ .Metal Mine， 2015 （S） 1-6. 刘义梅.某矿区采场结构参数优化研究 ［D］ .绵阳 西南科技大 学， 2017. Liu Yiumei.Study on Optimization of Stope Structure Parameters in a Mining Area［D］ .MianyangSouthwest University of Science and Technology， 2017. （责任编辑王小兵） 2019年第9期陆玉根等 大规模深部开采诱发上覆岩体变形规律研究 51