崩落法深部开采岩移及地表塌陷规律分析研究.pdf

S e r i e s No ． 468 J u n e 2 0 1 5 金 属 矿 山 ME TAL MI N E 总 第 4 6 8 期 2 0 1 5年 第 6期 崩落法深部开采岩移及地 表塌陷规律分析研究 王运敏 陆玉根 ， 孙国 权 ， 2 1 ． 中钢集团马鞍山矿山研究院有限公 司， 安徽 马鞍山 2 4 3 0 0 0 2 ． 金属矿 山安全与健康 国家重点实验 室 ， 安徽 马鞍 山 2 4 3 0 0 0 摘要大红山铁矿为国内规模最大的地下开采矿山之一， 其主采区无底柱分段崩落法结构参数为国内领先， 大规模深部开采导致各采区之间应力较为复杂。针对大红山铁矿硐室爆破 冒落上覆岩层后 ， 崩落法深部开采引发的 岩层移动及地表塌陷规律展开研究， 总结地表塌陷区沉降及其裂缝的发展过程 ， 系统分析 了深部开采对地表沉降及 开裂的影响， 得出了岩移导致的陷落角。通过地表沉降及相关井下地压监测数据分析 ， 得到了硐室爆破后， 塌陷区地 表及井下岩层趋于稳定的结论， 表明崩落法上覆岩层冒落对于缓解深部开采高应力、 保证足够覆盖岩层厚度、 控制岩 层移动具有重要作用。 关键词崩落法深部开采岩移规律地表塌陷沉降规律岩层陷落角 中图分类号T D 3 2 5 ． 4 文献标志码A 文章编号1 0 0 1 ． 1 2 5 0 2 0 1 5 一 0 6 0 0 6 0 4 St ud y o n t he Law o f Roc k M o ve m e nt a nd Sur f ac e S ub s i de n c e b y De e p M i n i n g wi t h S u b l e v e l Ca v i n g W a n g Yu n mi n ， L u Yu g e n ， S u n Gu o q u a n 。 1 ． S i n o s t e e l Ma a n s h a n I n s t i t u t e o fMi n i n g R e s e a r c h C o ． ， L t d ． ， M a a nsh a n 2 4 3 0 0 0， C h i n a ； 2 ． S t a t e K e y L a b o r a t o r y o fS a f e t y a n d H e a l t h f o r Me t a l Mi n e ， Ma a n s h a n 2 4 3 0 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t Da h o n g s h a n i r o n mi n e i s o n e o f t h e l a r g e s t u n d e r g r o u n d mi n i n g mi n e s i n o u r c o u n t r y ， a n d i t s s u b l e v e l c a v i n g s t r u c t u r a l p a r a me t e r s i n t h e ma i n mi n i n g a r e a a r e l e a d i n g d e mo s t i c n O W． La r g e s c a l e d e e p mi n i n g h a s c a u s e d c o mp l e x s t r e s s e s a mo n g e v e r y mi n i n g a Y e a s ． R o c k mo v e me n t a n d s u rf a c e s u b s i d e n c e l a w i n d u c e d b y d e e p mi n i n g o f s u b l e v e l c a v i n g wa s s t u d i e d a f t e r t h e o v e r b u r d e n c a v i n g i n c h a mb e r b l a s t i n g i n Da h o n g s h a n i r o n mi n e ， a n d t h e s u rf a c e s u b s i d e n c e a n d t h e c r a c k s d e v e l o p i n g p r o c e s s w e r e s u mma ri z e d ． Th r o u g h t h e s y s t e ma t i c a n a l y s i s o n t h e i mp a c t o f d e e p mi n i n g o n s u r f a c e s u b s i d e n c e a n d c r a c k i n g， t h e r o c k c a v i n g a n g l e r e s u l t i n g f r o m r o c k mo v e me n t wa s o b t a i n e d ． Ac c o r d i n g t o t h e v a l u e ， t h e s c o p e o f f u t u r e s u r f a c e c r a c k i n g wa s d e l i n e a t e d ． T h r o u g h a n aly z i n g g r o u n d s u rf a c e s u b s i d e n c e a n d r e l a t e d u n d e r g r o u n d p r e s s u r e mo n i t o r i n g d a t a， t h e c o n c l u s i o ns t ha t s urfa c e o f c o l l a ps e p i t a n d un de r gro u nd r o c k t e nd t o b e r e l a t i v e l y s t a b l e aft e r b l a s t i n g wa s g o t ， whi c h i n di c a t e s t h a t O v e r b u r d e n f a i l u r e o f t h e s u b l e v e l c a v i n g p l a y s a n i mp o r t a n t r o l e i n r e l e a s i n g h i g h s t r e s s o f t h e d e e p mi n i n g ， e n s u rin g a d e q u a t e o v e r bu r d e n t hi c k ne s s a n d c o nt r o l l i ng t he r o c k mo v e me nt ． Ke y wo r d s De e p mi n i n g wi t h s u b l e v e l c a v i n g ， Ro c k mo v e me n t l a w， S u rf a c e s u b s i d e n c e a n d s e t t l e me n t l a w， Ro c k c a v i n g a n g l e 1 崩落法岩移及塌陷理论 崩落法开采引发上覆岩层 冒落是一个复杂 的空 间与时间问题， 当前对于煤矿开采顶板岩层冒落研究 已较为成熟 ， 学术界提 出了多种理论和假说 ， 上覆岩 层破断规律 已被基本掌握 ， 代表性 的有砌体梁理论 、 关键层理论 、 铰接岩块假说和压力拱假说等 。地下金 属矿山在地层结构、 矿体形态、 赋存条件、 应力状态及 开采方法等多方面与煤矿截然不 同， 使得地下采矿过 收稿 日期2 0 1 5 0 3 2 6 作者简介王运敏 1 9 5 5 一 ， 男 ， 教授级高级工程师 ， 博士研究生导师。 6 程 中围岩体应力分布较为复杂 ， 崩落过程中具有其特 殊性。所 以， 地下金属矿山的岩移及地表塌陷研究不 能简单地套用煤矿的相关理论。 当前 ， 地表塌陷研究主要采用现场实测分析 、 数 值模拟和相似模拟等 ， 其 中， 现场实测分析是最为准 确的研究方法 ， 可真实和精确地反映出岩层移动特性 及地表的塌陷沉降规律 。 地下金属矿床地层 结构复杂 、 采 场边 界条件多 王运敏等 崩落法深部开采岩移及地表塌陷规律分析研究 2 0 1 5 年第6 期 变 、 开采因素影响大 ， 导致岩层 的变形破坏连续及非 连续性并存 ， 拉压及剪切破坏共在 ； 在复杂多变 的采 矿因素影响下， 其介质的岩体力学性质、 变形破坏机 理以及采空区、 结构面等， 会随着时间发生相应的变 化。井下崩落开采引起岩层变形和移动 ， 并导致地表 出现开裂下沉 ， 描述地表开裂下沉最重要的参数就是 岩层陷落角 ， 岩层陷落角受上覆岩层岩性 、 开采深度 、 开采厚度 、 采矿方法及岩石的流变特性等 因素影 响， 较难准确计算 ， 因此采用实测法分析岩层移动规律， 及时总结修正适合矿 山的岩层陷落角具有重要意义。 2 井下开采及地表沉降分析 大红山铁矿集露 天开采和井下开采 2种开采方 式 ， 是 国内露天地下协 同开采的典型矿 山之一 ， 也属 国内最大的地下矿山， 综合生产能力约 1 1 0 0 万 t／ a 。 井下一期大规模无底柱崩落法开采标高为 3 8 0 一 5 0 0 m， 最大开采深度距离地表 8 0 0多 m， 目前 ， 主 宝 是 磐 采 区4 0 0 m以上水平已开采完毕 。 井下大规模开采使得 大红 山铁矿地压活动极为 复杂 ， 深部巷道冒顶片帮现象严重。2 0 1 1年 8月 ， 地 表 1 2 2 0 m标高附近 出现裂缝。为解 除高应力地压 隐患， 2 0 1 2年 4月 9日， 矿 山在位 于主采 空区上部 1 0 9 0 m平巷进行了硐室爆破强制落顶 。 为掌握地表开裂及沉降规律 ， 早期矿山在地表建 成 2个沉降观测点 ， 利用全站仪通过地表导线点进行 观察。图 1 为2 测点的观测数据， 测点 1 位于硐室爆 破正上方， 为目 前地表沉降位移最大处， 可见沉降与 水平移动规律较为一致 ， 受硐室爆破强制落顶影 响 ， 测点 1沉降与水平移动在之后几月内几乎没有发展 ， 这表明上覆岩层强制 冒落后延缓了地表沉降及变形。 而后 1 a 多时间内2测点的水平移动几乎保持不变， 只有沉降一直处于平稳缓慢增加的状态 中， 增速约为 2 5 mm ／月 O 0 O O 0 O 0 O 0 O ∞蚰 ∞ 加∞鲫∞ ∞加 }} 总第 4 6 8期 金 属 矿 山 2 0 1 5年第 6期 ． 兰 竺 ． ． 7 | 一 ＼ ／ ’ 腑 n }一 离 7 1 l／ 羞 、 皇主采空 置 ／ l1 0Om lOO0m 9O O m 8O O m 7 0 0m 6 O Om 5 0 0m 4 0 0m 图3 A 3 8 镁 剖面地表裂缝发展情况 F i g ． 3 S u r f a c e c r a c k s d e v e l o p me n t o f A3 8 “ c r o s s - s e c t i o n 图 4纵 Ⅱ剖面地表 裂缝 发展 情况 Fi g ． 4 Cu r r e n t a n d f u t u r e c r a c k i n g r a n g e 可见大红山铁矿井下深部主采区大规模开采崩 落围岩充填采空区后 ， 地表形成了较大规模 的塌陷开 裂区， 总结实测地表塌陷及岩层移动范 围， 可得 出大 红山铁矿井下深部开采的岩层陷落角≥7 6 。 。 4 地压监测记 录分析 目前大红山铁矿地压监测包括钻孔应力计监测 、 围岩变形 自动监测及微 震监测系统等 ， 自 2 0 1 2年 4 月主采空区上部实施硐室爆破强制落顶 以来 ， 各监测 系统陆续完成了设计安装工作 ， 并监测得到了各月地 压监测记录。 井下钻孔应力计涵盖 目前主采区各水平 ， 从监测 数据分析来看 ， 过去 2 a在所布设 的监测点附近围岩 内应力集中与增加量较小 ， 如图 5每月应力最大值均 小 于0 ． 3 5 MP a ， 说 明采空区周围应力集中较小 ， 围岩 应力处于较稳定的状态 ， 地压活动相对稳定 。 对主采空区上部 1 0 9 0 m巷道顶板变形 监测数 据进行分 析 ， 各月顶板 最大下沉量均小 于 3 ． 5 m m。 近 2 a 来 ， 1 0 9 0 m巷道顶板下沉量表现 出总体稳定 ， 阶段性 增速 的趋 势如 图 6 ， 目前 ， 累 计 下 沉量已达 3 5 0 0 mm， 预测未来 围岩沉降还将保持该稳定增长 8 堂0 寸l n 卜o 。 0_ 一 t q n 0 一 H 0 0 0 0 0 0 0 0 0一 0 0 0 I I l I l 『 I f I I l I l J l I J I 『 t “ q N n n n n n n c n n n n n寸寸甘甘 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 N -q 日 期 图5 每月应力增加最大值监测记录 Fi g． 5 M ont hl y ma x i m u m i ne r e a s e d s t r e s s m o n i t o r i n g r e c o r d s 的趋势 ， 塑性变形区域继续扩大 。 罾 岛 咖l 好 k H期 图 6 每月顶板 累计下沉 量监测记录 Fi g． 6 M o nt hl y c u m ul a t i ve r o o f s ubs i de nc e m o ni t or i ng r e c or ds 图 7为主采空区上部硐室大爆破后每月岩层破 裂事件的平均次数 ， 可以看出， 在硐室大爆破后的几 个月里 ， 岩层破 裂事件数逐渐下 降 ， 2 0 1 3年 1 2月至 2 0 1 4年 6月几乎都未发生破裂事件 。空区上部岩层 冒落次数显著下降、 消失， 表明了采空区逐渐被冒落 岩层所覆盖并不断填实， 地应力逐步得到相对平衡 ， 预测未来岩层破裂事件将处于较低次数并消失 ， 被覆 盖的空区进一步填实 ， 出现较大规模岩层 冒落概率很 低 。 ∞ ∞ o 兮 O O O O O O O 0 0 B d 宝 渝_ 器磐 ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ 6 4 2 0 8 6 4 2 王运敏 等 崩落法深部开采岩移及地表塌 陷规律分析研究 2 0 1 5年第6期 可以看 出， 每月的微震非定位事件均远远小于大面积 突然垮塌设定的预警值3 0 0 ／- ／ d ， 且逐渐降低趋于稳 定 ， 呈现显著不断降低趋势 ， 这表 明地压趋于逐渐稳 定 。 亘 画 蜘 l 至 l 趸 蚕 磊 蚕 吾 趸 趸 磊 曩 趸 蚕 趸 趸 趸 蚕 日期 图 8 每 月微 震非定位事件平均值监测记录 F i g ． 8 Th e a v e r a g e mo n i t o r i n g r e c o r d s v a l u e o f n o n - l o c a t i n g mi c r o s e i s mi c e v e n t s mo n t h l y 5 结论 1 综合分析地表塌陷区沉降及 裂缝 的发展情 况 ， 表明沉降与水平移动具有较强的一致性 ， 整体变 化趋势具有阶段性 的快速增加与趋缓 的特点 。目前 塌陷区地表水平移动保持不变， 沉降处于平稳缓慢增 加 的状态 中。 2 总结地表塌陷区沉降及其裂缝的发展过程 ， 得出本矿深部开采岩层陷落角I7 6 。 。 3 通过井下各地压监测数据分析 ， 表明 目前主 采 区上部空区已不同程度被填实 ， 岩层 冒落事件趋于 消失 ， 围岩应力集中较小 ， 变形趋于稳定 ， 预测未来岩 层将继续缓慢下沉压实 ， 发生冲击地压 、 大规模塌陷 冒落等地压灾害的概率很低 。 4 分析地表沉降及相关井下地压监测数据， 硐 室爆破强制冒落上覆顶板岩层后， 岩移及地表塌陷沉 降均处于较为稳定状态， 深部崩落法开采高应力集中 的情况得到了明显解除， 这充分说 明了深部崩落法开 采 ， 崩落上覆岩层保证足够的覆盖岩石厚度充填采空 区， 对 于缓解深部开采高应力 、 控制 岩层移动具有重 要作用 。 参考文献 [ 1 ] 王运敏， 胡杏保， 孙国权． 崩落法开采顶板岩层冒落规律研究 [ J ] ． 金属矿山， 2 0 1 0 8 1 1 3 1 1 7 ． Wa n g Yu n mi n， Hu Xi n b a o， S u n Gu o q u a n． S t u d y o f r o o f s tr a t a f a l l i n g l a w o f s u b l e v e l c a v i n g [ J ] ． Me t a l Mi n e ， 2 0 1 0 8 1 1 3 1 1 7 ． [ 2 ] 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， 2 0 0 8 ． Yu a n Yi ． S t u d y of Ro c k S u b s i d e n c e An g l e a n d S u b s i d e n c e Ar e a De - t e r mi n i n g i n U n d e r g r o u n d Me t a l Mi n i n g[D] ．C h a n g s h a C e n t r al S o u t h Un i v e r s i t y， 2 0 08 ． [ 3 ] 蔡美峰． 金属矿山采矿设计优化与地压控制一理论与实践[ M] ． 北京 科学出版社 ， 2 0 0 1 ． Ca i Me i f e ng ． T h e o r y a n d Pr a c t i c e of Mi n i n g De s i g n Op t i mi z a t i o n a n d C o n t r o l o f G r o u n d P r e s s u r e i n Me t a l Mi n e s [ M] ． B e r i n g S c i e n c e Pr e s s ， 2 0 01 ． [ 4 ] 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， 2 0 1 4 4 1 1 1 7 1 1 2 2 ． H u j i n g y u n ， L i S h u l i n ， L i n F e n g ， e t a 1 ． Re s e a r c h o n d i s a s t e r mo n i t o - r i n g of o v e r b u r d e n g r o u n d p r e s s u r e a nd s a Y f a c e s u b s i d e n c e i n e x t r a l a r g e m i n e d o u t a r e a [ J ] ． R o c k a n d S o ft Me c h a n i c s ， 2 0 1 4 4 1 1 1 7 ． 1 1 2 2． [ 5 ] B r a d y B H G ， B r o w n E T ． 地下采矿岩石力学[ M] ． 余诗刚， 等， 译 ．北京 科学出版社 ， 2 0 1 1 ． Br a d y B H G ． B r o wn E T． Ro c k Me c h a n i c s f o r Un d e r g r o u n d Mi n i n g [ M] ． T r a n s l a t e d b y S h e S h i g a n g ， e l a1． B e ij i n g S c i e n c e P r e s s ． 2 0 1 1 ． 责任编辑石海林