深部开采对地表塌陷坑治理后影响评价.pdf
第2 8卷增刊1 2 0 1 9年6月 中 国 矿 业 C H I N A M I N I N G MA G A Z I N E V o l . 2 8,S u p p l 1 J u n e 2 0 1 9 收稿日期2 0 1 9 G 0 5 G 0 5 责任编辑赵奎涛 引用格式王贺, 王志修, 原野.深部开采对地表塌陷坑治理后影响 评价[J].中国矿业, 2 0 1 9,2 8S 1 6 0 G 6 4. d o i1 0. 1 2 0 7 5/j . i s s n . 1 0 0 4 G 4 0 5 1. 2 0 1 9. S 1. 0 3 5 深部开采对地表塌陷坑治理后影响评价 王 贺1 ,2,王志修1,2,原 野1,2 1.北京矿冶科技集团有限公司,北京1 0 2 6 2 8; 2.国家金属矿绿色开采国际联合研究中心,北京1 0 2 6 2 8 摘 要针对矿山塌陷坑治理后深部开采对其扰动影响评估问题开展研究.通过岩石物理力学性质试 验, 获取岩石的基础力学参数; 开展现场节理裂隙调查及统计分析, 得到岩体结构面分布规律; 采用G S I法 进行岩体质量评价, 并据此给出相应岩体的力学参数建议; 最后, 通过数值模拟技术建立深部开采对地表 变形影响评价模型, 分析对地表塌陷坑治理后的安全效应.研究结果表明, 采用“ 隔三采一” 的空场嗣后充 填采矿法后, 地表的沉降变形、 水平变形和倾斜变形均能够满足规范要求, 对地表塌陷坑治理后的充填体 扰动影响较小, 在研究条件下可保证地表塌陷坑治理后的安全需求. 关键词金属矿开采;塌陷治理;数值模拟;影响评价 中图分类号T D 3 2 5 文献标识码A 文章编号1 0 0 4 G 4 0 5 1 2 0 1 9S 1 G 0 0 6 0 G 0 5 I n f l u e n c e e v a l u a t i o no fd e e pm i n i n go ns u r f a c e c o l l a p s ep i tm a n a g e m e n t WANG H e 1,2,WANGZ h i x i u1,2,YUANY e1,2 1.B G R I MM T e c h n o l o g yG r o u p,B e i j i n g1 0 2 6 2 8,C h i n a; 2.N a t i o n a lC e n t r e f o r I n t e r n a t i o n a l J o i n tR e s e a r c ho nG r e e nM e t a lM i n i n g,B e i j i n g1 0 2 6 2 8,C h i n a A b s t r a c tT h e i n f l u e n c eo f d e e pm i n i n go n t h ed i s t u r b a n c eo fm i n e c o l l a p s ep i t i s s t u d i e d . T h eb a s i cp h y s i c a l a n dm e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fr o c k sa r eo b t a i n e db yt e s t s . T h ed i s t r i b u t i o nl a w o fr o c k m a s sj o i n t si s o b t a i n e db yf i e l dj o i n t i n v e s t i g a t i o na n ds t a t i s t i c a la n a l y s i s . T h eG S Im e t h o di su s e dt oe v a l u a t et h er o c k m a s sq u a l i t y,a n d t h e c o r r e s p o n d i n gm e c h a n i c a l p a r a m e t e r so f r o c km a s s a r e s u g g e s t e d . F i n a l l y , a ne v a l u a t i o n m o d e l o f t h e i m p a c to fd e e pm i n i n go ns u r f a c ed e f o r m a t i o n i se s t a b l i s h e dt h r o u g hn u m e r i c a l s i m u l a t i o n,a n d t h es a f e t ye f f e c to f s u r f a c ec o l l a p s ep i t t r e a t m e n t i sa n a l y z e d . T h er e s u l t ss h o wt h a t t h es u r f a c es u b s i d e n c e d e f o r m a t i o n,h o r i z o n t a l d e f o r m a t i o na n d i n c l i n e dd e f o r m a t i o nc a nm e e t t h e r e q u i r e m e n t so f t h e c o d ea f t e r t h e o p e ns t o p eb a c k f i l l i n gm i n i n gm e t h o do f“m i n i n ga t i n t e r v a l so f t h r e e t i m e sa n do n e t i m e”i sa d o p t e d,w h i c h h a s l i t t l e i n f l u e n c eo nt h eb a c k f i l l d i s t u r b a n c ea f t e r s u r f a c ec o l l a p s ep i t t r e a t m e n ta n dc a ne n s u r et h es a f e t y r e q u i r e m e n t sa f t e rs u r f a c ec o l l a p s ep i t t r e a t m e n tu n d e r t h er e s e a r c hc o n d i t i o n s . K e y w o r d sm e t a lm i n em i n i n g;c o l l a p s ec o n t r o l;n u m e r i c a l s i m u l a t i o n;i n f l u e n c ee v a l u a t i o n 地下矿山开采特别是浅埋矿体的崩落法、 空场 法开采不可避免的对近地表的围岩产生扰动[ 1 G 2], 甚至是 造 成 地 表 沉 降 变 形,形 成 塌 陷 坑、陷 落 区[ 3 G 4].由于生态环保问题日益受到重视,地表塌 陷坑的治理刻不容缓.此外,上部塌陷坑治理后与 深部开采相互影响,一方面深部开采将继续扰动上 部治理后的塌陷坑,是否会引起新的安全隐患;另 一方面治理后的塌陷坑是否将影响深部矿体的安全 开采,也是摆在矿山生产面前的一道必解难题[ 1 G 2]. 还要注意,不同的开采方式对地表变形的影响差异 显著,合理的地下开发利用方案也将制约浅部塌陷 坑治理[ 5 G 8]. 本研究以国外某多金属矿山为例, 针对塌陷坑 充填治理后与深部开采相互影响问题, 采用岩石力 学试验、 节理裂隙调查、 工程岩体质量分级、 数值模 拟等方法开展研究, 探讨深部“ 隔三采一” 空场嗣后 充填法开采对地表塌陷坑充填体的影响, 评估治理 方案的合理性, 为矿山工程灾害的治理提供参考, 并 为类似工程提供有益的借鉴. 增刊1王 贺,等深部开采对地表塌陷坑治理后影响评价 1 工程概况 国外某铅、 锌、 银多金属矿为岩浆期后汽水G热 液型矿床, 矿区内分布主要地层为角闪石岩、 片麻状 闪长岩、 矽卡岩、 火山凝灰岩、 玄武岩、 安山岩、 流纹 岩等.矿区内断裂构造很发育, 同时具有多期多次 活动的特点, 工程地质条件属于复杂类型.矿床内 地下水的主要补给来源为大气降水, 大气降水具有 季节性的变化, 而且补给来源不足.只有断裂构造 裂隙水和层间裂隙水对矿坑地下水的影响较大, 为 矿坑地下水的主要充水因素, 总体而言水文地质条 件简单. 该矿实际生产能力为7 0万t/a.因早期设计采 用分段崩落法及空场法开采, 导致地表产生2个主 要的塌陷坑, 坑壁呈直立形态, 最大坑底深度达到 4 5m, 空区体积分别约为7 20 0 0m 3 和6 00 0 0m 3, 如不及时处理将成为矿山的一大安全隐患, 威胁深 部矿体的开采安全.此外, 考虑到采用空场法面临 的预留顶底柱导致的矿石损失难以挽回, 矿山考虑 首先采用尾砂胶结充填原有采空区, 保障生产安全, 并进一步采用空场嗣后充填采矿法替代原有采矿方 法, 实现资源的充分回收利用和绿色开采. 2 岩体质量评价及力学参数选取 2. 1 岩石力学试验 岩石的物理力学参数是影响井下开采稳定性的 主要评价指标之一.本次力学试验岩样采用现场工 作面大块取样并在室内加工为5 0mm1 0 0mm标 准岩芯, 选取3种有代表性的岩石, 包括1号角砾岩 矿体、 流纹岩、 9号角砾岩矿体 矿体编号为研究矿 山自定义 , 依 据 国 标 工 程 岩 体 试 验 方 法 标 准 G B/T5 0 2 6 62 0 1 3 , 开展了岩石密度试验、 劈裂 法抗拉强度试验、 单轴压缩及变形试验、 三轴压缩强 度试验, 获取了岩石密度ρ o、 抗拉强度σt、 单轴抗压 强度σ c、 弹性模量E、 泊松比μ、 内摩擦角φ、 黏聚力c 等指标见表1. 2. 2 岩体节理裂隙特征统计分析 岩体的完整性是决定岩体质量的另一个因素, 它是由岩体的结构面特性所决定的, 主要包括发育 程度 密度 、 联通性 持续性 、 粗糙度、 产状关系、 张 开度、 充填物、 风化程度等.本次研究节理裂隙调查 工作依据国际岩石力学学会 I S RM 相关规程开 展[ 9].共计布置测线2 5条, 有效调查长度共计3 3 7m, 总计测得有效节理裂隙数据7 6 1条.其中,1号矿 体区域测线1 1条, 长1 2 3. 5m, 有效节理裂隙数据 3 3 9条;9号矿体区域测线1 4条, 长2 1 3. 5m, 有效 节理裂隙数据4 2 2条. 统计节理裂隙的倾向∠倾角表明, 各岩组均发育 有2组优势节理裂隙 即1号流纹岩组2 3 9 ∠ 2 8 、 9 9 ∠2 4 ;1号角砾岩矿体1 3 2 ∠3 0 、6 3 ∠2 2 ;9号 流纹岩组2 4 1 ∠2 1 、1 2 6 ∠2 9 ;9号 角 砾 岩 矿 体 6 3 ∠7 、3 4 8 ∠6 .各岩组节理均以粗糙的平滑节 理为主; 节理张开度以闭合、 微闭合为主; 含有充填 物以胶结充填为主; 节理以干燥及潮湿为主. 2. 3 岩体质量评价 本研究采用G S I g e o l o g i c a l s t r e n g t hi n d e x 分 类方法进行岩体质量评价, 评价中最基本的参数是 对单轴抗压强度 σc 和与岩石摩擦特性有关的材料 常数 mi 的评价或测量.G S I指标与岩体的结构特 性、 表面风化程度及表面粗糙性等有关, 且对各类岩 体的结构与表面特征间的关系以图的形式给出, 评 价结果见表2. 表1 岩石物理力学参数汇总 T a b l e1 M e c h a n i c a l a n dp h y s i c a lp a r a m e t e r so f r o c k s 岩组名称 密度试验 ρo/ g /c m3 劈裂试验 σt/MP a 单轴压缩及变形试验三轴压缩强度试验 σc/MP aE/G P a μ c/MP a φ / 1号角砾岩矿体2. 8 78. 7 19 1. 7 83 7. 7 90. 3 41 9. 0 85 2. 0 4 流纹岩 2. 9 81 5. 7 51 5 1. 9 34 5. 5 10. 2 73 3. 4 84 5. 8 7 9号角砾岩矿体2. 8 09. 5 26 6. 6 33 1. 4 70. 3 21 4. 0 55 3. 5 7 表2 基于G S I分类法的岩体质量评价表 T a b l e2 R o c km a s sq u a l i t ye v a l u a t i o nb a s e do nG S Ic l a s s i f i c a t i o n 岩组名称 参数 岩体结构结构面特征 G S I值 1号流纹岩 镶嵌结构、 结构体相互咬合, 部分扰动好, 微风化, 微粗糙 6 0 1号角砾岩矿体 镶嵌结构、 结构体相互咬合, 部分扰动好, 微风化, 微粗糙 5 5 9号流纹岩 镶嵌结构、 结构体相互咬合, 部分扰动好, 微风化, 微粗糙 6 0 9号角砾岩矿体 镶嵌结构、 结构体相互咬合, 部分扰动好, 微风化, 微粗糙, 部分结构面有松散物充填 5 5 16 中 国 矿 业第2 8卷 2. 4 岩体力学参数选取 H o e k G B r o w n强度准则2 0 0 2修正算法 [1 0]根据 HO E K提出的地质强度指标G S I 估计mi和s值 与岩体性质有关的常数 , G S I根据岩体结构、 岩体 中岩块的嵌锁状态和岩体中不连续面质量, 综合各 种地质信息进行估值, 用以评价不同地质条件下的 岩体强度, 既适用于坚硬岩体强度估计, 同样适用于 极差质量岩体强度估计.采用基于H o e k G B r o w n修 正算法的R o c D a t a软件确定岩体力学参数见表3. 表3 工程岩体力学参数汇总表 T a b l e3 M e c h a n i c a l p a r a m e t e r so f e n g i n e e r i n gr o c km a s s 岩组名称 材料 常数 mi 弱化 因子 D 岩体 弹模 Ei/MP a 岩体 内聚力 cr m/MP a 岩体内 摩擦角 φr m/ 1号流纹岩1 60. 74 55 1 08. 2 4 53 2. 3 9 1号角砾岩矿体1 80. 73 77 9 04. 8 4 43 2. 0 2 9号流纹岩1 60. 74 55 1 08. 0 7 03 1. 9 3 9号角砾岩矿体1 80. 73 14 7 03. 3 7 43 1. 1 0 3 深部开采对地表影响数值模拟分析 3. 1 基本假设 为便于建模并考虑到数值计算尽可能最大限度 地反映实际情况, 因此做出如下假设①岩体假设为 理想弹塑性体, 不考虑岩石应变硬化或软化;②矿体 和围岩为均质、 各向同性的材料;③分析中涉及到所 有物理量均与时间无关;④1号塌陷坑与9号塌陷 坑同时崩落, 并同时分层充填;⑤在计算中仅考虑地 应力的作用, 忽略地震波、 爆炸冲击波及地下水等因 素对岩体稳定性的影响;⑥本次模拟针对充填体, 假 设充填体是接顶良好的. 3. 2 模型建立 建立三维工程地质力学模型如图1所示, 长 宽高为16 0 0m14 0 0m5 0 0m.由于地表起 伏较小, 地表做合理的简化处理为平面, 模型主要包 括了所选定的地下开采区域、 两个有塌陷坑及断裂 带等结构体.深部开采矿房矿柱尺寸为1 5m, 模型 共划分2 9 66 5 0单元,3 0 43 6 8节点.模型底部边界 为垂直方向约束, 4个侧面为水平方向约束, 上部边界 为自由边界.屈服准则采用M o h r G C o u l o m b模型. 3. 3 计算方案 模型相关岩体及充填体力学参数见表3和表4. 模拟过程①开挖1号和9号塌陷坑; ②同时分 层充填上述2个塌陷坑;③开采深部矿体, 综合考虑 采用“ 隔三采一” 的回采顺序, 如图2所示 图2中 ①、②为矿房,③、④为矿柱 ;④按回采G充填G回采G 充填的顺序依次计算;⑤监测地表沉降及水平变形 以便后续结果分析. 图1 工程地质力学模型 F i g . 1 E n g i n e e r i n gg e o m e c h a n i c a lm o d e l 表4 充填体物理力学参数表 T a b l e4 P h y s i c a l a n dm e c h a n i c a l p a r a m e t e r so fb a c k f i l l s 充填名称 密度/ k g /m3 弹性 模量/ G P a 泊松比 黏聚力/ MP a 内摩 擦角/ 抗拉 强度/ MP a 1 ∶ 4胶结充填体24 0 02. 30. 2 90. 5 02 2. 50. 0 8 1 ∶ 1 0胶结充填体22 0 01. 50. 3 00. 4 02 0. 00. 0 5 非胶结充填体 14 5 00. 10. 4 50. 0 41 5. 00. 0 4 4 计算结果分析及影响评价 4. 1 地表沉降变形分析 输出地表沉降变形云图, 见图3.由图3可知, 图2 数值计算回采顺序示意图 F i g . 2 M i n i n g s e q u e n c e f o rn u m e r i c a l c a l c u l a t i o n 充填开采结束后地表沉降变形介于0 2 6mm之间, 整体沉降形成以1号塌陷坑及9号塌陷坑为中心的 两个沉降盆地, 除两个区域外沉降变形为0mm. 26 增刊1王 贺,等深部开采对地表塌陷坑治理后影响评价 说明充填采矿的实施, 能够有效地控制地表沉降位 移变形, 对除采动特殊工程体范围以外的广大地区 地表沉降变形影响有限. 4. 2 地表水平变形分析 分别绘制地表沿x方向及y方向的水平变形 等值线图如图4所示. 4. 3 地表倾斜变形 分别绘制地表沿x方向及y方向的倾斜变形 等值线图如图5所示.由图5可知, 沿x方向, 倾斜 变形主要集中在1号塌陷坑和9号塌陷坑地区, 最 大倾斜0. 7 5mm/m; 沿y方向, 倾斜变形同样主要 集中在1号和9号塌陷坑地区, 最大倾斜2 6mm/m; 图3 地表沉降变形云图 F i g . 3 C l o u dc h a r t o f s u r f a c e s u b s i d e n c ed e f o r m a t i o n 图4 地表水平变形等值线图 F i g . 4 C o n t o u rm a po fh o r i z o n t a l s u r f a c ed e f o r m a t i o n 图5 地表倾斜变形等值线图 F i g . 5 C o n t o u rm a po f s u r f a c e s l o p ed e f o r m a t i o n 36 中 国 矿 业第2 8卷 在x方向和y方向1号和9号塌陷坑地区范围以外 的广大地区, 地表的平均沉降变形均小于2mm/m. 4. 4 地表沉降变形综合分析 综上所述, 对比充填开采后地表水平变形及沉 降变形满足Ⅰ级建构筑物的保护要求, 即在场区范 围内的大型选矿厂主厂房等特别重要或特别敏感 的、 采动后可能导致发生重大生产、 伤亡事故的建筑 均能得到很好的保护.深部开采对地表塌陷坑治理 后的扰动影响很小, 满足安全生产的要求. 5 结 语 通过系统开展岩石物理力学试验、 现场节理裂 隙调查与分析、 工程岩体质量分级与岩体力学参数 选取, 结合数值模拟分析, 就深部空场嗣后充填开采 对地表塌陷坑治理后的影响开展评价研究.研究结 果表明, 深部采用“ 隔三采一” 的空场嗣后充填采矿 法后, 地表的沉降变形、 水平变形和倾斜变形均能够 满足规范要求, 对地表塌陷坑治理后的充填体扰动 影响较小, 在研究条件下可保证地表塌陷坑治理后 的安全需求. 参考文献 [1] 欧志成, 向葵.露天塌陷坑底矿柱回收方法及空区处理方案 [J].有色金属 矿山部分,2 0 1 7,6 96 1 4 G 1 7,2 9. 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