基于概率積分法理論模型的累積不接頂充填效應沉降變形預測*

張驥,張炳一

(1.安徽馬鋼礦業資源集團姑山礦業有限公司,安徽 馬鞍山市 243011;2.中南大學 資源與安全工程學院,湖南 長沙 410083)

0 引言

礦產資源是推動經濟發展與社會進步的重要物質基礎。地下礦產資源的開采使得地下礦體區域出現空洞,圍巖的原始應力平衡被破壞,應力重新分布,巖層會發生破壞,出現變形、開裂、破碎與冒落等[1]。當采空區面積達到一定范圍的時候,上方地表將會產生移動與變形,從而引發地面塌陷等地質災害。因此對地下開采引起的地表沉降變形的預測顯得極其重要[2]。

白象山鐵礦西部厚大礦體目前回采情況良好,但局部已經出現明顯的地壓顯現,說明上覆礦巖已經出現一定程度的沉降變形。未來隨著更多分層的回采,地壓變化將更加突出,對地表青山河的影響將更為復雜。根據國內外充填法礦山經驗,充填采礦雖然可以最大限度地控制地表移動與變形,但由于開采疏水作用,上覆巖層孔隙度增加,加之充填體本身強度遠低于礦巖體強度,充填一般滯后于采礦,且受工藝限制不可能做到100%充填接頂,事實上無法完全避免上覆巖層與地表沉降變形。對于分層進路充填,因分層充填不接頂累積效應,如果上覆巖層穩固性差、節理裂隙發育,其變形尤其不能忽視[3]。例如國內某礦山采用下向進路充填采礦法,充填體強度超過5 MPa,但經過三十多年的開采,地表累積沉降達到3 m;某鐵礦采用與白象山鐵礦相同的采礦方法,地表也出現了不同程度的沉降變形。鑒于西部厚大礦體對白象山鐵礦生產的可持續發展的重要性,以及青山河不能受到影響的保護紅線,必須吸取國內外充填法礦山地表沉降變形經驗,根據變化的工程地質條件,對地表變形情況進行預測,進而可以針對性地采取控制措施,最大限度抑制上覆巖層和地表沉降變形,確保地表青山河安全[4]。

概率積分法是我國目前開采沉陷領域科學研究最常用方法之一,該方法構建了地表變形與地下開采空間的關系模型,在煤礦采空區地表及巖層殘余變形預測方面已經得到廣泛應用[5]。本文以馬鋼礦業資源集團白象山鐵礦西部厚大礦體為例,對傳統概率積分法進行了改進和優化,用累積不接頂高度代替礦體開采厚度,分別對采用4種不同的備選采礦方法導致地表的沉降變形進行了預測分析,研究成果可為采礦方法的選擇優化、礦山的安全生產以及地質災害防治等方面提供理論支撐。

1 工程概況

白象山鐵礦擁有豐富的優質磁鐵礦,目前主要生產中段為-470 m、-430 m、-390 m、-330 m,回風水平為-270 m。中段內沿礦體走向和傾向劃分為7個盤區,分別為一、二、三、五、六、七、八盤區。其中西部七、八盤區厚大礦體規模大、儲量多、礦體連續性好,是白象山鐵礦生產能力集中區域,故稱為“西部厚大礦體”,其安全高效回采對白象山鐵礦的可持續穩定發展至關重要。

由于白象山鐵礦主礦體賦存在閃長巖與砂頁巖接觸帶的內帶,其形態受礦區背斜構造控制,沿走向、傾向分布較廣,開采條件復雜,尤其是地表青山河流經西部厚大礦體,所采用的采礦方法及回采工藝技術方案必須控制地表移動與變形,確保青山河安全。對于充填采礦法,其上覆巖層與地表沉降變形的主要誘因是充填不接頂造成的采場頂板緩慢沉降,不同充填采礦方法其累積充填不接頂率不同[6]。因此,基于充填不接頂累積效應對西部厚大礦體采礦方法和回采工藝進行優化對于控制上覆巖層與地表變形具有重要意義[7]。

2 西部厚大礦體采礦方法備選方案

根據白象山西部厚大礦體實際情況,可選用的充填采礦方法包括預控頂上向進路充填采礦法、上向水平分層充填采礦法、下向進路充填采礦法和分段空場嗣后充填采礦法。

2.1 預控頂上向進路充填采礦法

該方法(含小分段空場嗣后充填采礦法)是白象山鐵礦西部厚大礦體當前主要應用的采礦方法。對于普通進路充填采礦法而言,由于巷道方式采礦的應用,安全性好、布置靈活,便于探采結合,但由于回采進路均為獨頭巷道掘進,生產效率低、成本高、通風困難[8]。為提高進路回采效率,根據白象山鐵礦地下礦山開采實際情況,提出應用預控頂上向進路充填法,進路規格參數由普通上向進路充填法的4 m×4 m 調整(4～6)m×(6～8)m。

該開采方法的實質是將上向水平進路充填法“自下而上單分層回采”變為“自下而上雙層合采”,是將空場法與充填法進行技術性融合,通過預先加固頂板,下向采礦形成較大空場,然后充填的一種采礦方法。其基本特征是:一個回采單元是由兩個分層所構成的,首先對上分層,即控頂層進行回采,采用支護等方法對頂板巖層進行加固以后,對下分層,即回采層進行回采工作。當兩個分層回采工作進行完畢后,對采空區進行充填。在同一個采場中所有上下兩層進路回采且充填完成以后,再升層至上兩個分層,重復上述工藝流程。

該種采礦方法根據礦體厚度的不同設定了兩種進路布置。具體而言,即當水平厚度大于20～30 m的情況,垂直礦體的走向進行布置;若水平厚度低于20～30 m 時,為充分發揮鑿巖設備,尤其是鑿巖臺車的效率,按照礦體走向來進行布置,如圖1和圖2所示[9]。本采場所有上下兩層進路回采充填完畢后,再升層至上兩個分層。

圖1 垂直礦體走向布置進路的預控頂上向分層充填采礦法(礦體水平厚度大于20～30 m)

圖2 沿礦體走向布置進路的預控頂上向分層充填采礦法(礦體水平厚度小于20～30 m)

2.2 上向水平分層充填采礦法

國內金屬礦山最常用的為兩步驟回采的機械化上向水平分層充填采礦法,其特征是:礦體被依次劃分為礦房和礦柱,按照兩步驟對礦房和礦柱內所含有的礦體進行開采,即先采礦房,高強度膠結充填后,第二部回采礦柱并進行低強度或非膠結充填。采場是自下而上分層進行回采,每個分層或者多個分層被回采完成以后,對其采空區進行及時充填,以形成強度后的充填體作為不斷向上開采礦體的作業空間和平臺。

這種采礦方法具有回采工程布置比較靈活、對礦體的適應性強等優點,一般情況下適用于任何傾角和厚度的頂板和圍巖特性比較穩固的礦體。該采礦方法存在的主要問題是工人在較大空場下作業,對于穩固性較差的礦床存在一定的安全風險,如圖3所示[10]。

2.3 下向進路充填采礦法

下向分層進路充填采礦法是1960年代試驗成功的一種新型采礦方法,主要適用于相對不穩固、受到地應力大的高品位礦體,如圖4所示[11]。

圖4 下向進路充填采礦法

2.4 分段空場嗣后充填采礦法

分段空場嗣后充填采礦法的基本特征:在某一階段內將礦體依次劃分為礦房(一步驟采場)礦柱(二步驟采場),仍然采用兩步驟回采。具體而言為先應用分段空場法對礦房內的礦體進行回采,進行高強度膠結充填,當充填體形成所要求的強度之后,作為人工礦柱來支護和承載頂板巖層。此后用相同的采礦方法即分段空場法對礦柱內的礦體進行回采工作,隨后采用低強度膠結充填或非膠結充填的工藝完成充填工作。兩步驟回采空場嗣后充填法等同于應用了空場法與充填法,因此該方法可以同時具備以上兩種采礦方法的優勢,在國內外得到了廣泛的關注與應用,如圖5所示[12]。

圖5 分段鑿巖階段空場嗣后充填法

3 各備選采礦方法不接頂高度預測

在對采空區進行充填的過程中,由于充填料漿存在坡面角,且井上井下聯絡不暢,容易存在進路未充滿的現象,且充填體在濾水養護后存在一定的沉縮性,因此,會出現充填不接頂現象。根據白象山鐵礦-390 m 中段七、八盤區的實際情況,進路的不接頂高度為0.3～1.0 m。預期通過研究與工程實施,將預控頂進路不接頂高度控制在0.5 m 以內,故在后文進行理論分析計算時取不接頂高度為0.5 m。

3.1 預控頂上向進路充填采礦法

目前白象山使用的預控頂上向進路充填采礦法進路高度為8 m,單一進路充填后會在上方出現0.5 m 的不接頂高度,分層內進路全部回采完畢后會在整個盤區形成大面積的0.5 m 高的不接頂區域。因為預控頂上向進路充填采礦法在控頂層回采時采用1/5拱的三心拱,且對頂板進行噴錨網支護,因此在上層回采時不會對下層的充填不接頂區域造成影響。預控頂上向進路充填采礦法不接頂區域與上層進路關系如圖6所示。

圖6 預控頂上向進路充填采礦法不接頂區域與上層進路關系示意

圖7 有限開采時走采動系數與的關系

因此每層礦體回采時均會出現0.5 m 的不接頂,表1為預控頂上向水平分層充填采礦法的不接頂計算結果。

表1 預控頂上向水平分層充填采礦法的累計不接頂計算結果

3.2 上向水平分層充填采礦法

若西部厚大礦體改用上向水平分層充填采礦法,上向水平分層充填采礦法上分層作業時,底板為下分層的充填體,因此不會在每分層都形成充填不接頂區域,中段回采完成時最后分層的充填會存在不接頂現象。-390 m 中段已經回采了第一層,第二層采準巷道已經部分施工,部分區域已經開始回采,因此第二層依然采用預控頂上向進路充填采礦法。-390 m 中段其余礦體均采用上向水平分層充填采礦法。-430 m 中段第一層礦體回采尚未完成,且礦體剩余厚度較少,因此除第一層外,-430 m中段剩余礦體均采用上向水平分層充填采礦法。-470 m 中段礦體只回采了第一層,以上礦體均采用上向水平分層充填采礦法,其不接頂計算結果見表2。

表2 改用上向水平分層充填采礦法的累計不接頂計算結果

3.3 下向進路充填采礦法

若西部厚大礦體改用下向進路充填采礦法,-390 m 中段五盤區的下向進路充填采礦法試驗采場普通層進路高度為4 m,因此,厚大礦體采用的下向進路充填采礦法進路高度也初步定為4 m。-390 m 中段已經回采了第一層,第二層采準巷道已經部分施工,部分區域已經開始回采,因此第二層依然采用預控頂上向進路充填采礦法。-390 m 中段其余礦體均采用下向進路充填采礦法。-430 m中段第一層礦體回采尚未完成,且礦體剩余厚度較少,因此除第一層外,-430 m 中段剩余礦體均采用下向進路充填采礦法。-470 m 中段礦體只回采了第一層,以上礦體均采用下向進路充填采礦法,其不接頂計算結果見表3。

表3 改用下向進路充填采礦法的累計不接頂計算結果

3.4 分段空場嗣后充填采礦法

若西部厚大礦體改用分段空場嗣后充填采礦法,分段空場嗣后充填采礦法高大空區整體充填,只會在空區上方出現一個不接頂區域。-390 m 中段已經回采了第一層,第二層采準巷道已經部分施工,部分區域已經開始回采,因此第二層依然采用預控頂上向進路充填采礦法。-390 m 中段其余礦體均采用分段空場嗣后充填采礦法[13]。-430 m 中段第一層礦體回采尚未完成,且礦體剩余厚度較少,因此除第一層外,-430 m 中段剩余礦體均采用分段空場嗣后充填采礦法。-470 m 中段礦體只回采了第一層,以上礦體均采用分段空場嗣后充填采礦法,其不接頂計算結果見表4。

表4 改用分段空場嗣后充填采礦法的累計不接頂計算結果

4 地表最大沉降變形特征值計算

對受開采引發的采動區周邊巖層或地表的移動和變形的特征值進行計算,并根據計算結果對受礦體開采影響的周邊巖體和地表移動和變形在時間上和空間上的變化規律進行定量研究,對開采引發的沉陷研究和礦山實際生產實踐具有重要意義,可用于指導建(構)筑物下的礦體開采實踐[5]。本研究對概率積分法進行了改進和優化,對于充填采礦法,采用累計不接頂高度代替礦體開采厚度,對白象山西部厚大礦體各備選開采方案誘發的地表移動變形特性進行研究。

4.1 參數計算方法

地下開采對地表的影響主要有垂直方向的移動和變形(下沉、傾斜、曲率)與水平方向的移動和變形(水平移動、拉伸和壓縮)等。相關參數的計算方法如下所述[14]。

4.1.1 最大下沉值W

根據隨機介質理論及其移動規律,地下開采誘發地表出現的最大下沉值W可按式(1)～式(7)計算:

式中,W0為走向、傾向均充分采動時地表最大下沉值,mm;m為開采礦體厚度,對于充填采礦法,本研究采用累積不接頂高度,m;q為下沉系數,參照相關標準取q=0.03;α為礦體傾角,取平均值45°;

式中,l為走向計算開采長度,m;D1為走向開采長度,平均為795 m;S0為走向拐點偏距,本研究選擇堅硬礦巖類型,即S0=0.2H0;r0為走向主要影響半徑,m;H0為走向開采深度,自-470 m～-270 m 水平,即取值為200 m;tanβ為主要影響角正切值;為傾向充分采動、走向有限開采時地表最大下沉值,mm;C ym為傾向采動系數;為移動變形分布函數值,從圖8中量取;r1為最低開采水平主要影響半徑,m;r2為最高開采水平主要影響半徑,m;H1為最大開采深度,地表標高+10 m 左右,至-470 m 水平最大開采深度480 m;H2為最小開采深度,地表標高+10 m 左右,至-270 m 水平最大開采深度280 m;S1為最大深度拐點偏距,S1=0.2H1);S2為最小深度拐點偏距,S2=0.2H2;L為傾向計算開采長度,m;D2為傾向開采長度,435 m;θ0為開采影響傳播角。

圖8 移動和變形分布曲線

4.1.2 最大水平變形U

地表最大水平變形按下式計算:

式中,b為水平移動系數。

4.1.3 最大傾斜值i,最大曲率值K,最大水平變形ε

最大傾斜值、最大曲率值、最大水平變形分別按式(11)～式(13)計算:

4.2 各備選采礦方法地表變形值計算

根據白象山鐵礦西部厚大礦體賦存狀況和開采規劃方案,利用概率積分法理論預計不同采礦方法地表變形值所需參數,計算結果見表5。根據上述計算方法預測的最大變形值匯總見表6。

表5 概率積分法理論預計參數取值

表6 各備選采礦方法方案的地表最大變形值

根據表6可以得知,西部厚大礦體地表最大下沉值范圍在64.4～294.2 mm之間,最大水平移動值在19.3～88.3 mm 之間,最大傾斜值在0.5～2.4 mm/m 之間,最大曲率值均不高于3×10-5/m。最大水平變形值均不高于1.1 mm/m。按建筑物的重要性、用途以及受開采影響引起的不同后果,建筑物保護等級分為五級[15]?！队猩饘俨傻V設計規范》對各等級規定的允許變形值見表7[16]。經過對比分析各采礦方法最大地表變形值和相應允許值可以得知,各采礦方法引起的地表變形值均小于I級保護對象允許的范圍,因此,從改進的概率積分法預測的地表變形值分析,各采礦方法均不會對地表建構筑物造成超出規范要求的危害。

表7 建(構)筑物位移與允許的變形值

5 結論

本文提出一種適用于充填采礦法的改進概率積分法,用累積不接頂高度代替礦體開采厚度,分別對白象山鐵礦西部厚大礦體采用4種不同的備選采礦方法導致地表的沉降變形進行了預測分析,得出主要結論如下。

(1) 西部厚大礦體上部地表最大下沉值范圍在64.4～294.2 mm 之間,最大水平移動值在19.3～88.3 mm 之間,最大傾斜值在0.5～2.4 mm/m 之間,最大曲率值均不高于3×10-5/m。最大水平變形值均不高于1.1 mm/m。

(2) 經過與相關標準進行對比分析,各備選的采礦方法均不會對地表建(構)筑物造成超出規范要求的危害。