高承壓含水層下礦體回采保安礦柱合理寬度留設應用研究

解迎祥,劉向華,蔣旭雄,國 峰

(金建工程設計有限公司, 山東煙臺市 264000)

高承壓含水層下礦體回采保安礦柱合理寬度留設應用研究

解迎祥,劉向華,蔣旭雄,國 峰

(金建工程設計有限公司, 山東煙臺市 264000)

針對“三下”礦體回采難度大、安全要求高等特點,并結合礦山水文地質條件及開采現狀,提出了“頂板預控、分區隔離、及時充填”的方案,并通過理論計算、數值模擬、工業性試驗等手段對礦體強化開采時護頂礦柱厚度及隔離礦柱寬度進行了模擬和計算。現場工業性試驗表明,“頂板預控、分區隔離、及時充填”方案能夠有效控制采場頂板大面積垮落,確定西區護頂保安礦柱厚度為120m,東、西區連續隔離礦柱寬度為20m。

高承壓含水層;護頂礦柱;隔離礦柱;嗣后充填

“三下”開采系指在地表水體、建筑物、構筑物及鐵路下進行礦體回采。對于高承壓含水層下礦體的開采,尤其是含水源補給充足時,傳統礦床疏干措施往往會影響地表周邊村民灌溉和生活飲用,容易引發各類社會及環境問題,如耕地破壞、道路沉陷等,因此,如何避免因采動裂隙發育導通上覆含水層引發礦井透水事故的發生,保證高承壓水下厚大礦體安全、連續回采成為礦山企業降低開采成本、提高資源回收率的重要影響因素。

根據礦層(尤其是煤層)開采后頂板形成冒落帶、裂隙帶和沉降帶的“三帶”理論,認為上覆頁巖、砂頁巖、砂巖等沉積巖發生的均勻沉降直至地表,從而形成沉陷盆地。與礦層賦存特征不同,礦脈因其巖性不均質、構造多故不能簡單地引用上述理論和方法,目前國內外金屬及非金屬礦山地表保護通常采用充填法

本文在前人研究的基礎上,以河北某磷礦東、西區礦體回采為工程背景,采用理論計算、數值模擬、工程類比及工業性試驗等手段,針對高承壓含水層下礦體回采保安礦柱合理留設寬度進行研究,以期為類似條件下礦山實現井下安全生產提供一定的理論依據與技術參考。

1 礦井水文地質條件

礦區位于礬山盆地東南邊緣,區內分布著礬山堿性超基性雜巖體,礦體賦存其中,走向近東西呈半月狀,傾向北和北西,傾角30°左右,標高200m以上。雜巖體上直接覆蓋著90～130m厚層第四系,地面標高850～650m。東靈山河縱貫礦區并在其上通過,河床、河漫灘及階地分布有砂礫卵石含水層,但第四系下部普遍分布著一層厚度大、隔水性能良好的粘土層,且東靈山河為季節性河流,河水滲漏不大。中更新統底部含粘性土礫石承壓含水層及基巖風化含水帶統一含水帶直接覆蓋在礬山雜巖體上部,此含水帶接受南、西南山區震旦系霧迷山組白云巖風化裂隙水的側向補給,是礦床直接充水水源。其中2號勘探線以西平均厚度29.3m,2～6號勘探線之間因受古地形隆起缺失,使得地下水徑流不暢,從而以此為界導致礦區東、西兩區水頭相差約160m。

綜上,東區為低水位區,地下水位標高＋557～＋560m。承壓含水層中的地下水已基本疏干,地下水水位降入基巖,水文地質類型屬頂底板直接進水的裂隙充水的中等類型;西區為高水位區,礦體上覆有承壓含水層,地下水位標高＋750～＋745.8m,承壓水頭150～160m,水文地質類型屬頂板間接(局部直接)進水的孔隙充水的中等類型。

2 開采方案的確定

礦床主要充水因素是直接覆蓋在礦體頂部的中更新統底部含粘性土礫石承壓含水層(Q2),該含水層在礦床西部承壓水頭達150～160m,直接威脅礦山基建和生產安全,由于東區礦坑長期排水,地下水位已低于礫石層底板,該段Q2含水層則屬于透水不含水地層;西區處于高水位區,水文地質條件復雜,上覆第四系的全新統砂礫卵石潛水含水層(Q4)、上更新統黃土礫石承壓含水層(Q3)以及中更新統底部含粘性土礫石承壓含水層()三層含水層。特別對于中更新統底部含粘性土礫石承壓含水層(Q21),地下水位標高750～745.8m,承壓水頭達150～160m之高,其與基巖風化帶直接接觸。礦山目前主要東區Ⅱ、Ⅲ礦體。礦石普氏硬度系數為6～8,中等穩固以下,圍巖普氏硬度系數為8～10,中等穩固。根據礦體賦存條件與礦巖穩固性、水文地質條件及地表允許崩落,東區設計采用無底柱崩落采礦法。對于西區礦體,因其水文地質條件較之東區差異較大,故尚未進行相應的基建工程施工。此外,西區地面多為風景區,地表不允許塌落,無底柱崩落采礦法無法適用于西區礦體回采。鑒于西區第四系表土層厚度大,且節理裂隙較為發育,若針對礦體上覆含水層直接疏干勢必引起塌陷漏斗的形成并最終導致地表下沉,同時加劇上更新統下部(Q3)的雜色亞粘土層、中更新統上部紅色粘土層錯動與破壞,從而進一步導通全新統砂礫卵石含水層及地表水(東靈山河),極易引發坑內涌水災害。

因此,為保證西區礦體安全高效回采,防止礦體上覆承壓含水層及基巖風化帶裂隙水滲、潰入坑內采場,筆者結合礦山技術水平及開采現狀,提出了“頂板預控、分區隔離、及時充填”治水回采方案,即西區通過留設護頂保安礦柱、空區嗣后充填以避免工程擾動引發的裂隙帶及沉降帶導通上覆各含水巖層,防止坑內涌水、地表沉陷災害的發生;與此同時,東區則利用留設連續隔離礦柱以降低崩落法開采的不利影響。

3 保安礦柱合理留設寬度研究

針對東、西區保安礦柱合理寬度留設,筆者在礦巖物理力學參數測試、礦區工程地質調研分析、巖石質量評價及參數工程處理的基礎上,利用巖土工程三維有限元模擬軟件(Flac3D)進行了不同技術方案的對比分析。西區礦體回采模型如圖1所示。

圖1 西區礦體回采模型

3.1 護頂保安礦柱安全厚度

結合礦體賦存特征及開采現狀,自591m水平以下設置護頂保安礦柱,針對Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ號礦體均開采時,護頂保安礦柱合理留設厚度分別設為31,54, 76,98,120m。不同護頂保安礦柱厚度內監測點最大應力變化規律及頂板塑性區厚度變化分別見圖2、圖3。

圖2 不同護頂礦柱厚度監測點最大應力變化曲線

圖3 不同護頂礦柱厚度空區頂板塑性區厚度變化曲線

由圖2、圖3可以看出,相同采場結構參數條件下,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ號礦體均進行開采時,隨著護頂保安礦柱厚度的不斷增加,柱內監測點最大壓應力呈增長趨勢,最大拉、剪應力則呈現降低趨勢,其中因壓、剪應力值均小于試驗巖體抗壓、剪切強度,而相比之下,由于拉應力的存在,當礦柱厚度小于76m時,此時采場頂板極易因拉伸破壞導致冒落坍塌,加劇了上覆導水裂隙帶發育;反觀不同護頂礦柱厚度情況下因采、充活動引起應力重新分布過程中所產生的頂板塑性區范圍,考慮空區充填接頂充分時,當護頂礦柱留設厚度為31～98m時,各方案空區頂板塑性區(已發生剪、拉屈服)多位于空區頂板以上82～93m范圍內,極易引起裂隙發育導通近距離承壓含水層,故該區段內護頂礦柱留設方案均不利于承壓含水層下礦體安全高效回采。此外,依據礦巖物理力學參數測試結果,利用線性插值法計算得出,當巖體最大拉應力為0.43MPa時,頂柱發生破壞失穩的臨界厚度為91.74m。綜上,考慮礦山開拓現狀及礦體賦存條件差異,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ號礦體均進行開采時,護頂保安礦柱留設厚度為120m。

3.2 東西區連續隔離礦柱合理寬度

鑒于礦山東、西區含水層水位差異較大,且西區普遍存在高水位區,故不適合采用崩落法進行礦體回采,筆者充分考慮水文地質及開采技術條件,利用兩區高、低水位驟變處即0號勘探線為界留設連續隔離礦柱。針對強化開采條件,連續隔離礦柱合理留設寬度模擬方案分別設為10,20,25,30m,各方案連續隔離礦柱內監測點最大應力變化規律如圖4所示。

圖4 不同隔離礦柱寬度監測點最大應力變化曲線

由圖4可以看出,相同采場結構參數條件下,實行強化開采時,隨著連續隔離礦柱寬度的不斷增加,礦柱內監測點最大壓、剪應力值均呈現減小趨勢,其中剪應力極值小于試驗巖體剪切強度,而通過各方案礦柱監測點塊體屈服狀態觀測可以發現,礦柱寬度分別為10,15m時,監測點附近塊體均發生屈服,其主要原因為礦柱寬度相對較小,采動引起應力集中,柱內壓應力超限;結合礦、巖物理力學參數試驗結果,經強度折減及差值計算,當柱內礦體所受最大壓應力值為12.80MPa時,東、西區間柱發生破壞失穩的臨界寬度為16.51m。綜上,考慮礦山開拓現狀及礦體賦存條件差異,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ號礦體均進行開采時,連續隔離礦柱留設寬度為20m。

3.3 承壓含水層下礦體回采方案

考慮到充填采礦法在“三下”礦床回采方面的優越性,礦山西區實行保護性開采,即在留設保安礦柱的基礎上,暫不對礦體上覆承壓含水層進行疏干,而通過強化開采、及時充填,保證采場有效接續,同時避免涌水、沉降等災害的發生。

目前礦山依據各采區水文地質及開采技術條件針對性地采用上向水平分層點柱式充填采礦法、上向水平分層進路式充填采礦法、分段菱形礦房嗣后充填采礦法以及分段鑿巖階段出礦嗣后充填采礦法進行多礦體強化開采。

3.4 現場工業性試驗

礦山自2010年7月以來選取西區＋425m中段多個礦塊進行現場工業性試驗,采場生產能力達到320～450t/d,空區充填接頂狀況良好;通過護頂保安礦柱及連續隔離礦柱的巖體微震與圍巖位移實時監測結果顯示,微震事件發生區域內無明顯的構造活化現象,工程擾動引起的裂隙導通含水層的可能性較小;采、充期間各臨近采場巷道圍巖位移變化量基本呈現先增大后減小的趨勢,且均在合理范圍之內,固結充填體支撐作用的發揮能夠較好地降低采場周圍尤其是頂角部位的應力集中,有效地控制空區頂板因采動引起的大面積沉降,從而保證承壓含水層下礦體的安全高效回采。

4 結 論

(1)通過留設護頂保安礦柱、空區嗣后充填能夠較好地避免工程擾動引發的裂隙帶及沉降帶導通上覆各含水巖層,防止坑內涌水、地表沉陷災害的發生,合理留設連續隔離礦柱能夠有效降低相鄰采區崩落法開采的不利影響。

(2)結合礦、巖物理力學測試及礦山水文地質、開采技術條件,根據不同保安礦柱留設寬度條件下空區頂板塑性區發育及空區穩定性數值模擬結果,確定西區護頂保安礦柱厚度為120m,東、西區連續隔離礦柱寬度為20m。

(3)現場工業性試驗觀測結果表明,西區充填法采場生產能力達320～450t/d,中段生產能力2240t/d,技術經濟指標良好,社會效益顯著。

綜上所述,“頂板預控、分區隔離、及時充填”治水回采方案通過合理留設保安礦柱、嗣后充填采空區,充分減小頂板暴落時間、有效控制裂隙發育,在避免坑內突水、巖層沉陷災害發生的同時,實現了高承壓含水層下資源高效回收,并使地下水資源與地表生態環境得到了保護,為類似條件下礦體安全回采提供一定的理論指導與實踐參考。

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2017-03-06)

解迎祥(1970－),男,山東濰坊人,工程師,主要從事采礦專業技術工作,Email:963xyx369＠163.com。