深部大采寬條帶開采地表移動破壞規律研究

張貴銀，史玉林，尚繼斌

（1.中國黃金集團建設有限公司，北京 100020；2.煙臺金曼投資有限公司，山東 棲霞 265300；3.山東金邑礦業有限公司，山東濰坊 261000）

1 引言

自20世紀60年代，我國已開始應用條帶采礦法開采“三下”（建筑物下、水體下、鐵路下）壓礦［1］，部分礦區對開采后地表移動變形進行監測，根據監測數據和開采沉陷，總結出一套全采與條帶開采巖移參數公式。隨著采礦設備的發展和理論創新，條帶開采方法對于采深大于500m的礦體也具有良好的適應性，深部條帶開采寬度與開采深度的比值一般也較小，可以認為采動不充分。但是，按照前人總結的條帶開采巖移參數經驗公式計算的地表移動變形，與深部開采實際大相徑庭［2］，例如在采用概率積分法預估深部條帶開采地表移動變形時［3］，個別巖移參數甚至出現負值。隨著淺部資源消耗殆盡，深部資源開采量占比逐年上升。為保護地表免受開采破壞，“三下”壓覆資源利用率極低，礦產資源浪費嚴重，并且深部采動影響對地表的損害日漸顯現［4］，生態環境破壞事件時有發生［5］，故采用條帶開采方法研究開采深部礦體造成的地表巖移破壞規律迫在眉睫。

2 某礦條帶開采巖移參數選取及其問題分析

某礦主要開采3#礦體，礦體平均賦存深度740m，礦體傾角平均為6°，礦體平均厚度7.3m，設計一期（3101、3103、3105工作面）條帶開采寬度70m，保留礦柱寬度140m，為在限制地表變形條件下最大限度回收礦產資源［6］，二期（3102、3104工作面）設計在一期保留礦柱采空區一側再開采50m，合計條帶開采寬度120m，保留礦柱寬度90m，條帶綜合采出率為57.1%，工程布置見圖1。

圖1 二次條帶開采工程布置示意圖

根據全面開采和條帶開采的礦山地表移動觀測數據可知，全采和條帶開采具有相似性。所以目前條帶開采巖移參數是基于全采巖移參數選取，并結合經驗公式計算條帶開采巖移參數，然后根據礦山開采實際對計算結果進行修正，最終采用概率積分法計算修正后的地表移動變形破壞［7］，目前普遍認可的巖移參數計算公式見表1。

表1 條帶開采地表移動參數計算經驗公式

式中，η為下沉系數；B為水平移動系數；tgβ為主要影響角的正切；S為拐點偏移距；a為保留礦柱寬度，取140-50=90m；b為條帶開采寬度，取70+50=120m；H為平均開采深度，取740m；t為條帶開采；q為全面開采；ρ為設計采出率，取ρ=b/(a+b)=57.1%；

該礦覆巖抗壓強度加權平均值為56.5MPa，屬中硬頂板，按照《三下壓煤開采規程》覆巖分類確定ηq為0.78；水平移動系數Bq為0.25～0.30，取0.28；主要影響角正切tgβ=1.92～2.4，取2.4；拐點偏移距S取85。開采沉陷模擬采用FLAC3D數值計算軟件，結果表明最大下沉量達6.04m，ηq為0.755，達到設計標準的97%，最大水平移動量1.67m，Bq=0.276，達到了設計標準。因此，全采參數選取合理。

根據公式（1）、（2），并結合3102/3104工作面二次條帶開采巖移參數計算結果，二次條帶開采深度已超出巖移參數預計經驗公式適用范圍（采深H≤500m），導致計算結果偏差較大，具體情況見表2。

表2 條帶開采地表移動參數計算結果

結果表明，公式（1）、（2）在該采區地表移動破壞計算中存在以下問題：

（1）即便是同一個礦區在相同開采條件下按照兩個公式分別計算，計算結果仍存在顯著差異，如公式（2）中下沉系數η值是公式（1）的1.4倍；

（2）當礦體深度大于500m時，公式（1）計算的水平移動系數B小于零，公式（1）、（2）計算的條帶開采tgβ值都偏小，且公式（2）計算值約為公式（1）的10倍。

基于上述問題，說明以往淺部條帶開采的經驗公式對該礦深部厚礦體適用性差，需要對該礦二次條帶開采地表移動破壞規律進一步探索。

3 深部條帶開采巖移參數回歸分析

3.1 下沉系數

采空區塌陷下沉會對地表產生較大的不良影響，下沉系數η決定了開采后地表下沉情況。條帶開采中下沉系數選取的合理性對開采設計、開采后地表塌陷下沉的破壞評價影響較大［8］，通過對深部條采ηt和全面開采ηq的比值進行計算，便可以計算出條帶開采下沉系數ηt［9］。表3統計了國內部分深部開采礦山地表移動變形數據［10］。

表3 國內部分礦區ηt/ηq與采厚M關系表

根據表3數據繪制散點圖，對ηt/ηq與采厚M進行相關性曲線擬合。由圖2可知，隨著采厚M的增大，條帶開采與全面開采下沉系數ηt/ηq呈指數函數減小。

圖2 ηt/ηq與采厚M擬合曲線

根據回歸分析可得：

根據表4數據繪制散點圖，對ηt/ηq與采深H進行相關性曲線擬合。由圖3可知，隨著采深H的增大，條帶開采與全面開采下沉系數ηt/ηq大致呈對數函數增大。

表4 國內部分礦區ηt/ηq與采深H關系表

圖3 ηt/ηq與采深H擬合曲線

根據回歸分析可得：

根據表5數據繪制散點圖，并對ηt/ηq比值與采出率ρ的相關性進行擬合。由圖4可知，條帶開采采出率集中在40%～60%，當采出率超過65%時，ηt/ηq增長較快，ηt/ηq與采出率ρ呈冪函數關系，如式（5）所示。

表5 國內部分礦區ηt/ηq與采出率ρ關系表

圖4 ηt/ηq與采出率ρ擬合曲線

根據表6數據繪制散點圖，并對ηt/ηq比值與bH/a的相關性進行擬合，結果如圖5所示，ηt/ηq比值隨著bH/a的變化呈對數函數關系，如式（6）所示。

表6 國內部分礦區ηt/ηq與bH/a關系表

圖5 ηt/ηq與bH/a擬合曲線

經過對上述部分礦區條帶開采觀測巖移下沉系數回歸分析，綜合各因素影響可得：

3.2 其他巖移參數分析

同理，可得條帶開采與全面開采水平移動系數Bt/Bq、主要影響角正切tgβt/tgβq和拐點偏移距St/Sq等地表移動破壞預計參數比值［7］。

本節統計回歸公式，相關參數易確定，計算過程簡便，具有良好的操作性，且經過與部分深部開采礦山實測數據對比，上述式（7）～（10）對深部厚礦體條帶開采安全評價適用性強。

根據該礦覆巖力學性質及三維數值模擬計算，該礦全面開采下沉系數ηq為0.78，水平移動系數Bq為0.27，代入式（7）～（10），計算出某礦二期條帶開采巖移預計參數見表7。

表7 二次條帶開采沉陷預計參數

4 工程應用

4.1 地表移動破壞計算

礦體開采后對地表破壞影響主要有下沉、水平變形值、曲率和傾斜［11］。根據表7選取的參數和二次條帶開采方案，利用surfer軟件計算二次條帶開采后地表移動破壞影響，計算結果表明：地表村莊民房在Ⅰ級損害范圍內，具體地表移動破壞情況見表8，說明二次條帶工作面的設計是合理的。

表8 地表移動變形情況

4.2 覆巖沉陷模擬與地表移動變形觀測分析

為驗證地表變形值是否在Ⅰ級破壞范圍內，采用FLAC3D軟件對開采后覆巖垂直位移進行數值模擬［12-14］，礦體上覆巖層垂直位移如圖6所示。結果表明：二次條帶開采后地表最大下沉值為180mm，地表村莊位于下沉盆地中部，下沉后地表標高在潛水位以上，地表下沉對地表建筑物影響較小。同時在村莊地表布置4條觀測線進行巖移觀測［15］，地下采區與觀測線相對位置見圖7。

圖6 覆巖垂直位移云圖

圖7 地表觀測線與采區相對位置圖

根據觀測結果，二次條帶開采后地表下沉值在40～230mm之間，基本上與數值模擬結果相近。該采區二次條帶開采完畢后，地表未出現明顯開采破壞，同時也驗證了深部厚礦體條帶開采地表破壞參數計算公式的適用性，開采工業性試驗達到了建筑物下安全開采的目的。

5 結論

（1）針對目前基于中淺部條帶開采地表巖移參數計算公式在本礦區適應性差的問題，通過對國內部分礦區深部礦體條帶開采地表移動變形觀測數據進行回歸分析，提出了適合該礦深部大采寬厚礦體條帶開采地表移動變形破壞預計參數公式。

（2）結合工程實際，通過概率積分法對該礦二次條帶開采后的地表移動變形進行了預計，結果表明深部厚礦體條帶開采后地表移動變形量較小，驗證了二次條帶開采參數設計的合理性。

（3）通過覆巖沉降數值模擬與地表巖移觀測，表明通過深部大采寬條帶開采地表移動破壞預計公式計算的地表沉陷與地表測站實際觀測值相近，進一步證明了新預計公式在該礦的適用性，對周邊開采條件相似的礦山具有推廣借鑒意義。