多斷層控制深部開采巖層移動規律分析

唐恒,胡博文,陳守兵,王賀

(1.彝良馳宏礦業有限公司,云南 昭通市 657600;2.礦冶科技集團有限公司,北京 102628;3.北京科技大學 土木與資源工程學院,北京 100083;4.國家金屬礦綠色開采國際聯合研究中心,北京 102628)

0 引言

大規模的地下開采活動會對地表和地表建(構)筑物產生擾動,破壞的程度取決于采礦開挖的大小、形狀以及受采礦作業影響巖層的性質和所使用的地壓管理形式[1];另一個重要因素是采礦的深度,采礦活動對地表的影響會隨著采礦深度的增加而減少。其中,礦體附近發育的眾多斷層也是控制巖層移動規律的重要因素之一,將直接影響深部開采上覆巖層的位移特征[2-3]。預測與評估深部礦體開采對上覆巖層以及地表的影響程度,是深部開采設計和評價關注的重點之一,也是目前國內外學者研究的熱點問題之一[4-8]。

某鉛鋅礦設計年產量為60萬t/a,礦石品位高、可選性好,是我國重要的鉛鋅生產基地之一。礦體圍巖較為破碎,且礦區構造極為發育,多達數十條斷層穿插于賦礦地層中,導致地下開采對上覆巖層移動的影響規律較為復雜,存在一定的安全風險。

為此,本研究通過開采技術條件分析,厘清了礦山開采主要影響斷層的分布特征,通過構建涵蓋不同地層、斷層以及礦體的數值分析模型,開展了多斷層控制條件下開采的巖層移動規律數值模擬分析,給出了多斷層控制下深部開采上覆巖層的移動規律,為礦山安全設施設計提供了技術支撐,也可為同類型礦山安全開采提供有益借鑒。

1 工程概況

1.1 開采技術條件

某鉛鋅礦床類型屬碳酸鹽巖型鉛鋅礦,含礦地層主要為泥盆系上統宰格組和石炭系威寧統,圍巖為中粗晶白云巖,礦體呈隱伏至半隱伏狀賦存于石門坎背斜西翼,多向南西側伏,礦體傾角集中在75°～80°,傾斜延深較大。目前保有礦體埋深在50～1600 m 之間。

礦區斷裂構造發育,主要分布有以下斷裂構造。

(1)北東南西向斷裂構造,該組斷裂構造為F3、F6、F7、F8,該組斷裂具有由南東向北西擠壓推覆逆沖的特征,走向與巖層走向一致,傾向南東,傾角為60°～85°,除F3斷層延伸長度、地層斷距略大外,其他斷層規模不大,多為層間斷層。

(2)北西南東向斷裂構造,該組斷裂構造有F1、F2、F4、F9、F10 等規模大小不等的5 條斷層。F1斷層長度大于800 m,地層斷距由南東向北西逐漸變小。F2斷層長度大于500 m,傾向西,傾角為60°,為一條壓扭性逆斷層。F4斷層長度約400 m,傾向西,傾角為80°,為一壓扭性逆斷層。F9、F10斷層長度為20～70 m,具有先張后順時針右行剪切的特點。

礦區工程地質條件屬以堅硬、半堅硬巖組為主的中等偏復雜類型,地質環境質量類型屬中等偏不良類型,屬以水文地質問題為主的復雜類型(Ⅲ-1型)礦床。

1.2 下向水平分層膠結充填采礦法

目前礦山采用下向水平分層膠結充填采礦法回采,分為下向水平分層矩形進路式膠結充填采礦法和下向水平分層六邊形進路式膠結充填采礦法。當礦體厚度小于20 m 時,選用下向水平分層矩形進路式膠結充填采礦法進行回采[9];當礦體厚度大于等于20 m 時,采用下向水平分層六邊形進路式膠結充填采礦法進行回采。

采用下向水平分層矩形進路式膠結充填法回采的盤區,上下分層矩形進路交錯布置,采用自上而下、“隔三采一”的方式進行回采,矩形回采進路規格寬3.5 m,高3.0 m(或寬4.0 m,高4.0 m)。

六邊形采場進路的斷面規格為頂3 m、底3 m、高5 m、腰5 m,進路斷面一次爆破成型,六邊形進路內腰線以上兩幫、頂板均為充填假頂,腰線以下兩幫、底板均為礦體,采用“隔一采一”的方式進行回采,回采工作自上而下逐個分層進行。

2 巖層移動規律數值模擬

2.1 巖層移動規律數值模擬方案

本次計算模型對開采過程模擬進行了簡化,將所有的礦體按分段高度進行了劃分,對于同一個水平分段的所有礦體中段進行組合,同時進行一次性開挖和充填。其中I-6和I-8礦體厚大,采用12.5 m的分段高度,用來模擬六邊形進路開采,其余礦體采用9 m 的分段高度,模擬矩形進路開挖。

通過模擬礦體的分段開挖和充填,研究深部采礦行為對巖體的影響。按照分段高度將每個礦體劃分成不同的分層,對于同一個水平的所有礦體分層進行一次性開挖和一次性充填,簡化模擬實際采礦中一個水平中段的開采行為。模擬實際采礦的分段下行式開采,則首先將同一個水平的所有礦體分層進行開挖,計算平衡后,將開挖的礦體分層進行充填,計算平衡后進行下一個分層礦體的開挖和充填,如此向下循環。

整個開采模擬從最大標高的I-1礦體第1個分層開始,一直到I-15礦體最后1個分層結束,總共進行了141個分層的開挖和充填,通過分析開采過程中開挖和充填對計算模型的位移影響,研究深部開采過程中的巖移規律。

2.2 數值模型構建

采用3DMine-FLAC3D 數值分析及建模軟件,確定計算分析區域范圍,建立分析所需的三維數值模型。

最終建立數值計算模型尺寸為2300 m×2400 m×2600 m,包含1 852 402個節點,10 846 259個網格。包含P2、C11等7個地層,F11、F13等11個主要斷層,地表到深部4個礦體(I礦體、II/III礦帶、VI礦體),分段開挖步共計141 個開挖分組。數值模型如圖1所示。

圖1 數值分析模型

2.3 數值分析力學條件

邊界條件:模型底部邊界為水平及垂直3個方向固定約束,4個側面邊界分別沿其各自法向方向的水平固定約束,上部邊界為自由邊界,應力邊界條件則根據實測地應力結果進行施加。

本構模型選用Mohr-Coulomb模型。研究采用巖石力學試驗、Q 巖體質量評價,基于Hoek-Brown強度準則進行巖體參數分析,巖體物理力學參數見表1。

表1 巖體物理力學參數

2.4 初始應力場

根據現場實測地應力,最大水平主應力、最小水平主應力和垂直主應力的線性回歸方程分別為:

式中,σh,max為最大水平主應力,MPa;σh,min為最小水平主應力,MPa;σv為垂直主應力,MPa;H為埋深,m。

以構建完成的數值模型為基礎,在采場開挖模擬計算之前,首先按照模型中對應區域進行材料參數賦值,并施加前述相應邊界條件,計算形成整體模型的三維初始地應力場,其中垂直主應力根據巖層自重生成。得到模型的初始地應力分布如圖2所示。

圖2 初始最大主應力

3 多斷層控制巖層移動規律分析

3.1 典型分析剖面選取

本次分析選定的典型剖面位置如圖3所示。其中,1#和2#剖面用來分析垂直礦體走向方向巖層移動規律,3#剖面用來分析沿礦體走向方向巖層移動規律。

圖3 典型剖面位置

3.2 1#剖面巖層移動規律分析

基于前述模擬方案,得到礦山規劃的開挖回采、充填活動結束后1#剖面巖層豎向(z向)位移,如圖4所示。

圖4 回采結束后1#剖面z 向位移云圖

1#剖面開采結束后,由于受到開挖、充填等回采活動影響,在回采單元上部巖層內出現較大范圍的豎向位移影響區,總體呈拱形分布;最大沉降位移為3.69 cm,出現在鄰近開采結構單元的直接頂板處;沉降位移隨著與回采結構距離的增加而逐漸減小,地表附近的最大沉降位移為3.69 cm,出現在斷層上盤。

參考《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》關于邊界角的相關規定,以下沉值為10 mm 的點作為邊界點,邊界點至采空區邊界的連線與水平線在煤柱一側的夾角成為邊界角。沉降影響邊界線傾角:上盤邊界角為81°、下盤邊界角為78°。

此外,從圖4 可以清晰地看到,回采擾動結束后,在斷層上盤出現了一定程度的沉降位移,說明回采活動誘發了斷層的活化,在地表附近形成了斷層控制的沉降區域。但由于斷層間、斷層與礦體距離較遠,形成了獨立的沉降特征。要在后續的回采中加強監測,防止斷層活化造成礦震等地壓災害。

3.3 2#剖面巖層移動規律分析

2#剖面巖層豎向(z向)位移如圖5所示。

圖5 回采結束后2#剖面z 向位移云圖

2#剖面開采活動影響規律與前述1#剖面基本一致,在回采單元上部巖層內出現較大范圍的豎向位移影響區,總體呈拱形分布;最大沉降位移為2.50 cm,出現在鄰近開采結構單元的直接頂板處;沉降位移隨著與回采結構距離的增加而逐漸減小,地表附近的最大沉降位移為3.75 cm,出現在斷層上盤。沉降影響邊界線傾角:上盤邊界角為90°,下盤邊界角為73°。 同樣地,開采活動也導致多個斷層的移動活化,在地表附近形成了斷層控制的沉降區域。該剖面內斷層與礦體間相互影響,導致位移沉降出現疊加,上覆巖層移動規律相對較為復雜。

3.4 3#剖面巖層移動規律分析

3#剖面巖層豎向(z向)位移,如圖6所示。

圖6 回采結束后3#剖面z 向位移云圖

3#剖面開采結束后,最大沉降位移為2.72 cm,出現在鄰近開采結構單元的直接頂板處;沉降位移隨著與回采結構距離的增加而逐漸減小,地表附近的最大沉降位移為1.5 cm,出現在斷層上盤及巖層移動邊界處。沿礦體走向方向沉降影響邊界線傾角分別為81°和77°。

從沿礦體走向方向分析斷面位移分布情況來看,該剖面內眾多斷層密集分布,在深部回采活動的影響下,斷層出現位移沉降,仍表現為上盤的沉降較大。同時,斷層導致的位移變形與回采活動導致的變形相互疊加、互相影響,導致該剖面內的位移變形規律較為復雜。

4 結論

通過建立涵蓋多斷層、多地層的數值分析模型,研究分析了斷層控制條件下深部開采巖層的移動規律,研究得到如下主要結論。

(1)在現有技術資料及研究工況條件下,回采單元上部巖層最大沉降位移鄰近開采結構單元的直接頂板處,回采結構上覆巖層移動影響范圍成拱形,隨著與回采結構距離的增加而逐漸減小,回采活動是導致巖層沉降位移的主要因素。

(2)參考相關規范,深部回采的沉降影響邊界線傾角規律為:上盤邊界角大于下盤邊界角,沿走向兩側邊界角沒有顯著差異。

(3)深部開采擾動易造成近礦斷層活化,顯著控制地表位移沉降規律,多斷層疊加會增加巖層移動規律的復雜性,在回采設計及工程實踐中應予以充分重視。