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小官庄铁矿北区开采扰动的地表及井筒变形规律
2016-07-19
针对由于地下开采引起的小官庄铁矿地表及井筒产生较大移动变形的问题,利用FLAC3D 程序对小官 庄铁矿地下开采进行了数值分析,为现场的采矿方案确定提供指导。根据对-387 m 阶段、-450 m 阶段矿体开采的数 值模拟,北区-450 m 阶段矿体的开采必然导致地表及井筒移动变形的继续增大,采用充填采矿法能够限制地表及主、 副井井筒移动变形的发展。权衡考虑降低采矿成本和限制地表和井筒变形的需要,提出了小官庄铁矿北区-450 m 阶 段保安矿柱外150 m 范围内的矿体采用充填法过渡开采,其他部分继续采用无底柱分段崩落法开采的方案。
Series No. 481 ꢀ Julyꢀ 2016 金ꢀ ꢀ 属ꢀ ꢀ 矿ꢀ ꢀ 山 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 总第 481期 METAL MINE 2016 年第 7 期 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 小官庄铁矿北区开采扰动的地表及井筒变形规律 1 1,2 1 1 1 邱景平 ꢀ 辛国帅 ꢀ 张国联 ꢀ 孙晓刚 ꢀ 杨ꢀ 蕾 ( 1. 东北大学资源与土木工程学院,辽宁 沈阳 110819; 2. 马鞍山矿山研究院爆破工程有限责任公司,安徽 马鞍山 243000) 3 D 摘ꢀ 要ꢀ 针对由于地下开采引起的小官庄铁矿地表及井筒产生较大移动变形的问题,利用 FLAC 程序对小官 庄铁矿地下开采进行了数值分析,为现场的采矿方案确定提供指导。 根据对ꢁ387 m 阶段、ꢁ450 m 阶段矿体开采的数 值模拟,北区ꢁ450 m 阶段矿体的开采必然导致地表及井筒移动变形的继续增大,采用充填采矿法能够限制地表及主、 副井井筒移动变形的发展。 权衡考虑降低采矿成本和限制地表和井筒变形的需要,提出了小官庄铁矿北区ꢁ450 m 阶 段保安矿柱外 150 m 范围内的矿体采用充填法过渡开采,其他部分继续采用无底柱分段崩落法开采的方案。 关键词ꢀ 地下铁矿ꢀ 地表倾斜ꢀ 井筒变形ꢀ 数值模拟 ꢀ ꢀ 中图分类号ꢀ TD325ꢀ ꢀ ꢀ 文献标志码ꢀ Aꢀ ꢀ ꢀ 文章编号ꢀ 1001-1250(2016)-07-099-05 Deformation Law of the Surface and Shaft in North Region of Xiaoguanzhuang Iron Mine during Underground Mining 1 1,2 1 1 1 Qiu Jingping ꢀ Xin Guoshuai ꢀ Zhang Guolian ꢀ Sun Xiaogang ꢀ Yang Lei ( 1. School of Resources & Civil Engineering,Northeastern University,Shenyang 110819,China; 2 . Maanshan Institute of Mining Research Blasting Engineering Co. ,Ltd. ,Maanshan 243000,China) Abstractꢀ The underground mining in Xiaoguanzhuang iron mine has induced large movement and deformation of the ground surface and shafts. Numerical simulation of underground mining in north region of Xiaoguanzhuang iron mine was car- 3 D ried out using FLAC to provide guidance for the determination of mining scheme. According to numerical simulation of mining in ꢁ387 m stage and ꢁ450 m stage,it was known that mining in ꢁ450 m stage would lead to the increase of surface and shaft deformation inevitably,while backfilling mining can limit the development of movement and deformation. According to the com- parison and analysis of simulation results of different mining schemes,the backfilling mining should be applied to explore the orebody within 150 m range outside of the safety pillar in ꢁ450 m stage. And non-pillar sublevel caving can be applied to re- cover the other orebodies considering the need of reducing mining cost and surface deformation. Keywordsꢀ Underground iron mine,Surface tilt,Shaft deformation,Numerical simulation [ 7-9] 3D 。 因此,利用 FLAC 程序研究小官庄 ꢀ ꢀ 随着深部采矿的不断增加和环境保护的日益严 拟大变形 格,地下充填采矿近年来发展迅速。 深部开采所引起 铁矿地下开采引起的岩体和地表变形,为小官庄铁矿 北区深部矿体采矿方案的选择提供指导,保证工业场 地和井筒的安全,具有重要意义。 的地表下沉及其影响的预测分析问题业界十分关注, [ 1-5] 。 且近几年来又有部分新的研究成果 鲁中冶金矿业集团公司小官庄铁矿矿岩软弱破 碎,随着采深增加以及采空区增大,北区地表沉陷最 大达到 7 m,井下地压活动明显,主副井井筒均有一 定程度的变形,主井附近地表倾斜达 1. 28 mm/ m,直 1ꢀ 小官庄铁矿北区开采现状 小官庄铁矿北区位于 F3 断层东侧北部,主井、1 # 副井和 2 副井均布置在矿体下盘中央。 根据矿床顶 # 部红板岩的岩石力学性质,小官庄铁矿设计时选取了 55°的岩层移动角圈定保安矿柱,主要井筒都布置在 错动界限 20 m 之外,如图 1 所示。 [ 6] 接威胁井下采掘作业及矿山提升系统的安全 。 3 D FLAC 程序能够较好地模拟不同岩体材料在达到其 强度极限或屈服极限时产生破坏或塑性流动的力学 行为,而且能够分析渐进破坏和失稳,特别适用于模 该矿自 1985 年正式投产以来一直采用无底柱分 段崩落法开采,中段高度50m,分段高度10m,进路 收稿日期ꢀ 2016-05-21 基金项目ꢀ “十二五”国家科技支撑计划项目(编号:2011BAB07B02,2012BAJ17B01,2012BAJ17B02)。 作者简介ꢀ 邱景平(1975— ),男,副教授。 · 99· 总第 481 期ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 金ꢀ ꢀ 属ꢀ ꢀ 矿ꢀ ꢀ 山ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2016 年第 7 期 轴由下向上为正,Z 轴正向为南,建立的数值模型如 图 2。 3 D 图 2ꢀ FLAC 模型 3 D Fig. 2ꢀ FLAC model diagram 2. 2ꢀ 边界条件 模型边界采用位移约束;模型前、后、左、右 4 个 边界面施加水平约束,边界水平初始位移为零;底部 边界面水平、垂直初始位移均为零;顶部边界面为自 由边界。 矿岩本构模型采用弹塑性模型,其破坏准则 采用摩尔ꢁ库仑准则和拉应力准则: 图 1ꢀ 矿区平面示意 Fig. 1ꢀ Sketch map of the mining area fs = σ1 - σ3 Nφ + 2c Nφ = 0, ft = σ3 - σt = 0, (1) (2) 间距 10 m,上下分段采矿进路菱形交错布置,已采至 Nφ = 11 - sinφ + sinφ ꢁ 387 m 水平。 目前矿区北区地表发生沉陷,主副井 , (3) 井筒均发生一定程度的变形,对生产安全产生了直接 影响。 式中,σ1 、 σ3 分别为第一、第三主应力;c 为黏聚力;φ 为内摩擦角;σt 为抗拉强度。 目前,已经针对ꢁ387 m 水平开采引起的地表变 形进行了监测,本研究拟结合地表变形监测信息,结 合数值模拟手段分析其产生机理,进一步对后续工程 的开展进行分析,充分掌握地表及井筒变形规律,以 期为小官庄铁矿北区深部矿体采矿方案的选择和确 定提供指导。 根据现场实测结果,小官庄铁矿北区存在不可忽 视的近似水平的构造应力场,水平构造应力大小相当 于岩体自重引起的铅垂向应力。 在ꢁ240 ~ ꢁ500 m 高 程范围内,小官庄铁矿北区岩体原始应力可表述为 σ1 = (1. 14 ~ 1. 30)γH,σ3 = 0. 47γH, (4) 式中,σ1 为最大主应力(第一主应力),方位 N46. 5° W,近水平;σ3 为最小主应力( 第三主应力),方位 N228°W,近水平;γ 为矿岩容重;H 为深度。 2 ꢀ 数值模型及边界条件 2 . 1ꢀ 几何模型 [ 10] 小官庄铁矿出露地层 依次为第四系黄色亚砂 2. 3ꢀ 力学参数 土、亚黏土,厚 2 ~ 20 m;第三系官庄组,红色黏土质 粉砂岩,砂岩、夹绿色砂岩,页岩及泥灰岩,底部含砾 石砂层或砾岩,厚度 200 ~ 700 m;石炭系:砂岩、页 岩、黏土岩等厚 50 ~ 100 m;奥陶系:马家沟组灰岩、 泥质灰岩,黄褐色泥灰岩受热变质作用,多蚀变为大 理岩。 矿区 F3 断层位于Ⅱ矿床中部,走向北 30°西, 倾向北东,倾角 70°,长达 1 km 左右,垂直断距 50 ~ 地下采矿活动对地表变形会产生显著影响,为分 # 析地表变形规律,在小官庄铁矿北区在过 1 副井沿 着 3 号勘探线设置了 31 个地表位移监测点,在ꢁ387 m 分段开采结束时进行了地表下沉监测,地表下沉值 现场监测结果如图 3 所示:地表发生了负向的竖直位 移,下沉曲线呈抛物线形,形成了移动盆地。 结合小 官庄铁矿北区矿岩试样的室内岩石力学试验及岩体 3 D 8 0 m,水平断距 50 ~ 100 m,东盘下移。 闪长岩沿 F3 力学指标(见表 1),应用 FLAC 方法研究了地表沉 降规律,并与现场监测结果进行了对比( 如图 3 所 示),结果表明:在 X = 500 ~ 800 m 范围内,数值计算 结果较实测结果偏低,在 X =600 m 左右时,数值结果 与实测结果相差较大,误差约 1 m;在 X = 900 ~ 1 000 m 范围内,数值结果较实测结果偏高,总体上,数值分 析得到的地表下沉结果与实测结果趋势较为吻合。 断层方向侵入形成狭长凸起,将Ⅱ矿床分为东、西 2 部分。 地下岩体开挖所引起的扰动边界,一般可认为岩 体扰动范围为开挖空间的 3 ~ 5 倍。 根据小官庄铁矿 3 D 地质资料和开采现状,建立的 FLAC 数值模型尺寸 为长 1 800 m、宽 1 500 m、高 900 m,X 轴正向为东,Y · 100· ꢀ ꢀ ꢀ 邱景平等:小官庄铁矿北区开采扰动地表及井筒变形规律ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2016 年第 7 期 进行了记录,井塔楼观测结果与模拟计算结果的对比 如表 2,模拟结果与监测结果较为吻合。 表 2ꢀ 井筒位移监测与计算结果对比 Table 2ꢀ Physical and mechanical parameters of rock mass 监测位移 / mm 计算位移 / mm 误差/ % 井筒 名称 X Y Z X Y Z X Y Z 主井 ꢁ562 ꢁ400 ꢁ39 ꢁ510 ꢁ358 ꢁ11 0. 4 2. 9 9. 7 # 副井 ꢁ564 ꢁ388 ꢁ35 ꢁ507 ꢁ352 ꢁ9 1 2 0. 6 0. 2 1. 6 16. 4 0. 7 10. 5 图 3ꢀ 地表下沉监测与计算结果对比 Fig. 3ꢀ Comparison of measured and # 副井 ꢁ443 ꢁ270 ꢁ442 ꢁ268 20 18 [11-15] ,采用 ꢀ ꢀ 参考国内外煤矿井筒煤柱开采经验 calculated surface subsidence results 的由地下开采引起的地表移动变形、井筒倾斜变形边 界的取值见表 3。 小官庄铁矿ꢁ387 m 水平以上矿体 的回采引起的地表倾斜变形见表 4,结合表 3 地表变 形允许变形边界值,该水平以上矿体回采后,地表变 表 1ꢀ 岩体物理力学参数 Table 1ꢀ Physical and mechanical parameters of rock mass 体积 模量 剪切 模量 K / GPa G / GPa 内摩 擦角 / (°) 单轴抗 拉强度 / MPa 黏聚力 容 重 / (t/ m ) 围 岩 3 / MPa 形值在设计规范允许范围内。 表 3ꢀ 地表及井筒变形边界值 Table 3ꢀ The permitted deformation value of surface and shaft 红板岩 1. 03 矽卡岩 5. 11 闪长岩 10. 4 磁铁矿 28. 5 充填体 0. 67 0. 56 3. 68 5. 63 7. 43 0. 36 28 32 31 28 33 4. 1 7. 9 1. 8 3. 5 4. 9 12. 2 0. 2 2. 45 2. 75 2. 75 4. 30 2. 50 15. 2 13. 1 0. 4 地表下沉 水平移动 / mm 地表倾斜 / (mm/ m) 水平变形 / (mm/ m) 参ꢀ 数 边界值 参ꢀ 数 边界值 / mm 3 3 ꢀ 地表及井筒变形规律 . 1ꢀ 北区-387 m 以上水平 10 10 2 2 井筒倾斜平均值 井筒倾斜最大值 / (mm/ m) 井筒曲率 / (×10 / m) ꢁ 3 小官庄铁矿利用无底柱分段崩落法开采至ꢁ387 / (mm/ m) m 水平,采深达到 587 m,最大开采宽度 224 m。 ꢁ387 m 水平以上矿体开采结束后地表竖直方向位移如图 2 5 0. 33 表 4ꢀ -387 m 水平以上开采地表倾斜变形 Table 4ꢀ Surface tilt after mining in -387 m level 4 ,地表形成 2 个明显的移动盆地如图 5,其中东区地 表沉陷最大 11 m,北区地表沉陷最大达到 7 m。 # # 井 筒 主 井 1 副井 2 副井 地表倾斜值/ mm 1. 28 1. 02 0. 85 3 . 2ꢀ 北区-450 m 阶段矿体不同开采方案 针对小官庄铁矿地表形成较大的塌陷坑,井筒发 生一定程度的移动变形等问题,对北区ꢁ450 m 阶段 矿体的开采进行了 3 种方案的模拟计算,分析不同方 案下矿体回采对地表及井筒变形的影响规律,以期为 该阶段矿体回采方案提供参考。 3 种回采方案为 方案一:全部采用无底柱分段崩落法开采; 方案二:全部采用充填法开采; 图 4ꢀ 地表竖向位移云图 Fig. 4ꢀ Nephogram of ground surface vertical displacement 方案三:保安矿柱外 150 m 范围内的矿体采用充 填法开采、其他采用无底柱分段崩落法开采的过渡开 采方式,如图 6。 图 5ꢀ 地表移动盆地 Fig. 5ꢀ Ground surface movement basin 开采过程中,对主副井井塔楼位移分别进行了监 图 6ꢀ “三带开采”示意 测,数值模拟过程中也对 3 条竖井井筒壁四周的位移 Fig. 6ꢀ Schematic diagram of 3ꢁzones mining · 101· 总第 481 期ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 金ꢀ ꢀ 属ꢀ ꢀ 矿ꢀ ꢀ 山ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2016 年第 7 期 北区ꢁ450 m 阶段的矿体分别采用 3 种开采方案 模拟开采后,地表及井筒的移动变形计算结果见表 5 。 表 5ꢀ 不同采矿方案地表及井筒移动变形 Table 5ꢀ Movement and deformation of ground surface and shafts in different mining schemes 地表倾 斜变形 (mm/ m) / (mm/ m) / mm 地表水 平变形 井筒 下沉 井筒水 井筒最 平移动 大倾斜 / mm / (mm/ m) 方 案 剖 面 / # 图 8ꢀ 1 副井井筒倾斜 主井 2. 06 2. 02 1. 03 1. 40 1. 50 0. 96 1. 56 1. 76 0. 96 2. 08 2. 06 1. 52 1. 56 1. 60 1. 14 1. 81 1. 85 1. 21 429. 4 ꢁ606. 6 1. 28 1. 18 0. 97 1. 16 0. 97 0. 90 1. 24 1. 14 0. 95 # Fig. 8ꢀ Inclination of auxiliary shaft 1 # 方案一 1 副井 399. 1 ꢁ556. 4 301. 7 ꢁ477. 8 396. 6 ꢁ571. 2 357. 4 ꢁ509. 3 277. 5 ꢁ446. 5 413. 8 ꢁ586. 4 379. 2 ꢁ529. 6 289. 4 ꢁ460. 1 ■ ○ ▲ —方案一; —方案二; —方案三 # 2 副井 案三,即保安矿柱外 150 m 范围内的矿体采用充填法 开采、其他采用无底柱分段崩落法开采的过渡开采方 式。 主井 # 方案二 1 副井 # 2 副井 主井 3. 3ꢀ 讨ꢀ 论 # 方案三 1 副井 随着小官庄铁矿北区深部地下开采的进行,采空 # 2 副井 区体积相应增大,上覆岩体在自重作用下发生下沉变 形,而且随着开采范围的增大,地表移动盆地范围也 相应增大,从而影响到井筒地表建构筑物的安全。 同 时,由于水平构造应力和采空区的存在,垂直矿体走 向方向上岩体发生明显的水平位移,导致主、副井向 采区方向的移动和倾斜。 ꢀ ꢀ 随着ꢁ450 m 阶段矿体的开采,小官庄铁矿北区 地表及井筒移动变形继续发展,井筒附近地表变形、 井筒下沉值、垂直矿体走向方向上向采区的水平位移 # 均增大。 采用方案一开采,主井和 1 副井井筒倾斜 未达到极限值,而地表倾斜变形、水平变形均超过极 # 限值,会造成主井、1 副井地表设施破坏;方案二和方 小官庄铁矿北区后续开采中若采用充填采矿法, 充填体能够起到充填采空区、限制围岩移动变形的作 用,从而限制地表和井筒的移动变形。 案三计算结果表明,主副井地表变形及井筒变形均未 达到极限值,能够保证井筒及地表建筑物的安全以及 采矿生产的正常进行。 4 ꢀ 结ꢀ 论 由于北区ꢁ450 m 阶段矿体的开采,距北区较近 ( 1)ꢁ387m 水平以上矿体开采后,主井附近地表 # 的 1 副井及主井发生明显移动,移动变形最明显的 倾斜为 1. 28 mm/ m,ꢁ450 m 阶段矿体若全部采用崩 # 1 副井移动和倾斜曲线分别如图 7、图 8。 方案一,井 # 落法开采,主井地表倾斜 2. 06 mm/ m,1 副井地表倾 筒位移最大;方案二次之;方案三井筒位移最小。 充 斜 2. 02 mm/ m;若部分矿体采用充填法开采,主井地 # 填采矿在限制岩体及井筒移动具有显著的作用。 1 # 表倾斜 1. 56 mm/ m,1 副井地表倾斜 1. 76 mm/ m,后 副井井筒在 100 m 水平发生最大的倾斜 1. 2 mm/ m, 未达到井筒倾斜极限值,井筒提升系统能够保证安 全,但是后续开采中应特别注意这部分井筒的防护。 续开采会导致地表和井筒进一步的移动变形。 ( 2) ꢁ450 m 阶段矿体若全部采用崩落法开采, # 主井及 1 副井地表倾斜会超出倾斜极限值,造成井 塔楼的破坏;若部分矿体采用充填法开采,倾斜变形 未达到极限值,能够保证地表建筑物及井筒的安全。 充填采矿法与崩落法相比,能够显著地控制地表变形 以及井筒移动。 ( 3)为保证井筒及地表建筑物的安全,同时考虑 到生产能力、采矿成本等因素,小官庄铁矿北区后续 深部开采应选用保安矿柱外 150 m 范围内采用充填 采矿法过渡开采,其他采用无底柱分段崩落法开采的 方案。 # 图 7ꢀ 1 副井井筒水平移动 # Fig. 7ꢀ Horizontal movement of auxiliary shaft 1 ■ ○ ▲ —方案一; —方案二; —方案三 参ꢀ 考ꢀ 文ꢀ 献 由于充填采矿成本较高且生产能力较小,在保证 安全的前提下,ꢁ450m阶段矿体的开采应该选择方 [ 1]ꢀ Li Wenxiu,Li Haining. Ground movements caused by deep under- · 102· ꢀ ꢀ ꢀ 邱景平等:小官庄铁矿北区开采扰动地表及井筒变形规律ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2016 年第 7 期 ground mining in Guan-zhuang Iron Mine[J]. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation,2010,12 ( 3 ): Sun Xiaogang,Xing Jun,Zhang Shiyu,et al. Stability analysis of the Sixth Truck Organization′s Spoilbank in Gongchangling Mining Com- pany[ J]. Journal of Northeastern University,2013,34 (7):1031- 1034. 175-182. [ [ [ [ [ 2]ꢀ Li Jian,Zhang Jixiong,Huang Yanli,et al. An investigation of surface deformation after fully mechanized,solid back fill mining[J]. Inter- national Journal of Mining Science and Technology,2012,22 (4): [9 ] ꢀ Piotr Strzalkowski, Krzysztof Tomiczek. Analytical and numerical method assessing the risk of sinkholes formation in mining areas [ J]. International Journal of Mining Science and Technology, 2015,25(1):85-89. 453-457. 3]ꢀ Ju Jinfeng,Xu Jialin. 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