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张福山矿区东区塌陷区回填对地表变形的影响研究

2024-08-20 43 上传者：管理员

摘要：无底柱分段崩落法采矿常导致地表塌陷及周边区域开裂与变形，影响周边建筑物安全。塌陷区回填是控制塌陷区周边岩土体变形的常用手段，研究塌陷区回填对地表变形的抑制效果有助于关键区域建筑物的保护。基于金山店铁矿张福山矿区东区塌陷区回填前后的变形监测数据及离散元计算结果，分析了回填对地表不同区域的变形抑制效果及回填量对地表变形的影响。结果表明：塌陷区回填对下盘有良好的抑制效果，但受回填量及回填位置的影响，靠近回填区域的下盘测点受到的抑制作用较大，上盘及端部测点受到的抑制作用较小；当回填量达到一定量级时，回填能有效抑制上下盘土体的变形；目前矿区东区的回填量仍处于较低水平，增加回填量可以有效抑制上盘及端部变形。研究结果可为塌陷区治理提供参考。

关键词：
变形监测
地表变形
塌陷区回填
矿山开采
离散元
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无底柱分段崩落法因具有采矿强度大、结构简单、成本相对较低等优点被广泛应用于国内金属矿山开采中[1],但应用无底柱分段崩落法采矿往往会导致矿区出现塌陷，矿区塌陷后又会加剧周边地表变形开裂等，不仅严重危及生产安全，而且会给周围环境和社会带来诸多负面影响[2-4]。目前常用的矿山塌陷变形综合治理措施包括坡面整形、支挡护坡、冒落矸石空隙注浆充填、削方减载、排水阻渗、塌陷区回填及工程监测等[5-7]。金山店铁矿张福山矿区西区在国内首次应用地表回填工艺，取得了良好的应用效果[8],但由于不同矿床的地质情况、矿体分布情况等存在较大差异，因此，深入研究具有不同特征的矿区塌陷区回填具有重要的理论和实践意义。

目前已有学者对塌坑回填进行了研究。常西坤、赵春杰、田得龙等[9-11]对废弃矿山的回填治理方法进行了可行性研究。马俊等[12-13]利用相似模型试验模拟崩落采矿，分析了不同分段落矿时回填体的塌陷模式，并通过数值分析模拟和预测了采矿后地表回填体的运动规律。李艳[14]建立了三维有限元模型，分析了塌陷区回填体的移动规律和应力状态。然而由于金属矿山地质条件较为复杂[15-16],数值模拟及模型试验往往具有局限性，导致其结果不完全符合现场情况，故塌陷回填过程中的现场变形监测数据对回填的分析至关重要。

本研究基于金山店铁矿张福山矿区东区塌陷回填前后的现场变形数据，分析了回填对矿体上下盘及矿体端部地表变形的影响，同时建立了UDEC模型，分析了回填量对地表变形的影响，以期为类似矿山塌陷治理工程提供参考。

1、工程概况

金山店铁矿张福山矿区东区主要有Ⅰ号和Ⅱ号矿体，Ⅱ号矿体位于Ⅰ号矿体北侧，相距15～200 m, 在剖面上两矿体呈叠瓦状排列，且相互平行(见图1)。Ⅰ号矿体赋存标高为+16～-1 000 m, 矿体形态相较简单规则，其厚度一般为20～80 m。Ⅱ号矿体赋存标高为+70～-719 m, 在26～34勘探线间，矿体出露地表，矿体形态较Ⅰ号矿体复杂，厚度为10～150 m。

1.1 工程地质

矿区内地层主要为中、上三迭统蒲圻群砂(T2-3pq)页岩、三迭系中统(T)及三迭系下统大冶群第七段(T1dy7)灰岩和白云质灰岩。金山店铁矿张福山矿区东区分布最广的主要岩性包括角岩(A)、大理岩(B)、石英闪长岩或闪长岩(C)和矿体。

图1 矿区构造[15]

1.2 开采现状

采矿方法为分段崩落采矿法，首采水平为-270 m, -410 m水平以上分段高度为14 m, 中段高度为70 m, 进路间距为16 m。-410 m水平以下中段高度为90 m, 分段高度为15 m。矿体回采顺序为Ⅰ号矿体中矿块回采时，垂直矿体走向由北向南推进，Ⅱ号矿体中矿块回采时，垂直矿体走向由南向北推进。不同开采水平的采矿时间见表1。

注：-354 m水平，Ⅰ号矿体2017年4月主矿体采完，2018年12月勘探线39#东矿块采完；-368 m水平，Ⅰ号矿体2018年12月主矿体采完，2020年7月勘探线39#东矿块采完；-382 m水平，Ⅰ号矿体2020年12月主矿体采完，2021年5月勘探线39#东矿块采完。

表1 开采进度

1.3 塌陷区回填情况

金山店铁矿张福山矿区东区于2015年3月末开始回填塌陷区，回填区域为下盘的Ⅰ号塌坑及其周边区域，根据现场调查及无人机影像(见图2)得出回填进度：2015年3月至2015年6月，回填集中于34#～34-1#勘探线间；2015年6月至2016年12月，回填区域向南推进约50 m, 向东推进约40 m; 2016年至2019年，回填区域向外略微扩展；2020年10月，回填区域向东扩展至36#勘探线；2022年1月，回填区域越过38#勘探线，并将Ⅲ号塌坑完全回填。塌坑区域月度回填情况及累计回填情况如图2所示，2020年6月以后年度回填量较小。

图2 塌坑区域回填情况

2、矿区变形概况

2007年4月至2022年12月，矿区出现了8个主要塌坑，塌坑出现的时间及塌陷情况见表2,其中Ⅰ号塌坑、Ⅲ号塌坑、Ⅴ号塌坑及Ⅵ号塌坑位于Ⅱ号矿体上方，Ⅱ号塌坑、Ⅳ号及Ⅷ号塌坑位于Ⅰ号矿体上方，其具体位置如图3所示。

表2 地表主要塌坑分布

图3 塌坑区域分布

3、回填影响分析

选取回填矿区下盘GPS点7个、上盘GPS点4个、矿区东端GPS点2个、矿区西端GPS点3个，研究分析塌坑回填前后不同区域的测点在N(北)方向、E(东)方向及竖直方向的变形，测点分布如图4所示。

图4 测点分布

3.1 回填对下盘变形的影响

下盘测点变形情况如图5所示。

图5 下盘测点变形情况

回填初期对下盘点位N方向及E方向变形影响较小，2017年3月，回填达到一定量级后，测点C41、C84、C85和C37-1的变形趋势有所减慢，2020年6月后，C41、C85和C37-1的变形趋势加快。C79的变形及变形趋势均逐渐增大，C38、C99的N方向变形及变形趋势均逐渐增大，C38、C99和C37-1的E方向变形基本保持不变。

3.2 回填对上盘变形的影响

上盘测点变形情况如图6所示。2021年6月以前，上盘测点的水平变形及竖向变形速率逐渐增加，2021年6月以后，变形逐渐减小。分析认为目前的回填量对上盘的影响较小。

图6 上盘测点变形情况

3.3 回填对端部变形的影响

西端测点变形情况如图7所示。西端测点向北变形有减缓趋势，向西及竖向变形基本保持不变或略有增大。

图7 西端测点变形情况

东端测点变形情况如图8所示。2021年6月以前，东端测点的水平及竖向变形速率几乎均继续增大，2021年6月以后东端测点的水平及竖向变形速率逐渐减小。

图8 东端测点变形情况

4、数值分析

4.1 计算方法

离散单元法是一种基于牛顿第二定律的岩石力学计算分析方法，该方法适合于节理比较发育的岩体，在采矿工程、隧道工程、边坡工程以及放矿力学等方面具有重要的作用。针对非连续介质开发的离散元通用程序(Universal Discrete Element Code, UDEC),在数学求解方式上采用了有限差分法，力学上则增加了对接触面的非连续力学行为的模拟，因此，UDEC被普遍用于研究非连续面(与地质结构面)占主导地位的工程问题。

4.2 计算模型

34#勘探线剖面数值计算模型如图9所示。在考虑岩性时，以东区的岩体分级为标准并做适当简化，主要模拟上、下盘围岩以及近矿围岩，其中上盘岩体主要考虑角页岩(A1),下盘岩体主要考虑石英闪长岩(C1),近矿围岩主要考虑角页岩(A2)和石英闪长岩(C2)。34#勘探线剖面模型过3条断层，即F1、F3、F4,根据地质剖面图可以发现F1断层处在下盘石英闪长岩(C1)和近矿石英闪长岩(C2)接触带附近，F4断层处在上盘角页岩(A1)和近矿围岩角页岩(A2)接触带附近，这两条断层可作为上述岩性的分界线。结合矿区区域构造和节理裂隙调查结果，34号剖面模型发育两组优势结构面：180°∠65°和104°∠77°,二维计算中采用视倾角进行计算，近矿围岩(A2和C2)结构面间距取9 m, 围岩(A1和C1)结构面间距取15 m。

图9 34#勘探线剖面数值模型

数值模型共有6 446个块体，13 784个单元体。计算坐标系X轴正方向表示沿剖面走向方向(14°),Y轴正方向表示垂直向上方向。模型X方向上范围为1 600 m,Y方向上范围为从-700 m至地表。数值计算模型中岩体模型采用摩尔 - 库伦塑性本构模型，结构面采用节理区域接触 - 库伦滑移模型。初始应力场采用自重应力场加构造应力场，垂直方向应力考虑自重应力场，水平方向应力考虑水平构造应力场，最大主应力为自重应力的1.47倍。计算中的边界条件为：在模型两侧施加滑动约束，即在模型两侧指定各块体在X方向上的位移为0,Y方向上无约束；在模型底部施加固定约束，即在模型底部指定各块体在X、Y方向上的位移均为0。

4.3 计算参数

数值计算模型中采用的岩体与结构面力学参数见表3和表4。

表3 张福山矿区东区岩体力学参数

表4 张福山矿区东区断层和结构面计算力学参数

4.4 计算方案

模型在自重和构造应力条件下获得初始平衡，生成初始应力场，之后开始进行地下采矿的开挖模拟。地下采矿从-410 m水平开始模拟，逐个分段向下开挖；地面塌坑按无回填和每个分段回填20万m3进行计算。具体的计算方案见表5,方案1为无回填计算，方案2为有回填计算，塌坑回填模拟从-425 m水平开始，之后每个开采分段回填20万m3。

表5 计算方案

4.5 计算结果与分析

-425 m、-440 m、-455 m水平开采结束时的位移矢量变化情况如图10至图12所示。从图中可以看出，地下采矿诱发采空区围岩发生变形破坏，形成片帮冒落，进而导致地表产生变形，形成地表塌坑。

根据数值模型计算结果可得到地表监测点A和B处的水平位移和竖直位移，不同计算方案下的监测点位移对比如图13所示。

图10-425 m水平开采结束时的位移矢量变化情况

图11-440 m水平开采结束时的位移矢量变化情况

图12-455 m水平开采结束时的位移矢量变化情况

图13 不同计算方案的监测点位移对比

由图13可知，-425 m水平开采结束时，两种方案的监测点计算结果基本一致；-440 m水平开采结束时，回填模型的监测点水平和竖向位移均小于不回填；-455 m水平开采结束时，回填模型的监测点水平和竖向位移均明显小于不回填。这说明塌坑回填一定方量能够控制塌坑变形。

-440 m水平开采结束时，方案2的监测点A和B水平位移比方案1分别小43.6%和45.4%,竖向位移分别小28.4%和37.0%;-455 m水平开采结束时，方案2的监测点A和B水平位移比方案1分别小46.2%和32.1%,竖向位移分别小33.7%和47.1%。可以看出方案2监测点变形在-455 m开采水平下明显小于-440 m开采水平，即塌坑回填方量越多对塌坑变形控制效果越好，尤其能够显著控制塌坑水平变形。

5、结论

本文收集和分析了金山店铁矿张福山矿区东区的回填数据及塌陷区周边测点的变形数据，建立了离散元数值计算模型，对比了有无回填下的地表变形，得出如下主要结论：

(1) 张福山矿区东区实践表明，地表回填对部分区域的变形有抑制作用，但受回填量及回填位置的影响，靠近回填区域的下盘测点受到的抑制作用较大，上盘及端部测点受到的抑制作用较小；

(2) 离散元数值计算结果表明，当回填量级较小时，回填几乎没有抑制效果；当回填量达到一定量级时，回填能有效抑制上下盘土体的变形；

综合现场监测结果及数值计算结果，认为目前张福山矿区东区的回填量仍处于较低水平，增加回填量可以有效抑制上盘及端部变形。

参考文献:

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[2]廖如庸.崩落区回填的生产实践[J].有色矿山,1994(3):13-18.

[3]宋许根,陈从新,庞厚利,等.金属矿山采矿推进与地表变形关系研究[J].岩土力学,2018,39(增刊1):425-436.

[4]黄平路,陈从新.厚覆盖层矿山地下开采地表塌陷机制分析[J].岩土力学,2010,31(增刊1):357-362.

[5]祝启坤,郭娜娜,黄昱清.赤马山铜矿Ⅰ号塌陷区地质灾害综合防治对策研究[J].金属矿山,2010(4):153-158.

[6]刘宏磊.矿山环境修复治理和开发利用模式的理论与实践研究[D].北京:中国矿业大学(北京),2020.