北洺河鐵礦地表巖移特性與控制技術(shù)

王榮軍

(五礦邯邢礦業(yè)有限公司北洺河鐵礦)

引 言

在金屬礦床地下崩落采礦法開采中，巖移范圍的確定對(duì)礦山開采的安全與經(jīng)濟(jì)效益影響重大。通常按錯(cuò)動(dòng)角圈定地表巖移范圍，給出的地表巖移范圍隨采深的增大而直線增大[1-2]。有關(guān)地表巖移范圍隨采深變化規(guī)律的研究眾多[3-4]，而弓長(zhǎng)嶺鐵礦的實(shí)測(cè)結(jié)果表明，按錯(cuò)動(dòng)角圈定的巖移范圍與實(shí)際嚴(yán)重不符，且其誤差隨采深的增大而增大，李海英等[5]據(jù)此分析提出：這是由于塌陷區(qū)冒落散體對(duì)實(shí)體邊壁具有支撐作用，當(dāng)支撐力限制邊壁圍巖片落與破裂的擴(kuò)容空間致使邊壁破壞不能繼續(xù)進(jìn)行時(shí)，地表巖移便會(huì)停止。因此，提出了臨界散體柱支撐技術(shù)，為地表巖移合理控制開辟了新途徑。依據(jù)散體柱支撐作用,利用廢石充填塌陷坑的巖移控制技術(shù)，已在眾多礦山成功應(yīng)用[6-7]，弓長(zhǎng)嶺鐵礦東南區(qū)與小汪溝鐵礦利用廢石回填塌陷坑，有效控制了采動(dòng)巖移的進(jìn)一步擴(kuò)展[8-9]。然而利用廢石回填整個(gè)塌陷坑控制巖移范圍，需要大量的廢石，往往只有具有露天采場(chǎng)的礦山才具備該條件。為解決廢石充填量不足的問題，曹建立等[10]根據(jù)臨界散體柱支撐原理，試驗(yàn)研究了尾砂替代廢石充填地表塌陷坑的巖移控制新方法，該方法尚在試驗(yàn)階段且不夠經(jīng)濟(jì)。對(duì)于沒有露天采場(chǎng)或廢石較少的礦山，如何利用少量的廢石，且安全又經(jīng)濟(jì)地控制地表巖移，是礦山需要攻克的生產(chǎn)難題。研究經(jīng)濟(jì)安全的地表巖移控制方法，對(duì)于開采礦山的地表構(gòu)筑物保護(hù)與土地占用時(shí)空確定亦具有重大意義。

五礦邯邢礦業(yè)有限公司北洺河鐵礦(下稱“北洺河鐵礦”)位于河北省邯鄲市，是一座集采選于一體的現(xiàn)代化大型礦山。北洺河鐵礦床為接觸交代矽卡巖型磁鐵礦床，礦巖穩(wěn)定性差、易冒落，地表厚層第四系巖層極易快速塌冒，厚度較大的散體層貫穿了采空區(qū)冒透地表及引起地表巖移的整個(gè)過程，為研究地表巖移與散體層相互作用關(guān)系提供了有利條件。該礦山采用大結(jié)構(gòu)參數(shù)的無底柱分段崩落采礦法開采，開采前對(duì)地表季節(jié)性河流進(jìn)行了改道處理，設(shè)計(jì)中在河道與錯(cuò)動(dòng)邊界保留50 m的“安全帶”。為確保河道安全，對(duì)地表裂縫出露范圍進(jìn)行了多年監(jiān)測(cè)。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，針對(duì)采空區(qū)大冒落到地表塌陷巖移的整個(gè)實(shí)際物理過程，基于散體支撐作用及臨界散體柱的支撐原理[11]，進(jìn)一步研究地表巖移范圍隨采深的變化規(guī)律，揭示松散體在采空區(qū)大冒落前后的作用機(jī)理，用以開發(fā)最為經(jīng)濟(jì)實(shí)用的巖移控制方法，以實(shí)現(xiàn)北洺河鐵礦地表巖移危害經(jīng)濟(jì)安全治理的目的。

1 地表裂縫出露范圍

自2014年起對(duì)北洺河鐵礦地表裂縫與錯(cuò)動(dòng)面出露位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，發(fā)現(xiàn)地表裂縫出露的范圍及其隨采深的變化均與地表第四系厚度密切相關(guān)。礦體靠近河道一側(cè)的地表第四系厚度較大，早期地表裂縫出露位置較遠(yuǎn)，隨后一些較小裂縫經(jīng)風(fēng)雨閉合，較大裂縫持續(xù)開裂、錯(cuò)動(dòng)，形成錯(cuò)動(dòng)面。但是，隨著采深的增大，裂縫的出露范圍并不總是等比例增大。

將地表出露裂縫的邊界與地下采空區(qū)邊界的連線與水平面的夾角稱為視在巖移角，則在第四系厚度較大的部位，視在巖移角隨采深的增大而增大；第四系的厚度不同，視在巖移角的增大速度不同。以位于礦體中部的6勘探線剖面為例，在地表移動(dòng)范圍內(nèi)，靠近河道左側(cè)的第四系厚度116 m，左側(cè)采深從388 m增大到448 m時(shí)，視在巖移角從63°增大到76°(見圖1)，隨采深增大的平均值為0.22°/m。而右側(cè)第四系厚度較小，為37 m，采深從412 m增大到427 m時(shí)，視在巖移角從75°下降到70°；從427 m增大到472 m時(shí)，視在巖移角從70°增大到72°(見圖1)。分析右側(cè)前期視在巖移角較大的原因，主要是冒落拱從實(shí)體巖層進(jìn)入第四系松散巖層時(shí)，交界面較低的左側(cè)第四系先獲得冒落空間而較早發(fā)生冒落，冒落散體阻擋了右側(cè)巖移，使塌冒區(qū)向左側(cè)偏移；而右側(cè)后期因塌陷坑沉降而引起的地表裂縫范圍增大，視為不受左側(cè)巖移影響正常變化，即右側(cè)視在巖移角也隨采深的增大而增大，增大的平均值為0.04°/m。在巖移范圍內(nèi)，左側(cè)第四系厚度是右側(cè)的3.14倍，視在巖移角隨采深增大的速率是右側(cè)的5.5倍，可見地表第四系厚度對(duì)地表巖移影響之大。

圖1 北洺河鐵礦地表裂縫實(shí)測(cè)范圍

2 地表巖移特征成因分析

根據(jù)北洺河鐵礦地表巖移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)北洺河鐵礦后期呈現(xiàn)出視在巖移角隨采深增大而增大的巖移特征。為分析這一特征形成的原因，將拱頂承受的水平應(yīng)力簡(jiǎn)化為均布載荷，分析采空區(qū)臨近大冒落時(shí)冒落拱的受力狀態(tài)(見圖2)。

將冒落拱簡(jiǎn)化為半橢圓，根據(jù)圖2的力學(xué)平衡關(guān)系可得：

圖2 采空區(qū)冒落拱受力示意圖

(1)

整理得：

(2)

式中：σ為冒落拱頂承受的水平應(yīng)力(t/m2)；hd為采空區(qū)頂板冒落高度(m)；hm為采空區(qū)底板埋深(m)；ρ為上覆巖體平均密度(t/m3)；b為采空區(qū)半跨度(m)；k為巖體側(cè)壓力系數(shù)。

由式(2)可知，冒落拱頂部的水平應(yīng)力σ隨采空區(qū)頂板冒落高度hd的增大而增大；在采空區(qū)冒透地表的前一時(shí)刻，hd→hm，hm-hd→0，σ趨于無窮大。

在北洺河鐵礦地表含厚層第四系條件下，在冒落拱進(jìn)入地表松散巖層的瞬間，實(shí)體冒落拱圍巖承受的巨大水平應(yīng)力傳遞到地表松散巖層上，瞬間作用于較大范圍；在采空區(qū)冒透地表使巨大壓應(yīng)力突然釋放時(shí)，地表松散巖層從受壓狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槭芾瓲顟B(tài)，由于松散巖體抗拉強(qiáng)度極低，從而在較遠(yuǎn)的位置形成裂縫與錯(cuò)動(dòng)線；而在采空區(qū)冒透地表形成塌陷坑過程中，地表松散巖層快速塌落形成塌陷坑內(nèi)散體，這些散體在向巖石邊壁施加主動(dòng)側(cè)壓力的同時(shí)，承受邊壁變形與位移施加給支撐散體的被動(dòng)側(cè)壓力，在散體主動(dòng)與被動(dòng)側(cè)壓力的共同作用下，邊壁巖體的片落活動(dòng)與破裂擴(kuò)容空間被限制，從而限制了塌落邊壁片落與裂縫出露范圍的外擴(kuò)，這是北洺河鐵礦后期地表視在巖移角隨采深增大而增大的根本原因。

3 散體壩支撐巖移控制技術(shù)

前述分析表明，低抗拉強(qiáng)度的第四系松散巖層及其塌冒后形成散體的支撐作用，支配地表裂縫出露范圍的時(shí)空演化，尤其是塌冒散體的支撐作用，使視在巖移角隨采深增大而增大，因此，利用散體充填塌陷區(qū)，是控制地表巖移的有效方法。用廢石散體充填塌陷區(qū)，是控制地表裂縫出露范圍的有效方法，但北洺河鐵礦沒有露天采場(chǎng)可提供足夠充填量的廢石，在此條件下，提出采用在錯(cuò)動(dòng)區(qū)邊緣堆置廢石壩的方法，使之在塌陷區(qū)散體下移時(shí)，保持散體柱對(duì)塌陷區(qū)邊壁的側(cè)向支撐力不降低，由此限制塌陷區(qū)邊界的擴(kuò)展，進(jìn)而限制地表錯(cuò)動(dòng)與裂縫區(qū)的擴(kuò)展。

根據(jù)礦體賦存深度與河道位置關(guān)系，北洺河鐵礦地表巖移可能影響河道的部位位于6勘探線—8勘探線，該區(qū)段的礦體厚度大、底板埋深大，此后還需開采5～6個(gè)分段，開采深度增大75～90 m，由此引起的塌陷區(qū)采動(dòng)巖移量大，將導(dǎo)致地表塌陷坑內(nèi)散體大幅度下降。為使實(shí)際開裂范圍不超過按照監(jiān)測(cè)值推斷的范圍，需要控制與消除塌陷區(qū)的沉降影響，為此需要在地表錯(cuò)動(dòng)區(qū)內(nèi)設(shè)置足夠高的散體壩，保持塌陷區(qū)散體對(duì)邊壁的恒定側(cè)壓力，由此控制塌陷區(qū)邊壁向外擴(kuò)展。

北洺河鐵礦采深接近400 m，根據(jù)深部礦體開采可能引起塌陷區(qū)散體下降的規(guī)模，設(shè)計(jì)巖移控制壩(控制壩)尺寸為：高30 m、頂寬30 m(見圖3)。控制壩采用井下掘進(jìn)廢石和地表磁滑輪甩棄廢石堆置建成，根據(jù)塌陷區(qū)巖移特點(diǎn)，在錯(cuò)動(dòng)落差達(dá)到6 m時(shí)施工巖移控制壩為宜。隨著相鄰塌陷區(qū)散體的沉降，控制壩的整體或部分將發(fā)生不同程度的沉降，為保持控制壩下散體柱對(duì)巖壁支撐力的穩(wěn)定，需要保持控制壩的高度與規(guī)模不變，散體壩建成后要定期維護(hù)，需定期補(bǔ)填廢石，保持控制壩的初始高度與頂部寬度。根據(jù)礦山開采速度，借鑒小汪溝鐵礦的經(jīng)驗(yàn)，按初始控制壩的高度與頂部寬度每年對(duì)控制壩進(jìn)行2～3次補(bǔ)填廢石為宜。

圖3 巖移控制壩設(shè)置方法示意圖(8勘探線地質(zhì)剖面圖)

按上述剖面圖推斷的裂縫、錯(cuò)動(dòng)線與所確定的巖移控制壩，投影到地表地形圖上，將各投影點(diǎn)用光滑曲線連接，同時(shí)考慮塌陷區(qū)橫向(垂直剖面方向)的影響，繪制出深部礦體開采后地表可控裂縫范圍及控制壩的堆置位置(見圖4)。采取散體壩控制措施后，深部與邊緣礦體開采引起地表裂縫的范圍，距離北洺河河床不小于135 m，遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)的50 m，因此可保障地下開采不受河道威脅。

基于礦山測(cè)繪的裂縫位置與采空區(qū)邊界關(guān)系推測(cè)的地表可控開裂范圍見圖4。地表塌陷坑出露后，經(jīng)過后續(xù)采礦的擴(kuò)展，呈現(xiàn)出塌陷區(qū)、錯(cuò)動(dòng)區(qū)、斷裂區(qū)、裂縫區(qū)、裂紋區(qū)與變形區(qū)。北洺河鐵礦由于地表存在厚層第四系，地表目測(cè)到的裂縫疑似為塌陷邊界之外的斷裂線，可能與采空區(qū)直接連通，如果這些裂縫遇水，可能直接滲流到采空區(qū)。因此，圖4的可控裂縫范圍，可理解為斷裂的邊界位置，嚴(yán)禁河水進(jìn)入，否則可直接滲流入采空區(qū)的位置。

在斷裂區(qū)之外的裂縫與裂紋，遇到適宜條件，也可能出露地表，即在圖4的可控裂縫區(qū)之外，可能局部出現(xiàn)小裂縫，為避免河水威脅，應(yīng)給小裂縫與裂紋的出露留出余地。但即使小裂縫出露，其規(guī)模不會(huì)大，對(duì)地表的破壞不大?；谛⊥魷翔F礦的監(jiān)測(cè)結(jié)果，結(jié)合北洺河鐵礦深部礦體條件，預(yù)計(jì)出露小裂縫的范圍不會(huì)超過圖4所圈定的范圍。因此，適時(shí)施工巖移控制壩，保障河道至少70 m的安全距離，可保障地下采場(chǎng)不受河水威脅。

圖4 巖移控制壩與深部礦體開采后可控裂縫范圍示意圖

4 結(jié) 論

1)北洺河鐵礦的頂板圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，地表第四系厚度大，在采空區(qū)冒透地表時(shí)，因厚層第四系的抗拉強(qiáng)度極低，導(dǎo)致地表錯(cuò)動(dòng)范圍較大，但快速冒落與塌落散體的側(cè)壓力對(duì)塌陷邊壁的支撐作用，使后續(xù)塌陷區(qū)邊界擴(kuò)展受阻，地表錯(cuò)動(dòng)區(qū)擴(kuò)展速度呈現(xiàn)出不斷減緩的巖移特征。

2)地表塌陷區(qū)形成后，在塌陷坑周邊出現(xiàn)錯(cuò)動(dòng)區(qū)與裂縫區(qū)，其中錯(cuò)動(dòng)區(qū)邊界是對(duì)巖移影響敏感部位。利用少量廢石在錯(cuò)動(dòng)區(qū)邊界堆置與維持足夠高度散體壩的巖移控制措施，保持散體對(duì)塌陷區(qū)邊界的側(cè)向支撐力不降低，消除塌陷坑散體下降對(duì)邊壁穩(wěn)定性的影響，由此有效控制地表巖移范圍。

3)根據(jù)北洺河鐵礦監(jiān)測(cè)分析結(jié)果，采取巖移控制壩措施后，深部與邊角礦體開采的地表裂縫范圍不會(huì)波及改道后的河床，采用散體壩措施可保障地下開采不受河道威脅。