高承压含水层下矿体回采保安矿柱合理宽度留设应用研究

解迎祥,刘向华,蒋旭雄,国 峰

(金建工程设计有限公司, 山东烟台市 264000)

高承压含水层下矿体回采保安矿柱合理宽度留设应用研究

解迎祥,刘向华,蒋旭雄,国 峰

(金建工程设计有限公司, 山东烟台市 264000)

针对“三下”矿体回采难度大、安全要求高等特点,并结合矿山水文地质条件及开采现状,提出了“顶板预控、分区隔离、及时充填”的方案,并通过理论计算、数值模拟、工业性试验等手段对矿体强化开采时护顶矿柱厚度及隔离矿柱宽度进行了模拟和计算。现场工业性试验表明,“顶板预控、分区隔离、及时充填”方案能够有效控制采场顶板大面积垮落,确定西区护顶保安矿柱厚度为120m,东、西区连续隔离矿柱宽度为20m。

高承压含水层;护顶矿柱;隔离矿柱;嗣后充填

“三下”开采系指在地表水体、建筑物、构筑物及铁路下进行矿体回采。对于高承压含水层下矿体的开采,尤其是含水源补给充足时,传统矿床疏干措施往往会影响地表周边村民灌溉和生活饮用,容易引发各类社会及环境问题,如耕地破坏、道路沉陷等,因此,如何避免因采动裂隙发育导通上覆含水层引发矿井透水事故的发生,保证高承压水下厚大矿体安全、连续回采成为矿山企业降低开采成本、提高资源回收率的重要影响因素。

根据矿层(尤其是煤层)开采后顶板形成冒落带、裂隙带和沉降带的“三带”理论,认为上覆页岩、砂页岩、砂岩等沉积岩发生的均匀沉降直至地表,从而形成沉陷盆地。与矿层赋存特征不同,矿脉因其岩性不均质、构造多故不能简单地引用上述理论和方法,目前国内外金属及非金属矿山地表保护通常采用充填法

本文在前人研究的基础上,以河北某磷矿东、西区矿体回采为工程背景,采用理论计算、数值模拟、工程类比及工业性试验等手段,针对高承压含水层下矿体回采保安矿柱合理留设宽度进行研究,以期为类似条件下矿山实现井下安全生产提供一定的理论依据与技术参考。

1 矿井水文地质条件

矿区位于矾山盆地东南边缘,区内分布着矾山碱性超基性杂岩体,矿体赋存其中,走向近东西呈半月状,倾向北和北西,倾角30°左右,标高200m以上。杂岩体上直接覆盖着90～130m厚层第四系,地面标高850～650m。东灵山河纵贯矿区并在其上通过,河床、河漫滩及阶地分布有砂砾卵石含水层,但第四系下部普遍分布着一层厚度大、隔水性能良好的粘土层,且东灵山河为季节性河流,河水渗漏不大。中更新统底部含粘性土砾石承压含水层及基岩风化含水带统一含水带直接覆盖在矾山杂岩体上部,此含水带接受南、西南山区震旦系雾迷山组白云岩风化裂隙水的侧向补给,是矿床直接充水水源。其中2号勘探线以西平均厚度29.3m,2～6号勘探线之间因受古地形隆起缺失,使得地下水径流不畅,从而以此为界导致矿区东、西两区水头相差约160m。

综上,东区为低水位区,地下水位标高＋557～＋560m。承压含水层中的地下水已基本疏干,地下水水位降入基岩,水文地质类型属顶底板直接进水的裂隙充水的中等类型;西区为高水位区,矿体上覆有承压含水层,地下水位标高＋750～＋745.8m,承压水头150～160m,水文地质类型属顶板间接(局部直接)进水的孔隙充水的中等类型。

2 开采方案的确定

矿床主要充水因素是直接覆盖在矿体顶部的中更新统底部含粘性土砾石承压含水层(Q2),该含水层在矿床西部承压水头达150～160m,直接威胁矿山基建和生产安全,由于东区矿坑长期排水,地下水位已低于砾石层底板,该段Q2含水层则属于透水不含水地层;西区处于高水位区,水文地质条件复杂,上覆第四系的全新统砂砾卵石潜水含水层(Q4)、上更新统黄土砾石承压含水层(Q3)以及中更新统底部含粘性土砾石承压含水层()三层含水层。特别对于中更新统底部含粘性土砾石承压含水层(Q21),地下水位标高750～745.8m,承压水头达150～160m之高,其与基岩风化带直接接触。矿山目前主要东区Ⅱ、Ⅲ矿体。矿石普氏硬度系数为6～8,中等稳固以下,围岩普氏硬度系数为8～10,中等稳固。根据矿体赋存条件与矿岩稳固性、水文地质条件及地表允许崩落,东区设计采用无底柱崩落采矿法。对于西区矿体,因其水文地质条件较之东区差异较大,故尚未进行相应的基建工程施工。此外,西区地面多为风景区,地表不允许塌落,无底柱崩落采矿法无法适用于西区矿体回采。鉴于西区第四系表土层厚度大,且节理裂隙较为发育,若针对矿体上覆含水层直接疏干势必引起塌陷漏斗的形成并最终导致地表下沉,同时加剧上更新统下部(Q3)的杂色亚粘土层、中更新统上部红色粘土层错动与破坏,从而进一步导通全新统砂砾卵石含水层及地表水(东灵山河),极易引发坑内涌水灾害。

因此,为保证西区矿体安全高效回采,防止矿体上覆承压含水层及基岩风化带裂隙水渗、溃入坑内采场,笔者结合矿山技术水平及开采现状,提出了“顶板预控、分区隔离、及时充填”治水回采方案,即西区通过留设护顶保安矿柱、空区嗣后充填以避免工程扰动引发的裂隙带及沉降带导通上覆各含水岩层,防止坑内涌水、地表沉陷灾害的发生;与此同时,东区则利用留设连续隔离矿柱以降低崩落法开采的不利影响。

3 保安矿柱合理留设宽度研究

针对东、西区保安矿柱合理宽度留设,笔者在矿岩物理力学参数测试、矿区工程地质调研分析、岩石质量评价及参数工程处理的基础上,利用岩土工程三维有限元模拟软件(Flac3D)进行了不同技术方案的对比分析。西区矿体回采模型如图1所示。

图1 西区矿体回采模型

3.1 护顶保安矿柱安全厚度

结合矿体赋存特征及开采现状,自591m水平以下设置护顶保安矿柱,针对Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ号矿体均开采时,护顶保安矿柱合理留设厚度分别设为31,54, 76,98,120m。不同护顶保安矿柱厚度内监测点最大应力变化规律及顶板塑性区厚度变化分别见图2、图3。

图2 不同护顶矿柱厚度监测点最大应力变化曲线

图3 不同护顶矿柱厚度空区顶板塑性区厚度变化曲线

由图2、图3可以看出,相同采场结构参数条件下,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ号矿体均进行开采时,随着护顶保安矿柱厚度的不断增加,柱内监测点最大压应力呈增长趋势,最大拉、剪应力则呈现降低趋势,其中因压、剪应力值均小于试验岩体抗压、剪切强度,而相比之下,由于拉应力的存在,当矿柱厚度小于76m时,此时采场顶板极易因拉伸破坏导致冒落坍塌,加剧了上覆导水裂隙带发育;反观不同护顶矿柱厚度情况下因采、充活动引起应力重新分布过程中所产生的顶板塑性区范围,考虑空区充填接顶充分时,当护顶矿柱留设厚度为31～98m时,各方案空区顶板塑性区(已发生剪、拉屈服)多位于空区顶板以上82～93m范围内,极易引起裂隙发育导通近距离承压含水层,故该区段内护顶矿柱留设方案均不利于承压含水层下矿体安全高效回采。此外,依据矿岩物理力学参数测试结果,利用线性插值法计算得出,当岩体最大拉应力为0.43MPa时,顶柱发生破坏失稳的临界厚度为91.74m。综上,考虑矿山开拓现状及矿体赋存条件差异,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ号矿体均进行开采时,护顶保安矿柱留设厚度为120m。

3.2 东西区连续隔离矿柱合理宽度

鉴于矿山东、西区含水层水位差异较大,且西区普遍存在高水位区,故不适合采用崩落法进行矿体回采,笔者充分考虑水文地质及开采技术条件,利用两区高、低水位骤变处即0号勘探线为界留设连续隔离矿柱。针对强化开采条件,连续隔离矿柱合理留设宽度模拟方案分别设为10,20,25,30m,各方案连续隔离矿柱内监测点最大应力变化规律如图4所示。

图4 不同隔离矿柱宽度监测点最大应力变化曲线

由图4可以看出,相同采场结构参数条件下,实行强化开采时,随着连续隔离矿柱宽度的不断增加,矿柱内监测点最大压、剪应力值均呈现减小趋势,其中剪应力极值小于试验岩体剪切强度,而通过各方案矿柱监测点块体屈服状态观测可以发现,矿柱宽度分别为10,15m时,监测点附近块体均发生屈服,其主要原因为矿柱宽度相对较小,采动引起应力集中,柱内压应力超限;结合矿、岩物理力学参数试验结果,经强度折减及差值计算,当柱内矿体所受最大压应力值为12.80MPa时,东、西区间柱发生破坏失稳的临界宽度为16.51m。综上,考虑矿山开拓现状及矿体赋存条件差异,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ号矿体均进行开采时,连续隔离矿柱留设宽度为20m。

3.3 承压含水层下矿体回采方案

考虑到充填采矿法在“三下”矿床回采方面的优越性,矿山西区实行保护性开采,即在留设保安矿柱的基础上,暂不对矿体上覆承压含水层进行疏干,而通过强化开采、及时充填,保证采场有效接续,同时避免涌水、沉降等灾害的发生。

目前矿山依据各采区水文地质及开采技术条件针对性地采用上向水平分层点柱式充填采矿法、上向水平分层进路式充填采矿法、分段菱形矿房嗣后充填采矿法以及分段凿岩阶段出矿嗣后充填采矿法进行多矿体强化开采。

3.4 现场工业性试验

矿山自2010年7月以来选取西区＋425m中段多个矿块进行现场工业性试验,采场生产能力达到320～450t/d,空区充填接顶状况良好;通过护顶保安矿柱及连续隔离矿柱的岩体微震与围岩位移实时监测结果显示,微震事件发生区域内无明显的构造活化现象,工程扰动引起的裂隙导通含水层的可能性较小;采、充期间各临近采场巷道围岩位移变化量基本呈现先增大后减小的趋势,且均在合理范围之内,固结充填体支撑作用的发挥能够较好地降低采场周围尤其是顶角部位的应力集中,有效地控制空区顶板因采动引起的大面积沉降,从而保证承压含水层下矿体的安全高效回采。

4 结 论

(1)通过留设护顶保安矿柱、空区嗣后充填能够较好地避免工程扰动引发的裂隙带及沉降带导通上覆各含水岩层,防止坑内涌水、地表沉陷灾害的发生,合理留设连续隔离矿柱能够有效降低相邻采区崩落法开采的不利影响。

(2)结合矿、岩物理力学测试及矿山水文地质、开采技术条件,根据不同保安矿柱留设宽度条件下空区顶板塑性区发育及空区稳定性数值模拟结果,确定西区护顶保安矿柱厚度为120m,东、西区连续隔离矿柱宽度为20m。

(3)现场工业性试验观测结果表明,西区充填法采场生产能力达320～450t/d,中段生产能力2240t/d,技术经济指标良好,社会效益显著。

综上所述,“顶板预控、分区隔离、及时充填”治水回采方案通过合理留设保安矿柱、嗣后充填采空区,充分减小顶板暴落时间、有效控制裂隙发育,在避免坑内突水、岩层沉陷灾害发生的同时,实现了高承压含水层下资源高效回收,并使地下水资源与地表生态环境得到了保护,为类似条件下矿体安全回采提供一定的理论指导与实践参考。

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2017-03-06)

解迎祥(1970－),男,山东潍坊人,工程师,主要从事采矿专业技术工作,Email:963xyx369＠163.com。