二道沟矿深井开采地表移动影响分析

吴清明 曹敏 严鹏

摘要：二道沟矿以急倾斜极薄矿脉为主，开采深度已达1 500 m，深井开采时地压活动加剧，采动影响增加。根据岩体力学理论，应用Midas-GTS软件，通过数值分析，研究了深井开采高应力环境影响下地表移动的规律。对于二道沟矿区的地质及岩石条件，在采用浅孔留矿采矿法开采的中段，地表下沉量持续增加，开采到420 m中段时，地表最大下沉量达到7 mm左右，继续向深部开采，地表下沉量趋于稳定。深井开采对地表移动影响甚微，地表最大下沉量小于8 mm，未达到传统边界角的划定边界。

关键词：深井开采;急倾斜极薄矿脉;地表移动;数值分析;Midas-GTS

中图分类号：TD323文献标志码：A

文章编号：1001-1277（2020）06-0040-04 doi：10.11792/hj20200609

引 言

随着黄金矿山地下开采不断向深部发展，急倾斜极薄矿脉开采引起的岩层移动问题，具有与倾斜、缓倾斜矿体开采及浅部开采造成岩层移动特征不同的特点，因此，成为采矿界关注的研究方向之一[1-2]。岩层及地表移动的主要影响因素包括地质条件（如矿岩力学性质、矿体产状与埋深、地形地貌及覆盖层情况等）和采动状态（如开采范围、采矿方法、重复采动等）[3]。一般来说，在矿岩条件一定时，随着采动范围的扩大，采场地压会增大，围岩稳定性会受到影响，继而发生一定程度的岩层位移。地下采场开挖空间是一种极其复杂的结构物，其围岩岩体具有非均质、非线性、不连续加卸载条件、边界条件复杂等特征[4]。

对于矿山开采过程中岩层及地表的移动，传统的研究方法是利用有关仪器设备取得大量监测数据，然后采用相应的经验公式进行分析。随着计算机及数字技术的发展，利用有关数值模拟方法进行岩层及地表移动分析，尤其是复杂条件下的岩层及地表移动分析更为精确及时。常用的数值模拟方法有多种，有限单元法在处理复杂条件下的岩层及地表移动问题时更具有优越性。Midas-GTS是将通用的有限元分析内核与岩土结构的专业性要求有机结合而开发的三维数值分析软件，其技术成熟，直观可视[5]。

中国黄金集团夹皮沟矿业有限公司（下称“夹皮沟矿业公司”）二道沟矿与长沙矿山研究院有限责任公司合作开展了“二道沟矿地下开采岩移研究”项目，这一研究对正确认识和掌握急倾斜极薄金矿脉深井开采引起岩层及地表移动特性，合理安排矿山开采具有重要意义。

1 矿山开采概况

二道沟矿是夹皮沟矿业公司的主力矿山，开采急倾斜极薄矿脉，目前开采深度已超过1 500 m。深井开采时地压活动加剧，采动影响增加[6]，因其引起的岩层及地表移动是矿山十分关注的问题。

1.1 矿山地质

夹皮沟矿业公司二道沟矿地处长白山系威虎岭南端。矿区最高标高694 m，最低侵蚀基准面标高538 m，最大相对高差156 m，地貌特征属构造剥蚀低山区。

矿区大地构造位置处于天山—阴山东西向构造带东端与新华夏系第二隆起带张广才岭交接地段，是辉南—桦甸—和龙金铁成矿带中部主要的金矿集中区和产金基地。

二道沟矿床位于哑铃状钾质花岗岩上盘接触带。矿体呈脉状和似板状产出，以石英脉为主，呈北西向分布，倾向为北东向50°±，倾角58°～87°。控制的工业矿体总延长675 m，总延深1 210 m。矿体最大厚度5.15 m，平均厚度1.50 m，矿体深部变薄，平均厚度0.53 m。矿体上盘围岩为各种片麻岩，包括混合片麻岩、细粒斜长片麻岩、斜长片麻岩及碎裂岩等，下盘围岩以斜长角闪岩为主。

目前，主要开采深部新1号矿体和12号矿体。矿体均受压扭性断裂构造控制，主要赋存在斜长角闪岩与角闪斜长片麻岩接触带的挤压蚀变断裂带中。新1号矿体沿走向最大连续延长750 m，最大见矿深度在-602 m标高;矿体走向350°～360°，倾向80°～90°，倾角70°～80°，平均厚度0.71 m。12号矿体在690 m中段沿脉控制长度400 m;矿体走向335°～350°，倾向65°～80°，倾角65°～75°，平均厚度0.47 m。

矿体与围岩均属坚硬—极坚硬岩石，构造条件简单，围岩稳定性好，工程地质条件属简单类型。矿山水文地质条件也属简单类型。

1.2 开采现状

二道沟矿采用平硐-竖井-盲竖井联合开拓。竖井采用三段提升，明竖井（一段提升）开拓0 m～240 m中段，一盲井（二段提升）开拓240 m～690 m中段，二盲井（三段提升）開拓690 m～1 500 m中段。

采矿方法以削壁充填采矿法为主，当脉厚大于0.8 m时采用干式充填法。浅部510 m中段以上矿脉比较厚，采用浅孔留矿采矿法开采。目前开采至1 365 m中段。

1.3 地表采动影响现状

二道沟矿区多为林地，植被覆盖率高，对矿体露头部分也未开采，最浅0 m中段距地表平均距离约20 m，经对矿区周边多点多次踏勘，未发现明显塌陷区域及岩层移动产生的裂缝，矿山的地下开采工程对地表基本无影响。

2 地表移动数值模拟分析

2.1 岩石力学性质

二道沟矿区矿体围岩为角闪岩和混合片麻岩，利用MTS-815全数字型液压伺服控制岩石力学试验系统对2种岩石取样试验，分别得到岩石的单轴抗压强度、抗拉强度和泊松比等力学参数，结果见表1。

2.2 计算模型及参数

采用具有良好前处理建模功能的Midas-GTS有限元软件建立计算网格。

根据地表地形图、井上下对照图及0 m～1 365 m中段的各中段平面图，建立数值计算模型，研究区域数值模型见图1。数值计算模型尺寸为：长1 700 m，宽1 300 m，最大高度约2 100 m（包括地表），共划分为475 203个节点和83 727个单元。

计算过程采用Mohr-Coulomb本构模型。边界约束条件为：模型四周约束水平位移，模型底部约束垂直位移，上部地表为自由表面，模型主要考虑角闪岩及混合片麻岩物理力学参数（见表1）。

2.3 计算方案

根据矿山由上向下逐个中段开采的顺序，目前主要开采对象为新1号矿体，矿体平均厚度0.71 m，倾角70°～80°，倾向80°～90°，走向350°～360°，位于14勘探线—15勘探线，总体上呈比较规则的单脉产出。浅部240 m～510 m中段采用浅孔留矿采矿法开采并回收了残矿而遗留为采空区，510 m中段以下主要采用削壁充填采矿法开采。矿体模型见图2。

数值模拟分54步计算，首先计算初始应力平衡，之后分别计算各中段采动影响。2～7步计算240 m中段及以上浅部矿体的开采影响;8～14步计算285 m～465 m中段开采1号、2号、新1号、0号矿体的影响;15～18步计算510 m～555 m中段开采1号、2号、新1号矿体的影响;19～54步计算600 m～1 365 m中段开采新1号矿体的影响，同时考虑对采用削壁充填采矿法开采的各中段进行充填模拟。除0 m～240 m各中段高度为40 m外，其他中段高度皆为45 m，中段分布情况见图2。

2.4 地表影响分析

通过对模拟计算结果的分析，发现二道沟矿地表移动变形值未达到移动角边界界定值，不能划定传统定义的移动角;最大下沉值不到8 mm，也未达到传统边界角的划定边界（10 mm），同样不能划定传统意义的边界角。

为了直观描述矿山地下开采对地表的影响趋势及扩张方向，定义下沉量2 mm为下沉边界来分析。模型计算的二道沟矿开采过程中地表下沉的部分典型等值线见图3～7。

从图3可以看出：240 m中段开采结束时，倾向影响范围约400 m，走向方向约405 m，最大下沉量约6.6 mm。

从图4可以看出：420 m中段开采结束时，倾向影响范围约478 m，走向方向约506 m，最大下沉量约7.4 mm。

从图5～7可以看出：690 m、870 m及1 365 m中段的下沉区规模及下沉量无明显变化，倾向影响范围约603 m，走向方向约601 m，最大下沉量约7.8 mm。

反映各中段开采过程中地表最大下沉量的曲线（见图8）能看出其变化规律。从图8可以看出：明竖井开采阶段（绿色箭头）最大下沉量变化速度较快，进入一盲井开采阶段（蓝色箭头）最大下沉量变化速度趋于缓和，二盲井开采阶段（橙色箭头）基本维持不变。

由于浅部矿体采用浅孔留矿采矿法开采，并回收了残矿，在明竖井段形成采空区，是矿区地表下沉量增加相对较快的时期，地表形成一个似椭圆的下沉区域，但下沉量较小，最大下沉量仅为6 mm左右;在一盲井开采阶段（285 m～690 m中段），由于上部中段仍继续采用浅孔留矿采矿法开采，地表下沉量继续增加，在开采到420 m中段时，地表最大下沉量达到7 mm左右，继续向深部开采，地表下沉量趋于稳定。

3 結 论

1）通过计算分析得知，二道沟矿深井开采对矿山地表影响甚微，地表最大下沉量在420 m中段开采结束时趋于稳定，最大下沉量未超过8 mm，与地表实地踏勘情况相符，不能划定传统意义的边界角，或者说难以用传统意义上的边界角来解释二道沟矿开采与地表移动的关系。

2）由于二道沟矿在420 m中段向下开始采用削壁充填采矿法开采，加之开采深度加深，地下开采对地表的影响越来越小，420 m～1 365 m中段开采过程中，地表最大下沉量没有增加且一直维持在8 mm以下，主要变化在于下沉量2 mm的等值线范围局部扩大，但是对地表影响甚微。这一定程度上说明，对于如二道沟矿这种急倾斜极薄矿脉，其深部开采对地表移动基本无影响。

3）深井开采时地应力增大，地压活动加剧是客观存在的，在采矿生产过程中要加强开采顺序、采准结构、采充工艺的综合协调，防止岩层移动的发展。

[参 考 文 献]

[1] 廖文景，徐必根，李伟明，等.地下金属矿山急倾斜薄矿脉采空区群稳定性研究[C]∥中国冶金矿山企业协会.2010’中国矿业科技大会论文集.北京：中国冶金矿山企业协会，2010：121-123.

[2] 赵海军，马凤山，丁德民，等.急倾斜矿体开采岩体移动规律与变形机理[J].中南大学学报（自然科学版），2009，40（5）：1 423-1 429.

[3] 付俊.金属矿山急倾斜薄矿体开采岩层移动及地表影响研究[D].长沙：长沙矿山研究院，2014.

[4] 赵小稚，徐振军.曹家洼金矿采场围岩稳定性分析[J].地下空间与工程学报，2014，10（2）：486-491.

[5] 祝泽辉，郭佳宁，陈国涛.基于Midas-GTS的矿山开采对地表村庄沉降分析[J].黄金，2017，38（12）：35-38.

[6] 颜荣贵.建筑物下采矿的岩移随机介质理论及其在黄金矿山的应用前景[J].黄金，1992，13（7）：13-16.