铜绿山号矿体上盘断层破碎带对采空区的影响

铜绿山号矿体上盘断层破碎带对采空区的影响

随着露天开采深度的增加，分离开采比例的逐渐增加，露天开采方案越来越不适合矿山的生产要求。近年来，一些金属矿山已开始从户外采矿向内陆开采。露天转地下开采过程有许多难题需要研究解决,应充分考虑地下开采环境的各种因素,才能正确指导现场施工,保证采矿作业的安全。岩体中的断层,由于强度低、隔水性差,通常导致工程作业条件恶化,使其一直以来成为边坡工程及地下工程重点考虑的危害因素之一。国内外许多学者致力于岩体断裂构造的研究,取得了许多富有成效的研究成果:谢和平等研究工程体-地质体相互作用的接触面变形破坏特征,王来贵等研究雁列式断层拉张破裂特性,王学滨研究断层-围岩系统的形成过程,王金安等用数值模拟方法研究临近断层开采动力危险区的划分方法,均得到较好的工程应用。近年来,随着计算机技术的快速发展,数值方法已经成为现代工程技术分析、计算、预测工程稳定性、可靠性的重要手段。国内外众多学者将数值方法应用到断层对地下工程影响的研究之中,其中不乏关于采用数值方法研究断层对露天转地下开采工艺影响的内容:南世卿等在石人沟铁矿露天转地下开采的研究中,采用RFPA数值方法分析断层影响下境界矿柱的稳定性,为地下采矿工艺参数的选择提供了有力的依据。众多数值方法之中,在采矿与岩土工程领域里,FLAC3D数值方法受到国内外的广泛认可和应用:林杭等采用FLAC3D分析位移突变判据中监测点的位置和位移方式,王生俊等采用FLAC3D数值方法计算高速公路下伏采空区剩余沉降量,王熙忠等采用FLAC3D分析露天矿滑坡机理,分析结果与现场实际情况较为吻合。鉴于此,笔者针对铜绿山矿Ⅰ号矿体露天转地下开采的实际情况,采用FLAC3D数值方法模拟矿体上盘断层破碎带对地下采空区的影响,为施工设计提供依据和指导。1矿体及地质环境铜绿山铜铁矿是湖北大冶有色金属公司属下的一个大型主体铜金属矿山,也是全国重点铜基地之一。该矿为一接触交代矿床,矿石品位高、储量大、远景好,主要伴生铁金属元素,还伴有金、银等经济价值较高的元素。全矿区共有12个矿体,其中主矿体4个,分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ号矿体,其中Ⅰ、Ⅱ号矿体为露天开采,Ⅲ、Ⅳ号为地下开采。本文露天转地下开采的研究对象为Ⅰ号矿体深部残矿。铜绿山矿露天南坑开采对象为Ⅰ、Ⅱ号矿体,原设计开采深度-185m,其中上部的Ⅱ号矿体已采完,Ⅰ号矿体大概实际开采至-187m。由于深部开采难度大、效率低,加上汛期影响,露天南坑开采于2005年结束,闭坑实际标高-187m,闭坑时坑底面积约1400m2,汇水面积约45.8万m2,露天坑边缘平均标高约+40m。图1为矿山12#勘探线剖面示意图。露天南坑闭坑后,Ⅰ号矿体仍有深部残矿,分布在10～16线、-187～-425m标高间,大部分赋存于-275m以上;矿体厚度5～35m,若与相邻矿体合采,厚度可达约40m;矿体走向长度110m,倾角60°～80°。矿石储量约26.15万t,金属量Cu为3280t、Fe为10.13万t,具有较高的回收价值。矿体上盘为斜长石岩、矽卡岩,稳固性较差;下盘及矿体多为大理岩,中等稳固;北端上盘受一断层影响,断层破碎带平均厚度约4m,断层贯穿露天坑,强度低,可能导水,对残矿的安全回收影响较大。南坑闭坑后作为北露天坑采矿的排土场,由于未能及时排水,南坑积蓄大量水体,积水深度可达40m,积水与回填土混合,使回填土底层形成泥沙,强度较低。回填土上表面历史最大标高为-113m(即露天南坑内回填土厚度已达74m)。2flac3d值的模拟2.1日分析程序简介FLAC3D是美国ITASCA咨询集团公司开发的三维快速拉格朗日分析程序,是二维有限差分程序FLAC2D的扩展,能够进行岩石、土质和其他材料在达到屈服极限后经历塑性变形的三维空间行为分析,为采矿岩土工程领域求解三维问题提供了一种理想的分析工具。2.2模型的建立和求解(1)根据矿体赋存条件,分别建立2个矿体开挖环境的FLAC3D模型,一为实际模型,即有断层模型,二为无断层模型。(2)赋予模型材料力学参数,运算求解,生成模型初始应力场。(3)分别对2个模型采用同一种开挖方式。(4)对2个模型的开挖结果进行比较,总结断层对开挖过程的影响。2.3地质模型建立经矿山初步研究,决定垂直于12#勘探线布置2个采场,由于采场跨度相对于采场长度要短很多,故可取12#勘探线所切剖面建立模型,采场走向方向取1m作为模型厚度,将三维模型转化为二维模型进行研究。估计Ⅰ号矿体深部残矿全部回采将历时4年,回采期间露天北坑继续向南坑填土,预计4年间露天坑回填土加高约70m,故模型考虑露天坑内回填土厚度150m。模型高度268m,宽度300m。模型如图2所示。2.4初始应力场生成将模型定义为摩尔-库仑模型,赋予材料力学参数,加重力,固定边界,设力不平衡比率为5×10-7,用solve求解至平衡,可生成模型的初始应力场,如图3所示。有关计算的材料力学参数如表1所示。2.5挖掘模拟2.5.1采场开挖步距及顶柱厚度模拟Ⅰ号矿体深部残矿赋存条件较为恶劣,为确保安全,决定采用上向分层胶结充填采矿法,分层高度3m,两采一充,控顶高度6m。垂直于12#勘探线布置2个采场,采场跨度控制在16m左右,2采场之间保留厚度为5m的条带矿柱(称立柱),用于支撑顶板。如图4所示。模拟6个连续的开挖步距:开挖第一步采空区顶柱厚度28m;之后充填3m,接着上采3m,又形成6m高的空区,顶柱厚25m;照此类推,采场空区以3m一步往上移动,直到顶柱厚度变为13m。以顶柱厚度h=28～13m作为研究对象,是因为大量的国内外露天转地下的矿山,境界矿柱厚度为15～30m。研究该范围内断层对采空区的影响具有较大意义。2.5.2顶板垂向位移量监测为便于对模拟结果进行分析比较,在模拟过程中,选择以下关键点(参见图4)及其相关参数进行监测:(1)监测2采场顶板10个点及立柱顶部中点(1#～11#监测点)垂向位移量(以下简称位移量),用history命令将各点的位移量记录到表格中,以便精确读取;(2)监测1#采场左帮中点、立柱中心及2#采场右帮中点(12#～14#监测点)铅垂方向压应力(以下简称压应力),用history命令记录其精确值。2.6挖掘模拟结果分析所有开挖模拟过程均设力不平衡比率为5×10-7,用solve求解至平衡,分析比较运算至平衡时空区围岩的位移及受力情况。(1)无断层体模型的计算从表2数据可以看出,有断层模型各监测点的压应力均比无断层模型各监测点的压应力大,增大值为0.01～0.45MPa。图5显示了h=22m时2种模型立柱中心单元的压应力值(为便于比较,仅显示了铅垂方向压应力为19.6～20.33MPa范围的单元),从图中可看出,在无断层模型中,立柱中心单元的压应力为19.8～19.9MPa,在有断层模型中,立柱中心单元体的压应力为20.3～20.33MPa,断层使压应力增大约0.45MPa。为解释断层导致各监测点压应力增大的原因,将采空区围岩及矿体上下盘岩体简化成为一个由杆件组成的力学系统,如图6所示。图6是将空区围岩简化后形成的一个简单的力学系统,矿体上下盘岩体的整体性形成的力学系统有助于采空区围岩受力的稳定性,帮助采场顶板及边帮承担一部分上部压力。断层降低了矿体上盘岩体的整体性和连续性,使矿体上盘岩体形成的力学系统功能降低,无法分担空区顶板的压力,这部分压力由采场两帮及立柱来承担。因此,有断层模型各监测点的压应力大于无断层模型各监测点的压应力。(2)顶柱厚度对顶柱内顶板的影响从统计(有断层及无断层模型开挖模拟运算至平衡时各监测点的位移量情况统计从略)数据可以看出,几乎所有的监测点,在有断层模型中的位移量均大于在无断层模型中的位移量。一些在有断层模型中位移量反而减小(表中带下划线数据)的监测点(2#,3#,4#监测点)均位于1#采场顶板上,2#采场顶板及立柱顶部的监测点,在有断层模型中的位移量明显增大,这说明断层不仅对2采场顶板位移量产生较大影响,而且对个采场的影响效果还有较大差别。为深入分析断层对2采场的不同影响,笔者将2采场顶板简化为1根杆件,该杆件上有11个监测点,将表3中各监测点的位移量反映到杆件的变形上。为能够明显地看出断层的影响效果,将各监测点的位移量放大500倍,如图7所示。从图7可以看出,当顶柱厚度较大时,断层对1#采场几乎不产生影响,对2#采场的影响较大,而且对2#采场顶板位移量的影响是从左向右逐渐增大,表现为2#采场顶板绕着立柱顶部旋转。图8显示了h=28m时2种模型中空区顶板下沉情况(为便于对比,将各点下沉量放大150倍显示),从图上可以看出,断层主要影响的区域为2#采场顶板,2#采场顶板向右倾斜的程度,在有断层模型中大于无断层模型(在无断层模型中空区顶板本身也向右倾斜,是因为上盘岩体强度低于下盘岩体),而1#采场的顶板几乎没有变化,说明断层导致了2#采场顶板绕立柱顶部旋转。从图7还可看出,当顶柱厚度较大时,立柱起到“跷跷板支点”的作用:2#采场顶板下沉,1#采场顶板略微抬高,这就是1#采场顶板部分监测点的位移量在有断层模型中反而减小的原因。观察图7可发现,随着顶柱厚度的不断减小,从h=16m开始,断层逐渐对1#采场顶板产生影响,立柱逐渐失去“跷跷板支点”的作用,断层对2#采场顶板影响较大的位置逐渐向左转移。在断层的作用下,2个采场顶板下沉量均增大,而且增大值从1#采场往2#采场方向逐渐增大,表现为2个采场的顶板绕着1#采场左帮顶部旋转。图9显示了h=13m时2种模型中空区顶板下沉情况(为便于对比,将各点下沉量放大110倍显示)。从图上可以看出,断层均导致2采场顶板的下沉量增大,观察2采场顶板的倾斜程度,有断层模型中1#采场右端变扁,2#采场整体变扁,2采场顶板表现为绕1#采场左帮顶部旋转。3断层和顶柱厚度对顶柱旋转的影响本为采用FLAC3D分别建立无断层模型及有断层模型,对两种模型采用同一种开挖方式。通过对连续6个开挖步距进行模拟,模拟过程监测关键点的应力值及空区顶板位移量,对模拟结果进行应力及位移两方面的比较,得出如下结论:(1)断层降低了矿体上盘岩体的整体性和连续性,使空区两帮的压应力增大0.01～0.45MPa。(2)顶柱厚度较大时,断层对1#采场几乎不产生影响,对2#采场影响较