基于监测数据的陡倾结构金属矿山下盘岩层移动机制研究

基于监测数据的陡倾结构金属矿山下盘岩层移动机制研究

马俊

新疆安壹健鑫建设工程有限责任公司 65412519870228****

摘要：我国资源辽阔，分布着很多金属矿山，对深部金属矿体开采的方法有很多种，分段崩落法是最为常用的方法之一。但是随着采矿的进行，采空区周围岩体的原始应力平衡状态被破坏，会使岩层移动变形，地下巷道发生破坏，并在地表形成大规模塌陷、开裂和沉降，这些变形会对地表和地下的建构筑物产生一定程度的破坏。这不仅影响地下采矿安全，还威胁到地表生产设施及周边居民的生活。由于金属矿一般是岩浆入侵交代变质成矿，多赋存于构造活动发育的山区，岩层结构复杂，节理裂隙发育，加上断层和地下水的影响，另有矿体的赋存情况的差异性，这些给金属矿山岩层移动机制的研究带来不便。许多国内外学者针对金属矿山岩层移动进行了大量的研究。

关键词：监测数据；陡倾结构；金属矿山；

引言

科学的采矿技术直接决定了矿山企业的经济效益，影响着矿山企业的安全、高产。由于金属矿山建设环境复杂，矿山环境恶劣，现阶段需要深入分析影响采矿质量的诸多因素，并选择合适的采矿方法，以避免建筑进度的延误或金属矿产资源浪费。

1金属矿山面临的挑战

当前，我国金属矿山发展过程中面临着多方面的挑战和问题，突出表现在以下几个方面。（1）金属矿山普遍存在生产中段较多、采场分散、环境较差、采掘工艺复杂、环节多、生产设备复杂多样、生产成本逐步升高等情况，给矿山安全高效生产带来难题。经过多年的开采，资源枯竭是许多矿山面临的问题，将不得不进行地下深井探矿和采矿，而深部开采带来的安全管理压力会逐渐增大。（2）随着国家对环境保护与生态文明建设要求愈来愈严，给矿山企业带来的压力也随之增加。党的“十八大”明确了建设生态文明这一宏伟目标，对矿山环境保护工作和矿山可持续性发展提出了更高的要求，迫切需要转变传统矿山生产建设理念。（3）多年的人口政策和社会经济快速发展的影响，“人口红利”的优势已经消失。几十年来，我国矿山企业建设获得了长足进步，完成了低端的发展。而随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，矿山企业逐渐面临人才队伍建设的困难，主要表现为招工困难、人才队伍老龄化严重、人员的技术层次低、人才专业结构不合理、高级技工比例偏低、人才流失严重。矿山传统的粗放型发展模式逐步将成为过去，其带来的高投入、高消耗、高成本和高污染发展模式也将随着社会进步和经济政策的完善而成为历史。面对严峻的挑战，矿山企业的当务之急是做好数字化转型，在这个过程中矿山企业要抓住机遇对各要素进行升级，做好安全生产标准化、自动化、智能化和立体化管控工作。

2下盘变形特征

2.1地表裂缝及建筑物裂缝

在塌坑未形成之前，地表开始出现裂缝，且大多裂缝走向与塌坑边界平行，随后在这些裂缝处发生塌陷。随着地表塌坑的出现，地表移动变形较大，在距离塌坑较远处产生了大量的裂缝。由于地表的移动，使建构筑物上产生裂缝，可以发现，裂缝主要出现在建筑物两端，主要为斜裂缝。斜裂缝在立面的走向大多为裂缝高的一侧靠近地面变形较大的一侧。房屋建筑的斜裂缝产生的原因是由于地表移动变形引起的房屋地基不均匀沉降，地基沉降较大的一侧靠近地表变形大的一侧。

2.2下盘地表岩层移动规律

根据规范要求，确定地表移动线的变形阈值是砖混结构不需要维修或简单维修即可使用时地表变形，确定陷落线的变形阈值是需要中修才能继续使用时地表变形，地表变形包括水平变形、倾斜和曲率。由前面的研究可知，水平变形在下盘的岩层移动中起控制作用。随着采矿的不断深入，由于受陡倾结构面引起的岩层移动不断向外扩展的影响，移动角和陷落角都不断变小，且陷落角始终大于移动角5°～10°。但采矿边界对移动角和陷落角的影响很大，应结合采矿进度和矿体倾向，同时充分考虑地下和地表变形，来研究移动角和陷落角的大小。

2.3下盘岩层移动机制

由于崩落的碎石对临空面岩柱起到了侧向支撑的作用，对岩柱产生了一个抗倾覆力矩。另外，临空面处的碎石堆积体高度未知，且构造应力释放程度不明分布较复杂，本次计算未考虑。经分析可知，构造应力产生的倾覆力矩大于碎石堆积体产生的抗倾覆力矩。根据地下破坏和地表破坏情况，结合岩性分布和结构面产状，得出下盘岩层移动机制。受开采影响，使得靠近采空区侧的岩柱水平构造应力释放，造成两侧压力不平衡。由于矿体临近断层，采矿活动使断层受到扰动发生滑移。矿体周边岩体为较破碎的石英闪长岩，陡倾结构形成的岩柱在水平构造应力和断层滑移的作用下，当达到抗拉强度后，岩柱开始发生倾倒破坏。受断层滑移及上覆岩层的自重荷载的作用，使部分顶板岩体首先发生冒落破坏，冒落的岩体落入采空区。这些冒落的岩体对临空面的岩柱起到一个“压脚”的作用，产生一个抗倾覆力矩，延缓岩柱破坏的时间。

3金属矿山开采方法

3.1露天陡帮开采

露天矿理论来源于前苏联学者，他们主要控制着暂时不活动的台阶数，缩短了不活动台阶的宽度，从而减小了控制岩石开采上台阶的宽度，从而增加了岩石开采工作的角度。调整矿山边界开采与岩石开采的比例，平衡阿布拉比的生产。具有采石量少、投资少、资本期限短、生产较早、生产速度快等优点。

3.2充填采矿法

在金属矿物开采过程中，原矿区很可能会因为围岩塌陷而倒塌。目前，需要使用充填方法，以填满充填材料周围的岩石，以防止矿区塌陷，从而保证采矿过程的安全和效率。此方法可有效地应用于采矿条件相对复杂的某些矿物实例，如外部水源、火灾、交通和其他因素严重干扰的区域，并有助于减少对环境的污染。根据填充材料的运输方式和材料，填充方式有三种。一种是干法填充，使用的填充材料通常是沙和手指材料，但成本高，操作复杂。另一种是液压灌装，主要是将灌装物混合在水中形成塑料，然后将灌装物泵入采空区。冷冻后，光线较高，安全性也较好。第三种是水泥填充物，用于混合破碎的岩石、沙子、石灰和水泥，然后用管道将它们运至矿区。这是一种常用的方法，效率更高，使用更方便。

结束语

根据地表地下现场破坏调查，地表监测数据及理论分析，对金山店铁矿东区下盘岩层移动进行研究，得出以下结论：(1)下盘巷道的破坏主要受采矿引起的F1断层滑移影响，进而诱发了陡倾结构岩体向采空区侧发生倾倒破坏。地表裂缝走向与结构面走向基本一致，这是由于陡倾结构岩层移动变形的作用，在较软弱的陡倾结构面处发生张拉破坏而形成。(2)地下的变形破坏是由深部逐渐传递至地表的，当地表水平位移速度大于1mm/d时，水平位移为26～45cm时，地表张拉裂缝开始出现。(3)提出了围岩变形破坏的弯曲倾倒悬臂梁理论分析模型，围岩破坏的机制为开采诱发F1断层滑移引起陡倾结构岩柱弯曲倾倒破坏，各柱体破坏贯通并沿着破坏面滑移。(4)采矿初期移动角和陷落角随着采矿的深入逐渐变小，且陷落角比移动角大约5°～10°。设计的移动范围明显小于监测的移动范围(设计的移动角大于监测所得的移动角约10°)，原因是矿区特殊的岩层移动机制造成，建议将设计的移动角减去10°使用。

参考文献

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