金属矿山崩落法开采岩层移动规律的研究,是一项采矿界极为关注但仍未解决的课题。随着开采深度的增加,影响岩层移动的因素不断增多,采动岩层的变形破坏机制也变得更加复杂,常常导致采区地表移动超过设计范围,给矿山的安全生产带来隐患。因此,揭示复杂开采条件下崩落法回采岩层移动规律,是提高矿山开采设计的可靠性、避免产生矿山开采地质灾害的重要基础。本文以“程潮铁矿地表变形监测与预测”项目和“称潮铁矿西区变形机理研究”项目为依托,采用工程地质分析、现场高精度三维立体监测、现场地表变形特征观测和地质力学方法等多种手段和方法,对崩落法开采的典型矿山—程潮铁矿程潮铁矿地下开采引起岩层移动机理展开了专题研究。主要研究内容包括:
⑴从工程地质的角度来看,矿体下盘花岗岩体中,主要有NNE向断层和NNW向断层两组断层,四组节理面,其中NWW向节理也是控制性结构面,与矿体、程潮大断裂的走向一致,倾向南南西,陡倾角;矿区存在较强的构造应力场,地应力以近东西向的近水平主压应力为主,-290m处主压应力为18.63MPa,方位角接近东西向,竖向应力为9.0MPa,南北向主应力与竖向应力相等。
⑵从地表裂缝的观测情况来看,东西区地表裂缝、西风井和东主井地下平硐裂缝以及西风井和东主井井筒裂缝主要是受NWW向节理控制的。
⑶从地表变形监测的情况来看,选矿车间、新副井、石家湾和拦洪坝区域的北侧处于变形的边界区域,累计变形值对随时间的增长呈波动型,不出现裂缝;措施井处于马鞍型的变形区域,变形暂时的趋势是稳定的,但是随着东西西区的联通,采矿对措施井的影响越来越大;运输隧道西北侧、拦洪坝南侧属于变形较小区域,累计变形值对随时间的增长呈直线型,地表混凝土构筑物出现张裂缝,并且裂缝宽度和延展度都很小;运输运输隧道东南侧属于变形较大区域,累计变形值对随时间的增长呈s型,地表出现张裂缝,并且裂缝宽度和延展度都较小;矿区公路靠近原杨家境储矿场段、原杨家境储矿场属于属于变形最大区域,累计变形值对随时间的增长呈折线型,地表出现错动裂缝,并且裂缝宽度和延展度都很大;位于变形区域中心的即为矿区的塌坑中心;从深部岩体变形监测成果和地下平巷的裂缝情况来看,地下岩体的分区特征也十分明显。
⑷程潮铁矿从起采至今,岩层移动分为两个阶段,初始阶段水平地应力未完全释放,地质构造对于地表变形的影响较小;第二阶段水平地应力完全释放,地质构造对于地表变形和地质灾害起控制作用,这两个阶段以矿体顶板岩体破坏是否延伸到地表作为分界。
⑸程潮铁矿变形第一阶段,采矿对地表变形影响较小;变形第二阶段的深部岩层移动机理为采矿引起采空区上方竖向筒型塌陷扩展到地表后,两侧岩体的侧向地应力减小,引起由NWW向节理切割而成的悬臂梁发生倾倒型弯曲折裂变形和破坏,从而形成程潮铁矿深部岩体的四区——破裂岩体区、破裂过渡带、变形区和未扰动岩体区的形成原因。
⑹结合地表测点的变形特征、深部岩体变形机理以及地表裂缝的产生过程,将程潮铁矿地表变形区域分为四个区域:变形累积区、裂缝产生区、裂缝闭合区和裂缝扩展区。并分析了地表变形四区的变形特征。并得出了地表四区与传统移动线和陷落线之间的关系为:移动线以外为变形累积区,移动线和陷落线之间的区域为裂缝产生区,陷落线以内为裂缝闭合区和裂缝扩展区。深部岩体四区随着时间会不断向下延伸,地表变形四区随着时间会不断向外扩展,这是深部岩体变形不断向下扩展在地表上的体现。
⑺在变形区域分区的基础上,采用傅里叶拟合、灰色模型和改进灰色模型对各个分区内的测点2012年以来的变形进行预测,并与实测值对比,发现傅里叶预测变形累区具有较高的准确性、灰色模型预测裂缝产生区和裂缝闭合区变形具有较高的准确性,改进灰色模型在预测裂缝扩展区具有较高的准确性,并建立了程潮铁矿矿区中短期预测的一般方法。