馬坑鐵礦1.25地表塌陷事故原因分析*

董軍庭（福建馬坑礦業股份有限公司，福建 龍巖 364021）

馬坑鐵礦1.25地表塌陷事故原因分析*

董軍庭
（福建馬坑礦業股份有限公司，福建 龍巖 364021）

為探明馬坑鐵礦1.25地表塌陷事故原因，結合IV塊段開采現狀和礦區上部可能發生的盜采情況，采用數值模擬的方法分別對無盜采和有盜采開采情況進行了模擬分析。研究表明無盜采條件下，自242m分段開采完成至IV塊段200m以上礦體全部開采完成后，塑性區分布最大高程均未超過300m水平，與只需在+292m水平以下塌方量足以充填滿+242m水平及以上空區的理論計算結果一致，現有開采不至于引起地表大面積塌陷；有盜采時，根據當前盜采位置及盜采規模的假定及其模擬計算，盜采空區主體位置位于76線至77線間，高程位于330～350m區域，盜采采高超過40m以上。研究成果為下一步工作部署提供了重要依據。

馬坑鐵礦；地表塌陷；FLAC3D；塑性破壞；地壓顯現

1 引言

地下礦床開采擾動及大量空區存在，必然對上覆巖層穩定狀態產生影響，甚至引起地表塌陷等地質災害發生［1-3］。2014年1月25日上午11:00左右，福建馬坑礦業75～76勘探線區域之間出現大面積坍塌，塌陷面積高達18395.5m2，南北走向長132.7m，東西寬159.4m；造成地表開裂，邊坡下滑，局部地表有下沉現象，地表最大下沉量約5～6m。通過現場勘查，塌陷區位于IV塊段+272m、+257m、+242m等分段采場上部，+257-207-2#采場1#進路有似溶洞充填物泥及石頭涌至原+257m采區變口部，+242m分段+207-1、+207-2#各進路迎頭被崩落礦石堆滿，無法觀察其采空區情況，+272m分段的采場也是因為運輸巷口部堆滿礦石，所以無法觀測采空區的影響情況，故從目前現場情況看無法準確預計此次塌陷具體的影響范圍。

為進一步弄清誘發地表塌陷的根本因素，本文結合IV塊段開采現狀和礦區上部可能發生的盜采情況，采用FLAC3D有限差分數值模擬方法對地表塌陷的原因、盜采影響范圍等進行分析，為下一步工作部署提供參考。

2 方案設計與計算模型

根據計算精度與計算機計算能力的要求，對計算模型進行必要簡化的同時，計算模型中考慮了礦巖、礦柱、大理巖化灰巖、F2斷層等實體，采用加密單元辦法對斷層、礦柱、礦房及其周邊巖體進行了單元加密處理，以盡可能提高計算精度。考慮邊界效應后的計算模型取如圖1所示，為了數據準備以及處理方便起見，自定義坐標系XYZ之原點取在地理坐標（39508325.82，2766000，100）處，即X方向由70線附近到80線附近共1000m，Y方向由F2下盤到上盤共820m，Z方向由100m到地表約605m高，XY平面為水平面，Z軸垂直向上。離散后的計算模型四面體單元數為659528個，節點數112974個。如圖2所示為離散后計算模型三維立體圖。

圖1 計算模型范圍選取示意圖

因計算模型考慮了足夠的邊界效應，模型底面和四周均受鏈桿約束，頂面受荷載約束，即X軸（沿礦體走向方向）邊界限制X方向變形；Y軸（垂直礦體走向即勘探線方向）邊界限制Y方向的變形；Z軸（鉛垂方向即深度方向）下邊界限制Z方向位移，上邊界地表為自由面。

圖2 離散后計算模型三維立體圖

為模擬誘發地表塌陷的根本因素，本次模擬設計了Pro1～Pro6共6套計算方案，其中Pro1為僅IV塊段開采對地表的影響，工況1～工況4各開采范圍分別為242m分段、228m分段、214m分段和205m分段；Pro2～Pro6為盜采方案，盜采水平高程分別為300m、350m、400m、450m和480m，采高均為40m。盜采模擬時，IV塊段僅開采到228m水平，即只開采2個工況。方案計算結合馬坑鐵礦IV塊段開采現狀和礦區上部可能發生的盜采情況，采用數值模擬的方法對地表塌陷的原因、盜采影響范圍等進行分析，為下一步工作部署提供參考。

根據礦區巖石性質及其組成，本次模擬計算中選用Mohr-Coulomb破壞準則［4］來進行模擬。巖體計算參數結合前期現場坑道調查和室內巖石力學試驗結果，采用工程化處理后的參數如表1所示，斷層參數參照現場調查及相關文獻［5-6］，根據經驗取值。

表1 巖體物理力學計算參數

3 無盜采開采覆巖體地壓顯現特性分析

根據計算方案，Pro1為無盜采開采條件下，僅IV塊段開采對地表的影響模擬計算，工況1～工況4各開采范圍分別為242m分段、228m分段、214m分段和205m分段。根據不同開挖步計算結果，分析無盜采條件下僅IV塊段開采空區形成過程中對頂板覆巖體及地表的應力與變形變化規律，從而明確IV塊段開采對本次地表塌陷事故的貢獻程度與潛在關系。本文限于篇幅，僅對空區形成過程中塑性區分布情況進行分析。

塑性區分布可直接反映巖體破壞位置及程度，塑性區體積對于了解巖體破壞情況和加固設計具有較好指導作用。本文結合自主編寫的FLAC3D計算塑性區體積程序，得到不同工況塑性區體積方案對比統計結果如圖3所示。

圖3 不同工況塑性區體積關系曲線

塑性區分布具有如下特點：

（1）由圖3所示可知，隨著開挖的不斷進行，當前剪切破壞的塑性區體積處于上升趨勢，由工況1的5.2698萬m3上升到工況4的71.809萬m3。當前拉伸破壞tension-n的塑性區體積相比較，其先前亦呈現上升趨勢，由工況1的770.6m3上升到工況3的3.6804萬m3，隨后塑性區體積下降，至第4工況完成后，tension-n的塑性區體積為2.6441 萬m3。

（2）圖4～圖6所示為各工況不同剖面塑性區分布對比圖，礦體開采導致采場周邊出現塑性分布區域，大多分布于采場頂板及礦體頂板的隅角處。從應力場角度分析，采場隅角處的圍巖由于壓應力、剪切應力過于集中，剪切應力大于巖體自身的剪切應力，使圍巖進入塑性狀態；而采場頂板塑性狀態大多是由于受到較大的拉應力產生的，礦柱的存在及完好對保護采場具有相當大的作用。隨著開采水平的下沿，即工況的增大，各剖面塑性區分布面積逐步擴大，至工況4即IV塊段200m以上礦體全部開采完成的空場情況下，塑性區分布面積最大，但空區頂板覆巖體塑性區分布并未貫通至地表，而是離地表仍有很大距離。

圖4 沿走向76線橫剖面工況4塑性區分布

圖5 沿走向縱剖面工況4塑性區分布圖

圖6 242m水平剖面工況4塑性區分布圖

（3）隨著開采水平的下沿，即工況的增大，采場周邊塑性區分布范圍逐步擴大，但因采場跨度不變和礦柱等因素作用，空區頂板覆巖體塑性區分布最大高程變化不明顯，自工況1即242m分段開采完成至工況4即IV塊段200m以上礦體全部開采完成的空場情況下，塑性區分布最大高程均未超過300m水平，離地表仍有近300m的覆巖體。

（4）根據生產技術部數據及理論計算，措施豎井IV塊段+272m、+257m、+242m共計采出礦石量53.2萬t，按照3.5t/m3比重計算，產生空區體積約為15.2m3。地表塌陷事故發生時，+242m分段空區面積約為7023m2，根據礦體邊界上盤錯動角60°，下盤和端部錯動角65°，計算+292m水平塌陷面積為19555m2。根據理論計算得出+242m至+292m塌陷區體積為63.8萬m3，塌方量共計48.6萬m3，按照松散系數1.4計算，+242m 至+292m水平塌方量可充填68萬m3空區。故可以得出，若是IV塊段+242m水平及以上空區塌方，只需在+292m水平的以下塌方量足以充填滿+242m水平及以上空區，就不至于引起地表大面積塌陷。

4 有盜采開采覆巖體地壓顯現特性分析

根據計算方案，Pro2～Pro6為結合馬坑鐵礦IV塊段開采現狀，模擬不同盜采開采的地壓顯現規律。盜采水平高程分別為300m、350m、400m、450m 和480m，采高均為40m。盜采模擬時，IV塊段僅開采到228m水平，即只開采2個工況。根據不同開挖步計算結果，分析有盜采條件下開采空區形成過程中對頂板覆巖體及地表的應力與變形變化規律，從而探討IV塊段開采現狀條件下礦區上部可能發生盜采開采對本次地表塌陷事故的貢獻程度、盜采影響范圍等，從而揭示1.25地表塌陷的根本誘因。本文限于篇幅，僅對空區形成過程中塑性區分布情況進行分析。

塑性區分布可直接反映巖體破壞位置及程度，塑性區體積對于了解巖體破壞情況和加固設計具有較好指導作用。本文結合自主編寫的FLAC3D計算塑性區體積程序，得到不同工況塑性區體積方案對比統計結果如圖7所示。

圖7 不同工況塑性區體積關系曲線

塑性區分布具有如下特點：

（1）由圖7所示可知，隨著盜采區域的擴大，塑性區體積不斷增加。當前剪切破壞的塑性區體積處于上升趨勢，Pro2和Pro3至工況4開采完成后，shear-n的塑性區體積分別為176.95萬m3和134.39 萬m3，tension-n的塑性區體積分別為4.4096萬m3和6.2467萬m3，shear-p的塑性區體積分別為431.5萬m3和292.76萬m3，tension-p的塑性區體積分別為49.448萬m3和40.343萬m3。Pro2和Pro3的塑性區分布體積明顯高于Pro4～Pro6，可能與Pro2和Pro3鄰近IV塊段、F2斷層等工程擾動及復雜地質環境相關。

（2）圖8～圖9所示為各工況不同剖面塑性區分布方案對比圖，礦體開采導致采場周邊出現塑性分布區域，大多分布于采場頂板及礦體頂板的隅角處。根據模擬方案計算結果，盜采位置離IV塊段越近、盜采工況越高，越容易與242m以上空區塑性貫通；方案號越大，離地表越近，盜采對地表的影響越大，塑性面積越大。

圖8 沿走向76線橫剖面塑性區分布方案對比圖

圖9 沿走向縱剖面塑性區分布方案對比圖

5 結論

為弄清誘發地表塌陷的根本因素，本文結合馬坑鐵礦IV塊段開采現狀和礦區上部可能發生的盜采情況，采用數值模擬的方法對地表塌陷的原因、盜采影響范圍等進行了分析，取得如下研究成果：

（1）隨著IV塊段開采水平的下沿，采場周邊塑性區分布范圍逐步擴大，但因采場跨度不變和礦柱等因素作用，空區頂板覆巖體塑性區分布最大高程變化不明顯，自242m分段開采完成至IV塊段200m以上礦體全部開采完成的空場情況下，塑性區分布最大高程均未超過300m水平，即空區頂板覆巖體塑性區分布無法貫通至地表。

（2）根據生產技術部數據及理論計算，措施豎井IV塊段+272m、+257m、+242m共計采出礦石量53.2萬t，按照3.5t/m3比重計算，產生空區體積約為15.2m3。地表塌陷事故發生時，+242m分段空區面積約為7023m2，根據理論計算+242m至+292m塌陷區體積為63.8萬m3，塌方量共計48.6 萬m3，按照松散系數1.4計算，+242m至+292m水平塌方量可充填68萬m3空區。因此，若是IV塊段+242m水平及以上空區塌方，只需在+292m水平的以下塌方量足以充填滿+242m水平及以上空區，不至于引起地表大面積塌陷。

（3）根據5個盜采模擬方案計算結果，盜采位置離IV塊段越近、盜采工況越高，越容易與242m以上空區塑性貫通；盜采空區離地表越近，盜采對地表的影響越大，塑性分布面積越大。Pro2和Pro3的塑性區分布體積明顯高于Pro4～Pro6，可能與Pro2和Pro3鄰近IV塊段、F2斷層等工程擾動及復雜地質環境相關。

（4）因無任何盜采數據資料，根據當前盜采位置及盜采規模的假定及其模擬計算，盜采空區主體位置應該位于76線至77線間，高程位于330～350m區域。已模擬計算的盜采高度為40m，但未發現盜采空區周邊塑性破壞區域分布同時貫通地表和IV塊段242m以上空區，因此盜采采高應該超過40m以上。

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Accident Cause Analysis of Surface Subsidence on January 25 at Makeng Iron Mine

DONG Jun-ting
（Fujian Makeng Mining CO., Ltd., Longyan 364021, Fujian, China）

In order to explore the accident cause of surface subsidence on January 25 in Makeng Iron Mine, combining with the present mining situation of block segment IV and the possibility of illegal mining in the upper part of mining area, mining situation was analyzed based on the numerical simulation respectively, including normal mining and illegal mining. The research shows that on normal mining conditions, after completing all the ore body from 242m to above 200 in block segment IV, plastic area distribution has not been the maximum elevation of more than 300m level. It is consistent with the theoretical results that collapse amount only at the level below +292m is enough to fill the goaf at the level of +242m and above. The existing mining is less likely to cause large area ground subsidence. Nevertheless, on illegal mining conditions, according to the current location of illegal mining, scale assumption and its numerical simulation, the main body position of stolen goaf is in between line 76 and line 77. The elevation is located at 330m-350m and stolen tsetse is more than 40m high. Research results can provide an important basis for the next step of work deployment.

Makeng Iron Mine；surface subsidence；FLAC3D；plastic failure；underground pressure

TD73；TD77+1

A

1009-3842（2015）03-0048-05

2014-12-24

國家自然科學基金資助項目(51004007)

董軍庭（1981-），男，陜西咸陽人，大學本科，工程師，主要從事采礦工程技術與管理等方面的研究工作。E-mail: 584944752@qq.com