小汪溝鐵礦采空區冒落進程控制及監測技術研究

劉 娜 任鳳玉 張東杰

(東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819)

小汪溝鐵礦深部采區應用無底柱分段崩落法開采，分段高度15 m，進路間距18 m，首采分段位于+60 m水平，該分段自2011年3月開始回采，到目前為止，已經回采至0 m分段水平。隨著開采的進行，在井下形成了大規模連續的采空區，而現今正在使用的地面運輸礦巖的道路與露天炸藥暫存庫均位于采空區之上，深受空區頂板冒落的威脅[1-3]。目前在所形成的塌陷坑周圍(近道路一側)已經可以觀測到明顯的斷裂線，見圖1所示。

為保障道路使用安全，礦山決定向塌陷坑充填廢石，借助充填料的側向壓力來限制塌陷坑的進一步擴張[4-5]，從而保護道路不受破壞。本研究采用數值模擬手段預測了深部采空區上覆巖體冒透地表并出現塌陷坑的時間，同時進一步模擬分析了向塌陷坑充填散體對邊壁巖體穩定性的影響；隨后，結合現場實際鉆孔監測對井下空區上覆巖體的冒落跡象進行實時監測觀察，以此來準確掌握采空區冒透地表形成塌陷坑的時間，為運礦道路的安全使用提供依據。礦山道路與塌陷坑相對位置及監測孔位置見圖2所示。

圖1 運礦道路一側斷裂線發育情況Fig.1 Development situation of the fracture lineon one side of ore-transported road

圖2 礦山道路與地表塌陷坑位置Fig.2 Location of mine road and surface collapse pit

1 地表塌陷的數值模擬分析

1.1 模型的建立

在現有數值模擬軟件中，FLAC3D軟件作為近年來興起并發展起來的有限差分計算軟件，其基本原理雖類同于離散單元法，但卻能像有限元那樣，適用于多種材料模式與邊界條件的非規則區域的連續介質問題求解[6]。結合小汪溝開采實際情況建立的FLAC3D模型見圖3所示。

圖3 礦山FLAC3D模型Fig.3 FLAC3D model of mine

數值模擬的可靠性在一定程度上取決于所建立的計算模型是否合理，因此需要選擇適當的計算剖面及計算范圍，確定計算模型的約束條件及應力邊界條件，選取適當的開挖步數，并對計算模型進行離散化處理。本方案設計模型尺寸為1 500 m×1 500 m×600 m，模型坐標原點為0 m水平面的塌陷坑中心處，為便于計算，模擬開挖過程在實際開采計劃的基礎上做了一定程度的簡化，但回采順序與實際采礦一致，自上而下將礦體分成若干分段進行回采，分段高度為15 m。模型計算所用巖體力學參數見表1。

表1 巖體力學參數Table 1 Mechanical parameter

1.2 采空區塌陷時間預測

當+30 m分段回采結束后，隨著后續開采的進行，模擬其開挖后的塑性區見圖4，塑性區顯示在采空區上部裂紋已經擴展至地表，此時地表相關區域應該會出現塌陷坑。

圖4 +30 m分段開挖后的塑性區Fig.4 Plastic zone of +30 m section after excavation

1.3 塌陷坑被散體充填后地表變形情況

隨著地表塌陷坑的形成，向塌陷坑內充填廢石，用以支撐邊壁巖體、防止塌陷坑進一步擴張，在此基礎上對模型進行回采模擬分析。在模型中，距離塌陷坑每隔40 m設定1個變形監測點，分別沿走向與傾向方向記錄地表的水平與豎直變形，如圖5所示。

模擬結果表明，當地表出現塌陷坑時，說明已經發生了比較嚴重的變形，表現為水平方向向塌陷坑處收縮(最大變形20 mm)以及塌陷坑周邊的地表沉降(最大變形73 mm)。在礦體走向方向(模型X方向)與傾向方向(模型Y方向)上，豎直方向變形均大于水平方向變形，即變形以沉陷為主導。此外，在塌陷坑的4個監測方向上，變形量也有一定區別，導致這種情況的主要原因在于深部采空區形態不規則，這對上覆巖體的冒落有比較明顯的影響。由于塌陷坑內廢石充填散體的擠壓作用，隨著礦體開采延深，地表沒有發生明顯的變形增大趨勢。

1.4 塌陷坑未被充填時地表變形情況

當地表塌陷坑形成后，且未被廢石散體充填時，地表變形情況見圖6。

模擬結果表明，沒有充填體支撐圍巖將導致塌陷坑周邊圍巖的變形隨著礦體向下開采而不斷變大，增大塌陷坑繼續擴張的可能性。特別需要注意，靠近礦體上盤側的塌陷區域會隨著采深的增加而增大；隨著開采的進行，上盤側采空區逐漸擴大，致使上覆巖體承受較大的采動壓力，達到一定程度后隨即發生冒落，使塌陷坑范圍進一步擴大。

圖5 塌陷坑被廢石散體充填后地表變形情況Fig.5 Surface deformation of collapse pit filled with waste rocks 注：由下往上開采中段分別為+45 m、+30 m、0 m、-30 m、-60 m、-90 m、-120 m

圖6 塌陷坑未被散體充填時地表變形情況Fig.6 Surface deformation of collapse pit without filling the waste rock 注：由下往上開采中段分別為+45 m、+30 m、0 m、-30 m、-60 m、-90 m、-120 m

分析結果表明，由地表向塌陷坑充填的廢石散體會起到很好的支撐作用，可有效地控制塌陷坑周圍巖體破壞范圍的擴大以及塌陷坑的進一步發展。同時，地表塌陷坑周邊圍巖的變形以豎直沉降變形為主，向塌陷坑的水平方向收縮變形為次。如果不對地表塌陷坑進行廢石充填，礦體上盤圍巖的變形會隨著開采的延深而變形加劇，導致塌陷坑進一步擴大。

2 采空區冒落監測

為監測采空區冒落進程，前期共布置2個監測鉆孔，分別為1#監測孔與2#監測孔，實際監測深度均為120 m。其中1#監測孔在距地表12.3 m處堵塞，已經無法監測使用。因此，本次研究主要應用2#監測孔，2#監測孔位置見圖2。2#監測孔具體的監測變化情況見表2所示。

表2 不同時期2#監測孔監測變化情況Table 2 Monitoring changes of 2# monitoring hole in different periods

經了解，2015-09-10 21:00時左右采空區發生了通達地表的大冒落，地表出現了較大范圍的塌陷坑，見圖7所示。通過現場實測，形成的地表塌陷坑長約110 m，寬約55 m，深約30 m。此次大冒落，在0 m水平井下淺采工作人員聽到較大冒落聲響，并有少量灰塵從采場內透出。2015-09-11上午通過2#監測孔進行監測，發現孔深未發生變化，但孔底空區高度由原來的16 m減小到4 m，表明監測孔所在位置的采空區上覆巖體并未發生冒落，主要是來自其他部位的冒落散體將下部的采空區進行了充填[7-9]，充填高度達12 m。

圖7 地表塌陷坑形態Fig.7 Shape of the collapse pit

3 地表塌陷控制技術

鑒于空區冒落威脅的緊迫性，于2015-09-21下午開始對地表塌陷坑進行充填，充填過程中廢石向空區內流動的跡象明顯，見圖8所示。

由于2處塌陷坑充填點所在位置并不安全，應將充填位置調整至巖性較好，且空區對地表影響較小的區域，傾倒時邊緣處理成斜面或利用散體流沖擊成斜面，保證充填車輛遠離空區邊緣，最大限度確保充填作業的安全。截止2015-09-23下午，向塌陷坑共回填約1.5萬m3廢石。

圖8 塌陷坑充填現狀圖Fig.8 Present situation of filling the collapse pit

通過對不同時期計算所得的散體下移量進行分析，發現當塌陷坑冒透地表后，并對塌陷坑進行充填至散體不再下移時，在此期間通過監測孔測得的采空區內渣堆下移量最小為2.86 m，而采空區未冒透地表及冒透地表后未進行充填時的渣堆下移量均大于此數值，說明向塌陷坑內充填散體可有效減緩空區內渣堆的下移速度，縮小采空區的空間暴露面積，進而控制空區頂板的冒落進程。

據此分析確定，地表運輸礦巖的道路能否有效得到保護取決于向塌陷坑內充填散體的速度，隨著空區內散體的下移，同步快速充填地表塌陷坑，保障充填散體堆始終高于地表，使采空區內散體渣堆與覆巖無法形成大的空隙，利用散體的側向壓力對靠近道路一側的邊壁巖體形成支撐作用，控制裂紋向道路方向發展，進而解除道路面臨的陷落危害。

4 結 論

(1)通過數值建模，模擬了礦山當前情況下地表塌陷坑形成的原因及過程。結果表明，隨著深部采礦的進行，當+30 m分段開采結束后，采空區上覆巖體的裂紋將擴展至地表，此時在地表的相關區域可能會形成塌陷坑，該依據為后續運礦道路安全行車提供了保障。

(2)數值模擬結果表明，向地表塌陷坑充填的廢石散體會起到很好的支撐作用，可有效地控制塌陷坑周圍巖體破壞范圍的擴大以及塌陷坑的進一步發展。同時，地表塌陷坑周邊圍巖的變形以豎直沉降變形為主，向塌陷坑的水平方向收縮變形其次。

(3)地表運輸礦巖的道路能否有效得到保護取決于向塌陷坑內充填散體的速度，確保充填散體堆始終高于地表，使采空區內散體渣堆與覆巖無法形成大的空隙，借此控制裂紋向道路方向發展，進而解除道路面臨的陷落危害。

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