程潮鐵礦礦柱開采地表變形規律及選廠穩定性研究

雷遠坤

（武鋼資源集團程潮礦業有限公司，湖北鄂州436050）

無底柱分段崩落法因其具有結構簡單、采礦強度大、機械化程度高、采礦成本相對較低等優點，在國內地下金屬礦山廣泛應用與發展［1］。據統計，我國使用無底柱分段崩落法采出的礦量，地下鐵礦山占采出礦石總量的85%以上，其中有色金屬礦山約占35%［2］。然而，崩落法開采的地下金屬礦山，普遍存在上覆巖層大范圍移動及冒落等現象，并引發地表塌陷、地表重要建（構）筑物變形破壞等災害，不僅造成大量礦石資源的損失浪費，采礦成本居高不下，并導致生態環境惡化，嚴重威脅到井下安全生產［2-3］。

為了保證地表工業場地及重要建（構）筑物的安全，許多無底柱分段崩落法開采礦山在前期開采過程中預留了一定數量的礦柱。然而，隨著開采深度不斷增加，礦柱所占比例日益增大，不僅造成了礦石的極大浪費，而且縮短了礦山服務年限，對礦山可持續發展極為不利。在國內外淺部礦產資源面臨枯竭嚴峻形勢下，通過合理變更采礦方法，安全回收前期開采所預留的礦柱成為越來越多的礦山解決眼前資源危機的主要途徑。

充填法開采在控制采區地壓及上覆巖層移動、減緩地表移動變形速度，防止已有地表塌陷進一步大范圍擴展等方面具有不可比擬的優勢［4-5］，也是回收預留礦柱的首選方法。然而，回收保護地表的預留礦柱，有必要對不同回采方案地表變形規律及關鍵構筑物所在地表的穩定性進行研究，以保證其安全及礦柱回收的順利進行。

本項目以程潮鐵礦礦柱開采為研究對象，在分析地表移動變形監測結果的基礎上，通過數值模擬研究了4種礦柱回收處理方案對地表重要工業場地及建筑物選礦廠所在地表穩定性的影響，為礦山礦柱回收方案選擇提供了理論參考依據，具有重要的工程意義。

1 礦區概況

程潮鐵礦是國內特大型地下金屬礦山，主要有Ⅱ、Ⅲ、Ⅵ、Ⅶ4大礦體，礦體分布如圖1。礦體總體走向292°，多呈不規則透鏡狀向南緩傾斜，傾向206°，傾角15°～25°，向西側伏，側伏角8°。礦體以西15號勘探線為界分為東區和西區，探明鐵礦石儲量2億多噸。目前正在開采的Ⅵ礦體平均寬度250 m，平均厚度72.95 m，屬于緩傾斜厚大礦體。

程潮鐵礦建礦以來一直采用無底柱分段崩落法進行開采，分段高度17.5 m、進路間距15 m，目前西區在-410 m、-430 m水平回采。受地下水疏干和井下開采等因素的共同影響，地表已陸續產生了十幾個塌陷坑和錯動區，且隨著開采深度和范圍的延伸不斷擴大［6-7］。這造成了東區地表重要構筑物東主井的停用，西區地表移動范圍也波及下盤主要工業場地的選礦車間、井筒及公路、村莊，如圖2。

為了維持選礦車間的穩定，開采過程中在礦體西端預留了大量的礦柱，如圖3。預計截至-800 m水平，預留的礦柱儲量占整個西區開采地質礦量的45.43%。其中，-342.5 m水平以上80.59萬t，-430 m水平以上達到203.49萬t，造成礦石資源的巨大浪費。

因此，亟需在分析地表移動及塌陷現狀的基礎上，通過采用合理的采礦方法、回采進度和順序回收礦柱礦量，以合理回收礦石資源，保證選廠服務期內的穩定，維護西區地表及重要構筑物等工業設施的長期安全。

2 西區地表移動變形規律實測分析

程潮鐵礦西區于2006年4月發生首次塌陷，自此，中國科學院武漢巖土力學研究所與礦山展開了一系列的地表變形監測工作［8］。截至2013年9月，監測結果統計如下：

（1）移動線向南擴展約200 m，向西擴展約30 m，向北擴展130 m，向東北擴展約300 m，并在2010年6月越過了運輸隧道中部擴展至措施井段。

（2）陷落線向南擴展約230 m，向西擴展約75 m，向北擴展200 m，向東北擴展約280 m，并在2011年6月到達運輸隧道中部區域，2013年6月基本覆蓋了從公路隧道到措施井段的運輸隧道。

（3）選礦廠位于采場的西部，選取經過選礦廠的2#剖面進行分析，以獲得選礦廠移動角度隨開采時間的變化，如圖4。可知，截至到2013年9月移動角已經擴展至選礦車間5號門附近，最終移動角為57.06°，如圖5。而陷落線則距離較遠，最終陷落角為68.97°，如圖6。

通過對以上數據的總結分析，可得西區地表移動變形規律如下：

（1）當采空區底部位置一定時，移動角隨著時間的增加而減小，且其變化速率隨時間增加而減小；

（2）當采空區底部位置變化時移動角可能呈跳躍性變化；

（3）井下開采對地表的影響具有延時性：采空區達到一個新的水平之后，移動范圍沒有隨之瞬間擴張，這致使監測到的移動角度突然增大，如圖7；但在隨后的半年時間里移動角度迅速減小。

3 FLAC3D數值建模

本研究采用三維有限差分計算軟件FLAC3D，根據實際礦床地質模型建立程潮鐵礦三維仿真數值模型，進行采礦動力學計算分析［9］，以研究礦體西段礦柱部位不同回采方法引起的地表變形，評估預測礦柱開采對地表重要構筑物穩定性影響程度。

3.1 數值模型建立

三維數值模型包括程潮鐵礦西區（15線向西）的全部開采區域。模型長3 000 m，寬2 800 m，高1 242.5 m（自地表42.5 m至-1 200 m）；共劃分357 840個單元，378 288個節點；其中礦體范圍單元尺寸33 m×28 m×17.5 m，外圍單元尺寸50 m×50 m×17.5 m，如圖8。

計算采用摩爾-庫倫破壞準則［10］，礦體開采后，在覆蓋巖層上方形成冒落帶、裂隙帶和彎曲帶。冒落帶為拱形向上冒落，其形狀由冒落頂點、礦體兩側邊界點和冒落中點水平長度確定，如圖9。冒落頂點為冒落高度水平線與礦體長度（L）中心線的交點；拱形的起始點為礦體兩側的邊界點，并與水平方向的夾角為45°～60°。冒落中點水平長度（l）取值原則如下。

3.2 模型參數及邊界條件

影響西區地表移動的主要圍巖有鐵礦石、硬石膏、花崗斑巖等。綜合考慮物理、工程條件的影響，確定數值模型中的力學參數如表1。

采空區冒落的廢石為松散介質，其在覆巖作用下逐漸被壓實，冒落廢石的密度ρ，彈性模量E和泊松比υ隨時間增加而增加，可由以下經驗公式描述：

地質構造方面，模型中考慮了對礦區影響最為顯著的程潮北斷層，其屬性參數如表2。

根據程潮鐵礦-430 m、-360 m中段8個測點的地應力測試結果，模型中最大主應力σ1=1.28γH（γ為巖體的容重，kN/m3，H為距離地表的深度，m。），方向N80°W，與礦體走向基本一致；中間主應力為近似垂直方向，在深度上的變化規律接近巖體自重引起的垂直應力；最小主應力基本垂直礦體，取值0.48γH。

3.3 計算方案及過程

（1）計算方案與目標。礦山開采現狀調研表明，-360 m以上的礦柱部分已按照崩落法進行采準工程布置，無法使用充填法回收，因此，本研究僅對-360 m以下礦柱部分使用充填法回收進行模擬。計算方案如下。

方案Ⅰ：采用崩落法開采至-430 m水平，留礦柱（模擬礦山實際開采現狀）。

方案Ⅱ：采用崩落法開采至-430 m水平，不留礦柱。

方案Ⅲ：采用崩落法開采至-360 m水平，留礦柱；采用充填法開采-360 m～-430 m礦柱。

方案Ⅳ：采用崩落法開采至-360 m水平，不留礦柱；采用充填法開采-360 m～-430 m礦柱。

通過計算分析，得到不同回采方案的地表變形情況，確定相應的地表移動范圍，以分析礦柱開采對地表重要構筑物的影響程度。

（2）計算過程。計算追溯了整個開采歷史和開采過程，包括開采時間、開采位置和采礦方法的系統模擬，簡述如下：①施加邊界條件和初始地應力，賦予屬性后進行彈性計算，得到初始應力場；②進行塑性賦值，模擬開采前狀態，位移清零；③模擬-290 m水平放頂，放頂高度按照20 m計算，然后按照分段高度17.5 m，按設定方案進行相應模擬分析至-430 m水平；④以70 m為一階段進行統計分析，分別記錄各計算方案不同開采水平的地表變形結果。

3.4 移動范圍確定準則及模型校驗

根據相關文獻［11-13］，對建筑物保護等級及允許變形值的規定，并考慮到研究對象為開采礦體上下盤的重要地表建筑物及工業場地，結合煤礦安全規程，確定以地表傾斜率i=2.5 mm/m，地表水平拉伸率e=1.5 mm/m作為變形破壞的判據。為保證數值模擬結果的準確性，將方案Ⅰ-360 m水平開采完畢后的地表沉降等值線云圖及移動范圍模擬結果與實測結果進行對比（見表3）。可見，數值分析圈定的地表移動范圍較實測略大。但考慮到實測時-360 m分段東端尚有部分礦體未采出，開采完畢后地表移動范圍仍將進一步擴展，故認為所建立的數值計算模型基本可靠。

4 數值模擬結果分析

4.1 礦柱開采對地表變形的影響分析

各方案地表變形計算結果如表4所示，提取相應的計算結果，并采用ARCGIS軟件進行繪圖，如圖12、13。分析可知：

（1）-360 m水平以上礦柱開采結束后，各方案地表變形情況較為接近，這是由于-360 m水平以上礦柱區域礦體所占比例較少，分布范圍較小，尚不足以對地表變形產生顯著影響；

（2）-430 m水平以上礦柱開采結束后，對地表變形的影響開始顯現，相對于方案Ⅰ，方案Ⅱ在礦柱以西的地表沉降值、X方向位移和水平合成位移增加明顯；方案Ⅲ、Ⅳ地表變形量在礦柱西端較方案Ⅰ略有增加，以豎向變形為主，但總體變形量較為接近，均未對礦柱上方地表產生較大的影響。

（3）礦柱對于地表變形的影響隨著深度的增加而加劇，開采至-430 m水平，預留礦柱引起的地表變形極值約為無礦柱條件下對應位置的70%～80%，特別是礦柱附近地表變形所受影響最大；采用充填法回收-360 m～-430 m范圍礦柱可以有效控制地表變形，基本維持地表穩定。

4.2 礦柱開采對選廠穩定性影響分析

選廠所在地表各開采分段地表位移曲線如圖14所示，地表傾斜率和拉伸率如表5。

分析可知：

（1）各方案-360 m水平以上礦體開采引起的地表變形差距較小，此后差距逐漸增大，呈階段性遞增；特別是-395 m水平以下礦體開采，方案Ⅱ、Ⅳ地表變形急劇增加，這主要與礦柱形態相關，礦柱在-360 m水平以下逐漸向西擴展，其開采對于地表的影響隨著采深的增大而加劇。

（2）方案Ⅱ與方案Ⅰ對比分析可得：采用崩落法開采-360 m～430 m水平以上礦柱，將導致選廠地表沉降增加約2 cm，地表水平拉伸率增大到1.43 mm/m，地表傾斜率增到1.6 mm/m，已經接近地表一級構筑物要求的變形極限。

（3）方案Ⅲ、Ⅳ與方案Ⅰ對比分析可得：采用充填法回收-360 m～-430 m中段礦柱，選廠地表沉降增大約0.5 cm，地表傾斜率與拉伸率也略有增加，但均未超出或遠遠小于地表一級構筑物要求的變形極限。

5 結論

（1）采用無底柱分段崩落法回收-360 m水平以上部分礦柱對于地表變形及選廠穩定性影響較小，這是由于-360 m水平以上礦柱區域礦體所占比例較少，分布范圍較小，尚不足以對地表變形產生顯著影響。

（2）采用無底柱分段崩落法回收-360 m～-430 m水平礦柱將導致地表變形及選廠地表沉降急劇增加，且呈階段性增長，接近地表一級構筑物要求的變形極限；這主要由于礦柱形態在-360 m水平以下逐漸向西擴展，其開采對于地表的影響隨著采深的增大而加劇。

（3）采用充填法回收-360 m～-430 m水平礦柱，選廠地表沉降、地表傾斜率與拉伸率均略有增加，但均未超出或遠遠小于地表一級構筑物要求的變形極限。

綜上所述，從最大化回收礦石資源、保證地表及重要建筑物安全的角度考慮，采用崩落法回收-360 m水平以上礦柱，采用充填法回收-360 m～-430 m范圍礦柱可以有效地解決程潮鐵礦西區礦柱回收問題；考慮到礦柱對于維護西區地表及重要構筑物穩定的重要性，建議適當提高充填體的強度并加強管理，以盡可能減少礦柱開采對于地表及重要建筑物的影響。