露天鐵礦端幫開采誘發的地表及巖層移動規律

韓文斌， 高琨鵬， 王漢斌

(1.山西省交通規劃勘察設計院有限公司，太原 030032；2.中國地質大學(北京)工程技術學院，北京 100083)

中國鐵礦的主要開采方式是露天開采，采用露天開采的鐵礦占中國鐵礦總產量的80%左右[1-3]。這些露天鐵礦經過多年的持續開采，90%以上已經進入了露天深坑開采階段[4]。深凹露天開采不僅經濟效益較低，而且開采安全得不到充分保證，其主要原因有：①深凹露天開采過程中礦巖運輸距離大，運輸成本較高；②深凹露天開采排巖量巨大，占用大量的土地，對礦區生態系統沖擊巨大[4]；③露天礦坑邊坡隨著開采深度的增加邊坡高度不斷增加，礦坑邊坡失穩的可能性變大；④為保證露天邊坡的安全性，需要不斷增加剝采比，這導致礦山開采的經濟效益無法保證[5]；⑤深凹露天礦的開采空間逐漸變小，可開采礦巖量也隨之減少。因此，多數露天鐵礦已經或即將轉入地下開采。

端幫開采將誘發端幫巖體內應力的重新分布，端幫內將會產生更復雜的次生應力場[6-7]，加之地下開采、爆破振動、降雨等因素的影響，端幫發生局部塌陷、滑坡、崩落，甚至是大規模整體破壞的可能性極大[8-10]。端幫開采誘發的地質災害不僅容易破壞礦區交通運輸系統，導致礦區周邊附屬建筑設施無法正常使用，而且大規模滑坡對露天坑底產生巨大的沖擊壓力將嚴重威脅采場的安全，對礦山的安全生產造成不利影響。端幫開采誘發地質災害的本質是端幫巖層在地下開采、端幫坡表臨空面、端幫巖體不連續結構面(節理、層理、斷層、裂隙等)等多個因素共同影響下產生劇烈移動的結果。在上述眾多影響因素中巖體中廣泛發育的節理對端幫破壞的影響較少有研究涉及，但該因素的影響卻是不容忽略的[11-14]。巖體的變形主要包括巖體材料變形和巖體結構變形兩方面。其中，巖體結構變形是指巖體中非連續結構面(節理、裂隙、斷層)的張開、閉合及錯動等引起的形變。通常情況下由于巖體結構面強度相對較低，巖體的變形主要來自于巖體結構變形，因此巖體內非連續結構面的強度直接影響著巖體的強度。同時，由于巖體的破壞主要是沿結構面的剪切破壞為主，因此結構面最主要的力學性質是其峰值抗剪強度[15]。在眾多類型的結構面中節理的分布最為廣泛，由此可知在其他因素一定的條件下，節理及其抗剪強度對巖體的變形影響顯著。

本文在考慮巖體中控制性節理及其強度的情況下，對端幫開采誘發的地表及巖層移動規律進行深入研究，獲得端幫開采誘發地表及巖層移動的相關規律，以此研究成果指導工程實踐，避免端幫地表及巖層大規模移動破壞導致的經濟損失，保證生產安全。

1 工程背景

選取遼寧省鞍山市的眼前山鐵礦東端幫為原型(研究區范圍如圖1)。眼前山鐵礦自1960年開始進行露天開采，至2012年露天采場閉坑時采場上口長度1 410 m，寬度570～710 m，封閉圈高約93 m，礦坑坑底標高達-183 m。2012年9月眼前山礦開始對東、西端幫下的端幫礦體進行開采，此后東端幫坡表出現大范圍的滑移、塌陷等劇烈變形。眼前山礦區工程地質條件復雜，斷層、裂隙帶發育，巖體破碎。礦區整體構造為陡傾單斜構造，構造面傾角為70°～80°，局部直立。東端幫主要分布三種不同的地層，包括東端幫北部的碳質千枚巖巖組，中部的條帶狀磁鐵石英巖夾片巖巖組以及位于南部的混合花崗巖組。東端幫內主要有三組節理發育，這三組節理在東端幫北部、中部、南部產狀及間距略有差異，東端幫內節理的參數如表1所示，節理產狀及密度的分布情況如圖2所示。

表1 節理參數表

2 模型試驗設計

物理模型試驗的設計需要在明確研究目的的基礎上進行，結合眼前山鐵礦實際巖體情況構建三維物理模型，以此來反映真實復雜節理巖體在采礦條件下的移動變形規律。

2.1 試驗及監測設備

模型箱是進行大型三維物理模型試驗的載體。采用的模型箱如圖3所示。該模型箱總重約3.5 t，長約4.3 m，高約3.6 m，寬約2.3 m。模型主體由14根長3.5 m、截面尺寸為110 mm×110 mm×9 mm的方鋼(圖3中模型箱立柱)，18根長度不等、截面尺寸為50 mm×50 mm×8 mm的方鋼(圖3中模型箱橫撐)及一塊平面尺寸為4 250 mm×2 000 mm、厚度為10 mm的鋼板(圖3中模型箱底板)組成，各部件之間采用焊接或高強度螺栓連接。模型箱四個側面安裝厚度約為12 mm的有機玻璃板，該材質的玻璃板具有較高的強度和透明度，既能夠為物理模型提供有效的側向支撐，又能夠保證對物理模型剖面變形的觀測。經過結構強度及結構抗傾覆驗算，該模型箱能夠保證試驗的順利進行。

圖3 模型箱Fig.3 Model box

2.2 模型相似材料

試驗所研制的相似材料需要物理力學性質滿足試驗要求，相似材料的基本組成材料可以分為骨料、膠凝材料及摻加劑等三類。試驗選用重晶石粉、鐵精粉、石英砂、水泥以及石膏作為相似材料，相似材料配比(質量比)為水泥∶石英砂∶重晶石粉∶鐵粉∶石膏=1∶28∶28∶6.67∶3，該相似材料的物理力學參數與目標值見表2。

表2 相似材料物理力學性質

2.3 模型設計及建立

按照幾何相似比200構建長2.5 m、寬1.5 m、高2 m的端幫物理模型，以此模型來模擬長500 m、寬300 m、高400 m范圍內的礦山端幫在端幫開采時的地表及巖層移動過程。模型采用塊體砌筑的方式來構建，塊體之間的交界面模擬巖體節理面，塊體之間充填的黏結物來模擬節理內的膠結物，通過調節黏結物的抗剪強度來控制節理的抗剪強度。依據現場調查，眼前山礦區巖體節理可以概化為三組正交節理，包含兩組陡傾節理面和一組緩傾節理面，以模型坡面的傾向為正西(270°)，這三組節理的產狀分別為：0°∠90°、90°∠80°和270°∠10°，繪制這三組節理的產狀示意圖如圖4所示。所建立的模型如圖5所示。

圖4 巖體節理概化圖Fig.4 Rock joint sketch

編號為開挖順序圖5 模型圖Fig.5 Model drawing

3 試驗結果分析

3.1 采礦誘發巖層移動過程

試驗中移動地表及巖層的分區受開采礦體上覆巖層厚度的影響較大。1號礦體開采后圖6(a)中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區域巖層均產生豎向移動，但位移量依次遞減，此次開挖后采動影響未傳遞至坡表，坡表無明顯變形[圖7(a)]。2號礦體開采后，圖6(b)中Ⅰ區域巖層產生較大位移的豎向垮落運動；Ⅱ區域巖層產生下沉變形，在與垮落巖塊接觸后豎向移動停止；Ⅲ區域巖層受開采擾動強烈，巖塊位移方向不統一，該區域巖塊主要以斜向采空區的滑移傾覆運動為主，部分靠近坡表的巖塊則產生向坡腳的失穩變形。3號礦體開采后，圖6(c)中Ⅰ區域內散亂的巖塊進一步下沉；Ⅱ區域巖層產生位移量較小的下沉運動；Ⅲ區域巖層以沿緩傾節理的滑移運動為主。4號礦體開采后，端幫內巖層的移動變形分區情況[圖6(d)]與2號礦體開采后類似，不再贅述。

模型試驗過程再現了采礦誘發巖層移動全過程，發現了典型的巖層變形破壞現象如巖體的離層、裂隙張開以及地表塌陷等。1號礦體開采后，采空區上覆巖層由于豎向位移量差異出現清晰離層[圖6(a)]，該離層在2號礦體開挖后由于整體巖層的進一步下沉而消失。3號礦體開采后，在模型剖面Ⅲ區域[圖6(c)]內產生多條沿陡傾節理的張開裂縫，但裂縫寬度較窄，后期4號礦體開采后裂縫寬度略微變大[圖6(d)]。覆巖較薄的2、4號礦體開采后，垮落發展至坡表，坡表出現邊界陡直的“井”形塌陷坑[圖7(b)、圖7(d)]。

圖6 模型試驗變形過程Fig.6 Model test deformation process

圖7 模型坡表變形過程Fig.7 Model slope surface deformation process

3.2 巖層移動變形規律分析

采用簡化的攝影測量方法對模型各塊體的位移進行監測，得到了每步開挖后模型剖面巖塊的累計位移矢量圖(圖8)并進行了分析。

圖8 模型位移點云圖Fig.8 Cloud chart of model displacement point

巖層的位移不僅受巖層與采空區相對位置關系的影響，其移動變形范圍受陡傾節理控制。位移點云圖表明1號礦體開采后巖層以豎向位移為主，切地表未產生變形；隨著2號礦體的開采，2號礦體上方巖層出現了水平位移，而1號礦體上方位移增量不明顯，經分析是由于開采初期巖層在重力作用下的彎曲成拱效應導致的；3號礦體開采后，采空區上方巖層位移量急劇增大，表明采空區頂板巖層出現了大規模的垮落以及塌陷，且位移傳遞至坡表，導致坡表出現沉降；4號礦體開采后，位移量繼續增大，且坡表出現了顯著的順坡向的位移，表明坡巖層出現滑移。

4 結論

采用大型三維物理模型試驗研究了眼前山鐵礦采礦誘發巖層移動過程及規律，得到結論如下。

(1)巖層主要變形模式為：水平緩傾節理的存在導致開采初期頂板巖層由于失去下部巖層支撐而產生離層，同時導致巖層彎曲產生拱效應；陡傾節理的存在導致坡表出現井狀塌陷坑，這與現場調查發現的塌陷坑比較吻合(圖9)。

圖9 眼前山鐵礦地表塌陷坑及地裂縫Fig.9 Surface subsidence pit and ground fissure in Yanqianshan iron mine

(2)巖層移動傳遞過程：巖層移動由采空區頂板逐漸發展至地面。采深對塌陷坑深度影響較大，且“井”狀塌陷坑的范圍及邊界受陡傾節理的控制。

(3)坡表變形特征：陡傾節理的張開導致坡表形成了地裂縫，坡表塌陷坑的形成導致坡表巖層收到水平方向的張拉力，且裂縫具有一定的深度。

總的來講，物理模型試驗可以微觀再現采礦誘發巖層移動的全過程，并且能夠半定量地對其變形發展過程進行解析，是一種有效的研究手段，研究結果可為工程災害的防控提供依據。