大紅山鐵礦深部開采F2斷層對巖層移動控制研究

余正方

(玉溪大紅山礦業有限公司， 云南 玉溪市 653100)

在礦山開采過程中，斷層的存在對礦山生產有著顯著影響，許多國內外專家學者發現在采動過程中，斷層等結構面容易產生“活化”現象。當開采區域斷層比較發育時，斷層對采場上覆巖層破壞規律、地壓分布規律的影響十分明顯，在這種情況下開采礦石就必須考慮斷層的影響[1]。根據大紅山鐵礦露天開采和深部開采的空間位置關系，深部開采采用無底柱分段崩落法，開采產生的巖石崩塌和移動可能會對上部的露天采場邊坡帶來危害，因此地下開采引起的巖石移動對露天邊坡穩定性具有極為重要的影響。

1 工程概況

大紅山鐵礦是一座露天開采與地下開采同時并存的礦山。礦區主要構造有2組，分別為東西向和北西向，其中東西向構造為礦區的成礦構造。東西向主干斷層有F1和F2斷層，F2斷層位于大紅山向斜北側向近東西，延長1.1 km以上，傾向南，傾角為80°左右，沿斷層帶輝長輝綠巖呈巖墻貫入，是淺部鐵礦與深部鐵礦的自然分界。傾向斜斷距為50m～600m，初期斷距不大，后被巖體侵入充填破壞，反映在沿走向各剖面上斷距變化大，A32到A34線距離僅170m，但斷距減小到180m，而到A40線則基本上沒有斷距，斷層帶寬度為50m～100m，為輝長輝綠巖巖墻所占（如圖1～圖2所示）。

圖1 礦段劃分及斷層投影平面示意

圖2 礦體劃分及F2斷層典型剖面示意

目前主采區上覆巖層的崩落帶已經與地表貫通，形成了主采區井下與地表相互聯動的良好局面，原有閉合開裂區域內崩落巖體的較大下沉（平均約1m）導致原有閉合開裂沉降區域周邊圍巖體受到的支撐力有所下降，在原生裂隙等抗拉強度較低的局部區域產生了張拉裂縫。從現場觀測數據來看，巖體開裂下沉等地壓現象均位于F2斷層以內或附近，沒有越過F2斷層，1090巷道內發現的新增開裂縫雖然越過了F2斷層，但規模小，沒有發生閉合，所以影響范圍小。

通過現場巖體結構面調查、巖石力學實驗及巖體質量分級等工作確定了宏觀巖體力學參數，見表1。

2 基于臨界散體柱理論的陷落角計算

本文采用東北大學任鳳玉教授等專家提出的“臨界散體柱理論”來計算陷落角[2?4]。將采空區底板邊緣到地表陷落區邊界的連線與水平面的夾角稱為巖體的陷落角，將臨界散體柱與其上陷落坑的高度之和稱為臨界深度，陷落角與采深的關系式如下：

式中，β為陷落角，°；h0為臨界深度，m；α為礦體傾角，°；β0為錯動角，°；H為開采深度，m。在大紅山鐵礦條件下，取β0為70°，將各剖面相關參數值代入式（1）計算，計算值見表2，陷落角保持在80°以上，最終陷落范圍對淺部鐵礦的露天采場邊坡影響較小。

由式（1）可以看出，陷落角隨開采深度的增大而增大，在礦體傾角與采深一定的條件下，陷落角越大，地表陷落范圍就越小；當H與α一定時，β隨h0減小而單調遞增。也就是說減小臨界深度，可有效增大陷落角。為此，礦體繼續向深部開采后，用廢石充填地表塌陷坑，人為減小臨界深度，可有效控制地表陷落范圍。

表1 礦巖體宏觀巖體力學參數

表2 不同剖面陷落角計算值

3 數值模擬

3.1 FLAC3D數值模擬

采用FLAC3D軟件建立大紅山鐵礦研究區域的三維幾何模型，模擬工作面推進過程中頂板或上覆巖層變形和破壞的演化過程。模型共計3285100個單元和3357780個節點，如圖3～圖4所示。深部礦體回采后，提取典型剖切面云圖（見圖5～圖7）。

圖3 整體模型

圖4 模型典型剖面

圖5 地表Z方向位移圖

由圖5可知，塌陷區中心部分的沉降值最大，向外逐步減小，地表沉降范圍到達F2斷層后，沒有明顯再繼續擴大的趨勢。由圖6可知，距離空區越近，Z方向位移量越大，沉降范圍并沒有按照一般移動角規律擴大到地表上，影響淺部鐵礦露天邊坡開采，說明斷層可以對巖石的移動存在一定的割斷作用，從而減小地下開采對露天邊坡的影響。巖體受到拉應力或剪應力造成拉伸或剪切破壞，形成塑性區（見圖7），塑性區采用直接觀察的方法，圖7中紅色范圍表示塑性區，塑性區范圍越大，表示相應區域的穩定性越差。深部開采后，塑性區主要集中于采空區正上方的覆蓋巖層，形成大面積貫穿，F2斷層的存在對塑性區的擴展起到一定的隔斷作用。

圖6 剖面Z方向位移圖

圖7 剖面塑性區云圖

綜合分析認為：地表的破壞形式為空區上覆巖層在重力作用下形成垂直塌陷坑，斷層靠近露天邊坡一側是地表沉降變形的明顯界限，斷層的存在對露天邊坡的穩定性起到了重要作用。

3.2 離散元（2D-Block）數值模擬

根據大紅山鐵礦地下礦體、地表的實際形態和圍巖特征，模擬地下礦體開采后，采空區上部圍巖在自重應力作用下發生冒落時對地表穩定性的影響。本次模擬選擇了代表性較強的33#、34#、36#、37#、CZ1#、縱Ⅱ#剖面進行模擬。模擬過程中，允許圍巖依照自身的力學機制發生一定的位移或破壞作為前提。33#、37#剖面開采體周邊的圍巖發生了一定程度的冒落和滑移，塊體沒有直接垮落至地表，地表出現裂縫和位移，隨著時間的推移，有直接冒落至地表的可能性。通過地表圈定巖石移動范圍，33#剖面塊體開采后上、下盤圍巖移動角分別為81°和78°；37#剖面塊體開采后上、下盤圍巖移動角分別為77°和71°；通過對34#、36#、CZ1#剖面不同階段開挖的模擬分析，認為礦體開采后圍巖上盤冒落主要沿輝長輝綠巖所處的F2斷層移動。

4 移動界線及陷落界線的圈定

通過上述臨界散體柱理論分析計算、FLAC3D數值模擬分析結果以及離散元（2D-Block）數值模擬研究，分別在平、剖面圖上圈定出地表移動界線，與現狀錯動界線進行比較分析，如圖8所示。由FLAC3D數值模擬和臨界散體柱理論得出的地表陷落范圍與地表現狀塌陷坑回填區域的邊界基本重合，可作為開采結束后的地表陷落范圍；離散元（2D-Block）數值模擬研究圈定的最大離層位置作為開采結束后的地表移動范圍。

圖8 地表移動及陷落界線的圈定

5 結論

（1）現狀塌陷區的范圍與礦體全部開采完畢后預測的陷落范圍基本重合，因此只要積極充填陷落區域，降低散體柱臨界深度，地下開采引發的巖層移動對上部的露天采場邊坡影響較小。

（2）在未來的開采中，裂隙范圍還可能繼續向外擴張，這是由于原有閉合開裂區域內巖體下沉導致沉降區域周邊圍巖體受到的支撐力有所下降，在原生裂隙等抗拉強度較低的局部區域產生了張拉裂縫，裂隙不斷擴張的情況會隨著充填體的逐漸密實而有所減緩，最后趨于穩定，這一過程可能會持續較長時間。在加強地表移動變形監測工作的前提下，露天采場邊坡的穩定性處于可控范圍內。