贊比亞巴魯巴礦采空區調查及安全隔離層厚度研究

肖云濤 姚高輝 胡 崴 楊強勝

（1.中色盧安夏銅業有限公司；2.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司；3.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；4.華唯金屬礦產資源高效循環利用國家工程研究中心有限公司）

合理確定采空區上方露天采礦作業的安全隔離層厚度，對于保障礦山安全生產和提高礦山經濟效益具有重要意義［1-2］。近年來，許多專家學者對采空區安全隔離層厚度進行了研究，常用的理論計算方法主要包括荷載傳遞交匯線法、厚跨比法、結構力學梁理論和K.B.魯別涅依他公式等，利用數值模擬軟件進行模擬分析的方法［3］。以巴魯巴礦區地下轉露天開采工程為例，在對礦山前期形成的采空區進行調查的基礎上，采用理論計算和FLAC3D數值模擬對采空區安全隔離層厚度進行研究，為礦山地下轉露天開采工程設計提供技術支持。

1 工程概況

巴魯巴礦區位于贊比亞北部銅帶省盧安夏市，礦床發現于1928年，1973年投產，經過近50 a的地下開采，在井下形成了大量采空區。目前礦區深部礦體已基本開采結束，但近地表仍存在大量氧化礦石。為推進巴魯巴礦區可持續發展，中色盧安夏銅業有限公司（CLM）對盧安夏盆地的巴魯巴礦區開展了補充勘查工作，核實了礦區近地表采空區和地表塌陷情況，大致查明了巴魯巴殘留礦體分布情況。礦體埋藏深度主要集中于+1 260~+1 080 m水平范圍內，殘留礦體埋藏淺，礦山計劃采用露天開采方式進行開采。由于礦山前期地下開采在井下形成了大量采空區，且采空區坍塌造成了采空區上部一定范圍內的圍巖破壞，形成了冒落帶和裂隙帶，使上覆巖體強度降低，對未來礦山露天開采安全造成了威脅。

2 采空區調查分析

2.1 礦山前期開采形成的采空區分布調查

2.1.1 采空區分布情況

巴魯巴礦生產開采時，對近地表采空區邊界進行了系統的整理，基本掌握了近地表區域的采空區分布情況。通過礦區勘探線剖面圖，建立了礦區前期開采形成的近地表采空區三維模型，采空區主要集中于中部SS29線~SS69線，沿走向長度約為3 000 m，賦存標高為900~1 250 m，跨度為2.4~41.4 m，鉆孔勘察資料表明，目前采空區大部分已發生垮塌，并造成其上部地表塌陷變形。但局部地段可能由于坍塌不完全仍存在部分小規模的采空區，近地表采空區及礦體模型見圖1。

2.1.2 地表塌陷現狀

巴魯巴礦地下礦體經過多年的開采，前期形成的大部分采空區頂板圍巖已發生崩落塌陷，采空區上方地表產生了塌陷變形。塌陷區域主要位于SS35線~SS69線，塌陷區沿北西方向直線長度約為2 700 m，沿北東方向寬度為50~200 m，最大塌陷深度約23 m（圖2）。

2.2 地下采空區鉆孔調查

對巴魯巴近地表區域開展了補充鉆孔勘查工作，在已有勘探資料的基礎上，對其原有勘探資料及采空區進行了驗證。礦區地質資料、采空區鉆探資料和地表塌陷現狀，表明巴魯巴礦區近地表采空區頂板已經發生冒落、坍塌，采空區大部分已被碎石和砂土充填。但不排除局部地段可能由于未發生冒落、坍塌或坍塌不完全，仍存在少量空區。另外，采空區頂板坍塌造成采空區上部圍巖破壞，形成了冒落帶，使圍巖呈松散破碎狀，同時也造成了采空區上部地表塌陷。

3 采空區安全隔離層厚度研究

3.1 數值模型建立及模擬計算方案

3.1.1 數值模型

根據礦區各勘探線剖面中采空區跨度和上覆巖層厚度情況，本項目在巴魯巴礦區選取了6個典型勘探線剖面（采空區跨度分別為5，10，15，20，25和40 m），并參考巴魯巴東露天開采技術參數劃定各計算剖面露天開采境界，安全隔離層厚度按照臺階高度8 m的整數倍選取。根據研究結果，主要以SS50和SS31勘探線剖面（采空區跨度分別為10 m和15 m）為例（圖3），對安全隔離層厚度模擬分析過程進行闡述。

3.1.2 模擬計算方案

通過荷載傳遞交匯線法、厚跨比法和結構力學梁理論計算方法，得出了采空區跨度為10 m和15 m時的安全隔離層厚度范圍，并在此基礎上確定了安全隔離層厚度數值模擬對比方案，詳見表1。

?

3.2 巖體力學參數取值

根據巖石單軸抗壓強度（石英巖73.85 MPa，片巖39.43 MPa，泥巖16.33 MPa）、圍巖鉆孔勘察資料以及基于地質強度指標GSI的Hoek-Brown強度準則巖體力學參數估算公式，得到各工程巖組的巖體力學參數［4-5］，見表2。

?

3.3 數值模擬結果分析

3.3.1 應力分析

采空區跨度為10 m，隔離層留設厚度為8 m時，模型中產生的最大拉應力值為0.45 MPa，位于地表附近，小于圍巖抗拉強度0.51 MPa，采空區頂板附近最大拉應力值約0.29 MPa，接近采空區頂板（含礦泥巖）的抗拉強度0.3 MPa，采空區頂板穩定性較差；隔離層留設厚度為16 m時，地表和采空區頂板附近拉應力值均有所降低，地表區域拉應力最大值為0.40 MPa，采空區頂板附近最大拉應力值約0.26 MPa，小于礦體和圍巖的抗拉強度，采空區頂板較為穩定性（圖4）。

采空區跨度為15 m，隔離層留設厚度為24 m和16 m時，隔離層中地表附近和采空區頂板附近應力值均達到了巖體的極限抗拉強度0.51 MPa和0.3 MPa，采空區頂板穩定性較差，將發生頂板冒落或坍塌（圖5）。

3.3.2 塑性區分析

采空區跨度10 m，安全隔離層留設厚度為8 m時，采空區頂板至地表出現了塑性區貫通，采空區頂板將發生整體坍塌并導致隔離層破壞，對礦山露天開采安全造成威脅；隔離層留設厚度為16 m時，塑性區僅出現在地表附近，采空區頂板附近未出現塑性破壞，隔離層較為穩定，不會對礦山生產安全造成威脅（圖6）。

采空區跨度為15 m，安全隔離層留設厚度為16 m時，采空區頂板至地表出現了塑性區貫通，采空區頂板將發生冒落或坍塌并導致隔離層破壞，對礦山露天開采安全造成威脅；隔離層留設厚度為24 m時，采空區頂板附近和地表附近均出現了塑性破壞區，采空區頂板將發生冒落或垮塌，但隔離層中塑性區未完全貫通，隔離層整體仍處于穩定狀態，不會對礦山露天生產安全造成威脅（圖7）。

4 結 論

（1）通過對巴魯巴礦區前期生產資料和鉆孔勘察資料進行整理研究，建立了礦區前期開采形成的近地表采空區及殘留礦體三維模型，得出了礦區前期開采形成的采空區與近地表殘留礦體的位置關系。地表塌陷現狀及鉆孔勘察資料分析結果表明，礦區近地表采空區頂板已經基本發生冒落、坍塌，采空區大部分已被碎石和砂土充填，但不排除局部地段可能由于未發生冒落、坍塌或坍塌不完全，仍存在少量空區。

（2）采用理論計算和數值模擬手段對隔離層安全厚度進行了研究分析。分析結果表明，采空區跨度在10 m以內時，安全隔離層最優厚度為16 m；采空區跨度在10~15 m時，安全隔離層最優厚度為24 m；跨度在15 m及以上時，采空區無法保持自穩，即認為目前巴魯巴礦區內跨度達到15 m的采空區已發生冒落或坍塌。

（3）建議礦山在實際開采過程中，根據研究結果，在預留足夠厚度的采空區安全隔離層的基礎上，采用超前探測手段，對采空區位置和形態參數進行詳細探測，并采取必要的工程措施，及時對采空區進行處理，確保礦山露天開采安全。