某鐵礦地下開采對地表設(shè)施的穩(wěn)定性影響分析

劉明宇 王榮林 劉發(fā)平

（安徽馬鋼礦業(yè)資源集團(tuán)姑山礦業(yè)有限公司）

某地下鐵礦周邊環(huán)境較為復(fù)雜，通過礦區(qū)的道路為一條雙車道的鄉(xiāng)村柏油硬化路，寬度約為7 m；河流在地表穿越礦體，屬于典型的“三下開采”礦山。為確保礦區(qū)上部鄉(xiāng)村道路、河流等地表設(shè)施的安全穩(wěn)定性，礦山設(shè)計(jì)留設(shè)保安礦柱及隔離頂柱，設(shè)計(jì)采用預(yù)控頂水平分層充填法（自上而下）。

為避免礦山地下開采對周邊地表設(shè)施產(chǎn)生一定的影響，龔青龍等［1］利用FLAC3D軟件建立數(shù)值模擬模型，對礦區(qū)地表移動(dòng)范圍進(jìn)行分析研究；程立年等［2］基于FLAC3D數(shù)值模擬對礦山“三下開采”移動(dòng)范圍內(nèi)典型剖面的地表沉降進(jìn)行了分析；雷明等［3］基于理論分析及數(shù)值模擬開展了礦山地下開采對地表公路的影響分析；張智博等［4］利用多種地表變形預(yù)測法、數(shù)值模擬手段對某地下銅礦在開采過程中對地表的影響進(jìn)行分析，并得到開采過程中地表建筑物的變形規(guī)律。

1 工程概況

某鐵礦位于白象山背斜黃馬青組砂頁巖與閃長巖接觸帶和巖體內(nèi)側(cè)，礦區(qū)地層主要有三疊系上統(tǒng)黃馬青組（T3h）、侏羅系中下統(tǒng)象山群（J1-2xn）、白堊系下統(tǒng)上火山巖組（K12）以及第四系（Q）沖、坡積層。

礦床主要礦體賦存在閃長巖與砂頁巖接觸帶的內(nèi)帶，其形態(tài)受礦區(qū)背斜構(gòu)造控制。橫向呈平緩拱形，產(chǎn)狀與圍巖基本一致，兩翼傾角為5～35°，在撓曲部位達(dá)35～55°，一般為10～30°。縱向大致以4B線為界，南部向南傾，傾角為15～35°，一般25°左右；4B線以北向北傾，傾角為0～35°，一般為5～25°，與背斜傾伏角大致相同。礦體厚度及變化特征：橫向呈平緩拱形，產(chǎn)狀與圍巖基本一致，主礦體呈似層狀，局部有膨大現(xiàn)象。礦體厚度變化較大，一般為5～40 m，平均厚度為34.41 m，最大厚度為121.72 m。沿走向及傾向均有分枝現(xiàn)象，尤其南部分枝更為明顯，主礦體一般呈2～3層，少數(shù)地段礦體連續(xù)厚度可達(dá)60～70 m。

該鐵礦為地下開采，設(shè)計(jì)采用預(yù)控頂水平分層充填法（自上而下），設(shè)計(jì)回采中段高度為40 m，劃分-390、-430、-470 m中段，礦塊沿走向布置，礦塊內(nèi)的采場（礦房）垂直走向布置。采區(qū)東翼礦塊長70 m，西翼礦塊長60 m，中段頂部留6 m頂柱，保安礦柱寬15 m，上下中段留設(shè)的礦柱應(yīng)垂直對齊。

2 三維數(shù)值模型的建立

2.1 巖體力學(xué)參數(shù)

根據(jù)工程地質(zhì)特征及室內(nèi)巖石的物理力學(xué)參數(shù)，本次研究主要考慮了4種力學(xué)介質(zhì)，粉砂巖（礦體頂板）、鐵礦體（礦體）、硅化粉砂巖（礦體底板）和充填體。數(shù)值模擬中所用巖體力學(xué)參數(shù)見表1。

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2.2 模擬步驟

影響地下礦山回采過程中采場穩(wěn)定和地表設(shè)施安全性的因素較多，主要有礦巖賦存環(huán)境、采場結(jié)構(gòu)參數(shù)、開采方式、開采順序以及開采擾動(dòng)等。為盡可能真實(shí)地反映礦體開采及充填的實(shí)際情況，并使數(shù)值模型的地應(yīng)力接近實(shí)際，本次數(shù)值模擬計(jì)算按以下幾個(gè)步驟進(jìn)行。

（1）構(gòu)建初始應(yīng)力場。根據(jù)巖體所處的環(huán)境，構(gòu)建自重應(yīng)力形成初始應(yīng)力場，使構(gòu)建模型達(dá)到初始應(yīng)力狀態(tài)。

（2）構(gòu)建采場開采模型。在采場模型達(dá)到初始應(yīng)力平衡狀態(tài)后，進(jìn)行采場開采模型的構(gòu)建。

（3）根據(jù)回采順序模擬地下采場開采，分析計(jì)算地表道路和河流周邊動(dòng)態(tài)響應(yīng)。上述每個(gè)步驟的計(jì)算均在前一步開采計(jì)算基礎(chǔ)上連續(xù)進(jìn)行，從而客觀地反映了前步開采對下一步開采的疊加效應(yīng)，同時(shí)記錄開采時(shí)的圍巖應(yīng)力和位移狀態(tài)，用于分析地下開采對地表道路和河流的影響。

3 地下開采數(shù)值模擬

3.1 回采數(shù)值模擬

根據(jù)礦山隔離頂柱留設(shè)情況與礦體實(shí)際賦存條件，方案采用預(yù)控頂上向水平充填采礦法（自上而下）進(jìn)行礦體地下開采時(shí)的動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬，礦房沿礦體走向布置，寬度為礦體厚度，平均厚度為34.41 m，采場上盤頂板暴露面積均控制在800 m以內(nèi)。另外，結(jié)合礦山前期研究報(bào)告對中段的劃分，對比分析了各中段回采后的圍巖應(yīng)力、塑性區(qū)變化、位移、地表變形等，探究礦山地下開采是否對地表設(shè)施產(chǎn)生影響，為確保后續(xù)礦山安全、高效回采提供一定的指導(dǎo)建議。

各中段回采及充填數(shù)值模擬分析結(jié)果詳見表2，礦體回采后對地表最大主應(yīng)力出現(xiàn)在-390 m中段，其值為6.21×104Pa；回采時(shí)道路和河流最大位移在-390 m中段，最大位移值為1.85 mm；礦房回采結(jié)束后，針對礦房采空區(qū)采用尾砂膠結(jié)充填，充填結(jié)束后地表最大主應(yīng)力出現(xiàn)在-390 m中段，其值為6.09×104Pa；礦房采空區(qū)充填后，對地表產(chǎn)生最大位移在-390 m中段，最大位移值為1.82 mm。本次設(shè)計(jì)礦山自上而下順序開采，礦房回采結(jié)束后，及時(shí)針對采空區(qū)進(jìn)行充填；因后續(xù)中段開采過程中在爆破荷載等作用下影響上中段采空區(qū)充填體強(qiáng)度，繼而造成礦區(qū)地表道路及河流受到錯(cuò)動(dòng)。礦山正常生產(chǎn)過程中應(yīng)加強(qiáng)充填體質(zhì)量，充填過程中確保采空區(qū)與上部頂板接頂效果，避免采空區(qū)充填效果不佳，降低對礦區(qū)地表道路及河流的影響，確保井下正常生產(chǎn)安全。

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由于篇幅有限，僅列出-430 m中段回采礦體數(shù)值模擬結(jié)果，見圖1～圖4。

3.2 道路和河流下沉分析

根據(jù)上述數(shù)值模擬結(jié)果分析，在采用的預(yù)控頂上向水平充填采礦方法下，礦體回采過程中上覆巖層應(yīng)力分布狀態(tài)整體呈層狀分布，但在礦體上下盤呈現(xiàn)異差。礦體回采和采空區(qū)充填的重復(fù)循環(huán)過程中，圍巖彈性比能在回采過程中釋放，造成上覆巖層下沉。由于回采位置距離地表較近，因此上覆巖層下沉逐漸至地表，在道路和河流位置產(chǎn)生下沉。

井下開采將造成地表道路和河流位移監(jiān)測點(diǎn)的震蕩式下沉，隨著開采時(shí)間增長，回采過程下沉速度較快；礦房充填過程中，地表道路和河流位移將基本趨于穩(wěn)定。由于未充填之前，上下盤圍巖處于無外力支撐狀態(tài)，并且間柱為徑向臨空，進(jìn)行充填之后由于充填體自重引起對礦柱的側(cè)壓致使礦柱處于充填體部分的受力狀態(tài)由單向變?yōu)槿S受力狀態(tài)。在及時(shí)進(jìn)行采場充填后，在控制地壓及覆巖下沉方面能起到很好的作用，同時(shí)，礦柱的承載能力也隨著充填體的密實(shí)程度和強(qiáng)度的提高而提高。整個(gè)回采過程中，各中段采空區(qū)在充填之后地表運(yùn)輸?shù)缆芳昂恿鞯奈灰浦稻呌诙ㄖ担憩F(xiàn)穩(wěn)定。井下各中段回采結(jié)束后，各中段圍巖塑性區(qū)情況見圖5。

由圖5可知，在數(shù)值模擬計(jì)算過程中，河流底部產(chǎn)生了2 m左右的拉伸屈服區(qū)域，在道路和河流下部圍巖中未見破壞裂隙發(fā)展趨勢線。

3.3 道路和河流變形分析

為進(jìn)一步分析地下開采引起的地表道路和河流變形情況，根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》［5］中急傾斜礦體回采引起的變形計(jì)算公式，具體計(jì)算如下。

（1）傾斜為

（2）曲率為

（3）水平變形為

上述式中，q為下沉系數(shù)，為下沉盆地體積與開采礦體體積的比值；r（z）為深度為z處的主要影響半徑，m；b為水平移動(dòng)系數(shù)，為走向主斷面上地表最大水平移動(dòng)值與地表最大下沉值得比值；θ0為開采移動(dòng)傳播角，θ0=arctan( )WmaxUmax，為地表最大下沉降值與該點(diǎn)水平位移值比的反正切值;η為x向變形，m；ζ為y向變形，m。

對于礦區(qū)上部地表道路，進(jìn)行-470 m中段礦體回采時(shí)，道路傾斜值為0.98 mm/m，曲率為0.011 3×10-3m-1，水平變形值為0.393 5 mm/m。-430 m中段礦體回采時(shí)，道路變形值在上一中段回采基礎(chǔ)上略有減小，此時(shí)傾斜值為0.96 mm/m，曲率為0.011 3×10-3m-1，水平變形值為0.393 0 mm/m。-390 m中段礦體回采結(jié)束后，道路變形值達(dá)到最大，傾斜值為1.13 mm/m，曲率為0.014 3×10-3m-1，水平變形值為0.421 4 mm/m，趨于一定值，表現(xiàn)穩(wěn)定，滿足《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》［5］要求。

對于地表河流，-470 m中段礦體回采時(shí)，地表河流傾斜值為1.57 mm/m，曲率為0.016 1×10-3m-1，水平變形值為0.752 0 mm/m。-430 m中段礦體回采時(shí)，傾斜值為1.26 mm/m，曲率為0.016 6×10-3m-1，水平變形值為0.752 0 mm/m。-390 m中段礦體回采結(jié)束后，河流變形值達(dá)到最大，傾斜值為1.65 mm/m，曲率為0.018 6×10-3/m，水平變形值為0.932 6 mm/m，后續(xù)也趨于定值，表現(xiàn)穩(wěn)定。礦山開采對上部地表道路及地表河流產(chǎn)生的變形理論計(jì)算結(jié)果見表3。

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根據(jù)數(shù)值模擬及理論分析結(jié)果，礦山地下回采對礦區(qū)地表道路和河流產(chǎn)生的最大變形值均出現(xiàn)在-390 m中段，均滿足《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》［5］和《有色金屬采礦設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50771—2012）［6］允許值（傾斜i=±3 mm/m；曲率K=±0.2×10-3m-1；水平變形ε=±2 mm/m）要求范圍內(nèi)，礦山開采滿足安全要求，對地表鄉(xiāng)村道路、河流產(chǎn)生的影響在安全范圍內(nèi)。

4 結(jié) 論

（1）井下采場寬度在5 m內(nèi)時(shí)，考慮在道路和河流下開采的特殊性與一定的安全系數(shù)，為確保礦山開采對地表河流和道路影響在安全的情況下，地下開采暴露面積控制在800 m2以下。另外，在巖體揭露之后，若發(fā)現(xiàn)節(jié)理裂隙發(fā)育地段，需結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，減小頂板暴露面積。

（2）井下開采將造成地表道路和河流位移監(jiān)測點(diǎn)的震蕩式下沉，隨著開采時(shí)間增長，回采過程下沉速度較快；礦房充填過程中，地表道路和河流位移將基本趨于穩(wěn)定。在及時(shí)進(jìn)行采場充填后，在控制地壓及覆巖下沉方面能起到很好的作用，同時(shí)，礦柱的承載能力也隨著充填體的密實(shí)程度和強(qiáng)度的提高而提高。整個(gè)回采過程中，地表最大位移為1.68 cm，-470 m礦房充填之后位移值趨于定值，表現(xiàn)穩(wěn)定。

（3）回采過程中道路和河流的變形值均小于《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》（安監(jiān)總煤裝〔2017〕66號(hào)）和《有色金屬采礦設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50771—2012）所允許變形值。

（4）為減少地下開采對地表河流和道路的影響，必須留設(shè)至少20 m的隔離頂柱。回采產(chǎn)生的應(yīng)力峰值仍然由留設(shè)的礦柱承擔(dān)，充填體只是改善了礦柱的承載能力。礦房回采過程中應(yīng)采用強(qiáng)采、強(qiáng)出、強(qiáng)充等方式，盡量縮短各工序間的銜接時(shí)間，并確保采空區(qū)充填質(zhì)量。