崩落法開采巖體冒落及巖移機理

張東杰，任鳳玉，王健多

1. 內蒙古科技大學 礦業與煤炭學院，內蒙古 包頭 014010；2. 東北大學 資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819；3. 中國石油遼河油田公司，遼寧 盤錦 124010 )

1 工程背景

1.1 工程地質

某鐵礦屬于沉積變質磁鐵礦床，礦石年產量400萬t，礦區長約7.0 km，屬于丘陵地貌，海拔平均標高約300 m，屬溫帶大陸性季風氣候，年平均降水量約800 mm。礦體上盤圍巖為石英巖、下盤圍巖主要為花崗巖，巖石密度2.66 t/m3，巖石堅固性系數f=8～12，松散系數K=1.5，穩定性較好；礦體呈似層狀，上陡下緩，走向NE 20°～50°，長約350 m，傾向SE 25°～40°，深部礦體厚度50～130 m，礦體平均厚度達100 m，平均品位28.94%，屬于典型的傾斜厚礦體，礦石密度3.36 t/m3，礦石堅固性系數f=12～16，松散系數K=1.5，穩定性較好。

1.2 礦體開采情況

該鐵礦于2006年開始由露天轉入地下開采，整個礦床從上到下分為上部、中部和下部3個采區，采區間留有安全隔離礦柱，保障采區之間的礦體開采不受彼此巖移威脅，中、下部采區的分布及礦體開采情況如圖1所示。目前，礦山主要開采深部采區，應用無底柱分段崩落法開采，首采分段位于+60 m水平，分段高15 m，進路間距18 m，+45 m與+30 m分段已開采結束，主要開采+15，0 m分段。

圖1 采區分布投影 Fig. 1 Projection of mining area distribution

1.3 地表塌陷情況

隨著深部礦體開采的持續，井下采空區頂板圍巖不斷冒落，2014年5月開采+45 m分段時，為了監測頂板圍巖的冒落發展情況，沿3號地質勘探線布置了4個地質監測鉆孔，鉆孔間距30 m，覆蓋了主要的采礦影響區。在+45 m分段開采后期，于2015年10月5日突然發生大規模地表塌陷，在地表形成了1個最大深度為27 m，直徑約為80 m的橢圓形塌陷坑，導致塌陷區內的廢棄房屋陷落，并在塌陷坑周圍出現了多條斷裂線，對地表環境、工業設施和運輸道路構成了嚴重威脅( 圖2 )。

圖2 現場地表塌陷情況 Fig. 2 Surface collapse on site

2 巖體冒落及地表變形特征分析

2.1 巖體冒落監測

地質監測鉆孔于2014年8月完成，采用井下電視系統監測頂板巖體的冒落進程，初始監測周期為1個月1次，后續隨著冒落進程的加快適時縮短監測周期，整個監測過程歷時13個月。2015年9月24日，當覆巖底板距離地表約30 m時，即小于安全監測高度后，人員立即撤離；2015年10月5日，地面發生大規模坍塌。井下電視監測過程中2號與3號鉆孔裂隙擴展及冒落情況如圖3所示。從監測圖像可以看出，在采空區頂板冒落邊界以上一定距離會出現明顯的錯動裂隙，2個監測鉆孔冒落邊界距離最近的錯動裂隙分別為5.3 m與12.6 m，2個鉆孔的錯動位置相差7.3 m，且錯動形態并不一致。

圖3 鉆孔監測圖像 Fig. 3 Drilling monitoring image

巖體冒落過程監測結果如圖4所示，整個冒落過程為緩慢—快速冒落交替發展。在監測早期階段，隨著井下采礦的進行，頂板混合花崗巖由于穩定性較好，始終處于緩慢冒落階段，這一過程持續了約5個月；隨著采空區暴露面積的增加，當超過其臨界冒落面積時，采空區頂板于2015年1月至2月發生了第1次大規模冒落，進入快速冒落階段；隨后于2015年2月至5月再次進入緩慢冒落階段；整個監測周期內共發生了3次快速冒落與3次緩慢冒落，快速冒落階段的冒落高度分別為15，23.5，48 m( 圖4( a ) )，巖體冒落的劇烈程度與冒落發展成正比。隨著監測的持續，巖體拱形冒落發展趨勢更加明顯( 圖4( b ) )，這可能與結構面影響下巖體內部應力的演化密切相關[20]。

圖4 井下電視監測結果 Fig. 4 Monitoring results of BHTV

2.2 ? 地表變形監測

崩落法開采礦山地表沉降及塌陷坑的形成是采空區頂板巖體冒透地表后的結果。為了準確獲得采礦導致的地表沉降及巖移發展情況，對主要采礦影響區進行了監測。根據地質和采礦條件，沿礦體走向和傾向分別布置1條監測線，其中沿走向方向布置15個測點( R1，R2，…，R15 )，沿傾向方向布置14個測點( N1，N2，…，N14 )，相鄰測點間距為20 m。+45 m分段礦體于2014年5月開始開采，2015年7月底開采結束，開采周期約14個月，監測周期為每月1次，+45 m分段開采順序及監測點布置如圖5所示。

化學作為一門動手的學科，常常需要大量的實驗數據來論證結果的正確性，化學有機物的學習也是如此，在記牢各類有機物化學方程式之后，我們應該在開展化學實踐課程時，多動手操作其反應原理。讀萬卷書不如行萬里路，一個知識點只有我們自己親手去實驗了，才能真正成為自己的東西。實踐是檢驗我們在學習過程中對知識點把握是否精準的最好手段，若是在實踐當中出現實踐結果與書上教學的不一致，或者過程有問題，排除外部因素，那一定是我們自身所學不夠精湛，導致動手操作結果不理想。所以說，多去實踐，多去動手，既能發揮我們的主觀能動性，還能讓我們加深對有機物知識的理解，何樂而不為呢？

圖5 地表監測點布置 Fig. 5 Arrangement of surface monitoring points

采礦影響范圍內，沿礦體走向方向的東北側有1座廢棄廠房，允許塌落；在傾向方向的西側有1條運輸道路，巖移裂隙邊界距離運輸道路非常近，這條道路作為礦山惟一的運輸通道必須保障其安全運行，不允許遭受巖移威脅。因此，對運輸道路進行風險評估至關重要，本文將重點分析沿傾向方向的地表變形和沉降特征。

地表垂直位移監測結果如圖6( a )所示，隨著+45 m分段礦體的連續開采，地表沉降深度與沉降范圍不斷擴展，沉降呈現漏斗狀，最大沉降點位于礦體中心部位，沉降率逐漸增加。2015年1月后，沉降中心逐漸向上盤偏移，在礦體上、下盤呈現非對稱擴展，沉降率逐漸下降。通過比較礦體上、下盤遠端的垂直位移，上盤沉降發展明顯高于下盤。截至2015年7月底，+45 m分段采礦引起的最大沉降量為1 013.3 mm，而運輸道路附近的最大沉降量達到32.5 mm。

圖6 地表沉降及變形監測結果 F ig. 6 Monitoring results of surface subsidence and deformation

地表水平位移監測結果如圖6( b )所示，最大水平位移出現在礦體上、下盤沉降中心與巖移邊界中心位置附近，礦體開采中心水平位移幾乎為0，上盤的最大水平位移約為下盤的2倍，整個采礦過程中，水平位移的零點緩慢向上盤側移動。分段開采結束時，水平位移的零點由礦體中心部位向上盤側移動約11.4 m，上盤側的最大水平位移約為286 mm，運輸道路附近的最大水平位移約為28 mm。

地表水平變形情況如圖6( c )所示，正值表示拉伸變形，負值表示壓縮變形。隨著井下采礦的進行，水平變形主要呈現波浪形變化，位于遠端的地表水平變形主要為拉伸和壓縮變形交替發展，在主要影響區內，水平變形主要為拉伸變形，其中上、下盤距離礦體中心分別為120 m與180 m位置的水平變形最大，分別為8.47 mm/m與4.92 mm/m；靠近礦體中心附近的水平變形逐漸減小，上盤側的水平變形要高于下盤，最大水平變形值為下盤的1.4～1.9倍。在運輸道路附近，最大拉伸變形為0.95 mm/m，最大壓縮變形為0.53 mm/m。

綜上分析，受井下采礦影響，巖體冒落主要表現為緩慢—快速冒落周期性變化，并且冒落呈現拱形發展；同時，地表巖移以垂直沉降為主，上盤側的沉降及水平位移值高于下盤，在+45 m分段采礦后期，沉降中心逐漸向上盤側發展，巖移發展已經危及運輸道路，必須采取措施控制其發展，保護運輸道路。為闡明傾斜厚礦體崩落法開采巖體冒落及巖移機理，需結合礦山開采實際，進行數值模擬分析，提出有效的地表巖移控制措施。

3 巖體冒落及巖移機理數值模擬分析

通過現場監測，在獲得巖體冒落及地表巖移發展特征的基礎上，采用RFPA 2D離散元數值方法深入研究傾斜厚礦體崩落法開采的巖體冒落及巖移機理。

3.1 模型構建

根據地質調查，頂板圍巖主要為混合花崗巖，研究區內沒有斷層帶，節理成為了影響采空區頂板巖層冒落及巖移發展的重要影響因素[21-23]，通過現場結構面調查( 圖7 )，將獲得的結構面參數利用DIPS軟件進行分析，獲得優勢結構面的產狀情況，見表1，該參數值可用于指導數值分析中節理組的設置。

圖7 圍巖節理分布情況 Fig. 7 Distribution of surrounding rock joints

表1 優勢節理組參數 Table 1 Parameters of dominant joint group

如表1所示，優勢節理組由微傾斜和2個幾乎正交的急傾斜節理組成，這種結構最有利于巖體冒 落[24]。頂板混合花崗巖的力學參數通過實驗室試驗獲得，模型中使用的節理假定由較低強度和剛度的“弱材料”制成。研究表明均勻性指數m應大于2.0，但落在2.0～6.0的典型范圍內[25]。均勻性指數是定義材料異質性程度的參數之一，該值越大表明材料越均勻，RFPA軟件中可以實現對材料均勻特性的賦值，基于前人的相關研究成果，對于巖石性質的材料一般選取m=3，對于節理材料一般選取m=5[25-27]。數值模擬所用巖體力學參數見表2。

表2 數值模擬所用巖體力學參數 Table 2 Mechanical parameters of rock mass for numerical simulation

數值模型適當簡化，忽略地表小的起伏區域( 圖8 )，模型長×高=600 m×250 m，模型由150 000個單元構成。頂部邊界設置為自由面，右邊界、左邊界和底邊界約束法向位移，模型受其自身重力影響。通過逐漸去除175 m深處的礦體( +60 m分段 )來模擬礦石的開采，單步開挖尺寸為長×高=10 m×15 m。模型中的節理傾角及間距依據工程地質調查獲得的節理參數進行設置，模型以準靜態方式加載達到平衡狀態，假定計算過程為平面應變問題。

圖8 數值分析模型 Fig. 8 Numerical analysis model

巖體冒落過程中，為了突出巖橋的重要作用，研究中特別給定節理組是非連續的，節理之間的非穿透區域被認為是巖橋。巖體中節理的非均勻空間分布必然導致巖橋長度及位置的不均勻分布，即巖橋一般隨機分布在巖層中。數值模型中圍巖中的深色細長元素為節理，節理組間淺色元素為巖橋。

3.2 結果分析

3.2.1 巖體冒落模擬結果

第1分段( +60 m分段 )開采過程中，覆巖斷裂破壞、應力演化及損傷擴展過程如圖9～11所示。開采跨度達40 m時，應力集中主要出現在巷道兩幫，采空區頂板圍巖中產生拉伸和剪切裂紋，紅色代表拉伸裂紋，白色代表剪切裂紋。當開采跨度達到臨界冒落跨度時，拉伸和剪切裂紋沿著節理和巖橋相互貫通，頂板圍巖開始冒落，直至冒落巖層形成自穩結構，在冒落區附近主要為拉伸破壞，遠端主要為剪切破壞，并且沿節理繼續向上擴展，應力集中區逐漸由巷道兩幫轉移到頂板圍巖中。開采跨度達80 m時，頂板圍巖呈現不同的冒落機制，冒落區底部主要是沿著急傾斜節理的滑移破壞，冒落區頂部主要為沿水平及急傾斜節理的傾倒破壞；從應力演化圖( 圖10 )可以看出，在趨于穩定的冒落頂板上方會形成一個或多個明顯的應力拱，應力拱下方密集的拉伸裂紋相互貫通后，裂隙巖體即發生冒落，而應力拱的存在限制了頂板巖層的進一步冒落，使冒落發展呈現拱形變化特征。開采跨度達100 m時，跨度的增加迫使應力拱的支撐點向上移動，使原應力拱所在區域的穩定巖體繼續失穩冒落，進入快速冒落期，當冒落線接近新的應力拱時，進入緩慢冒落期，此時拱形冒落趨勢更加明顯；當冒落發展接近地表后，在地表形成微小沉降，由于應力拱的存在，頂板巖層沒有完全坍塌，使近地表圍巖保持穩定狀態。在整個開采過程中，頂板巖體的冒落進程表現為緩慢—快速交替發展，最終發生地表沉降，這種變化特征與現場冒落監測結果基本一致。

圖9 +60 m 分段開采覆巖斷裂破壞情況 Fig. 9 Overlying rock fracture failure of +60 m segmented mining

圖10 +60 m分段開采覆巖應力演化情況 Fig. 10 Overlying rock stress evolution of +60 m segmented mining

圖11 +60 m分段開采覆巖損傷擴展情況 Fig. 11 Overlying rock damage propagation of +60 m segmented mining

3.2.2 地表巖移模擬結果

第2分段( +45 m分段 )礦體開采過程中，覆巖斷裂破壞、應力演化及損傷擴展過程如圖12～14所示。開采跨度達40 m時，拉伸與剪切裂紋貫通至地表，應力拱消失，頂板巖層垮落，在地表形成了顯著的沉降凹槽；近地表上盤圍巖的應力集中程度比下盤更明顯，這加快了上盤邊壁圍巖的破壞發展。開采跨度達60 m時，塌陷坑邊壁圍巖冒落繼續擴展，沉降范圍和圍巖損傷發展繼續增加。開采跨度達80 m時，塌陷坑邊壁圍巖發生明顯的傾倒破壞，損傷區沿上盤發展趨勢也更加顯著，即上盤邊壁巖體更容易沿節理發生破壞。當該分段礦體開采結束后，邊壁巖體完全破壞并逐漸沉實，應力集中區域消失，沉降中心向上盤發生偏移。

圖12 +45 m分段開采覆巖斷裂破壞情況 Fig. 12 Overlying rock fracture failure of +45 m segmented mining

圖13 +45 m 分段開采覆巖應力演化情況 Fig. 13 Overlying rock stress evolution of +45 m segmented mining

圖14 +45 m 分段開采覆巖損傷擴展情況 Fig. 14 Overlying rock damage propagation of +45 m segmented mining

數值模擬獲得的地表沉降變化情況如圖15所示，隨著開采的持續，地表沉降值逐漸增加，初期最大沉降值出現在近礦體中心部位，向遠端逐漸減小；分段開采后期，沉降中心逐漸向上盤發生偏移，地表沉降的不對稱特征更加明顯。數值獲得的沉降值與現場監測實際最大沉降值存在一定偏差，主要原因在于數值分析中未考慮冒落巖石的碎脹效應；然而，數值模擬獲得的地表沉降及巖移發展特征與現場監測結果基本一致，能夠較好地解釋現場巖體冒落及巖移機理。

圖15 + 45 m分段開采地表沉降曲線 Fig. 15 Surface subsidence curves of +45 m segment mining

3.3 巖體冒落及巖移機理分析

基于現場監測與數值模擬分析，巖體在冒落過程中，裂紋主要沿著節理( 弱結構面 )生成，并逐漸延伸至完整的巖橋中，當拉伸與剪切裂紋完全貫通后，覆巖發生冒落，巖體的破壞發展路徑是彎曲的，主要呈現拱形破壞發展，這與應力拱的存在密切相關，一旦覆巖在冒落過程中形成應力拱，應力拱下方巖體內應力集中強度被釋放，導致巖體沿結構面發生破壞，而應力拱上方巖體形成自穩結構；隨著開采跨度的增加，應力拱的平衡支點被破壞，應力拱斷裂導致所在位置的巖體發生冒落，進入快速冒落期，直到形成下一個應力拱而終止，這時巖體再次進入緩慢冒落期；在整個開采期間，應力拱反復形成與消散并不斷向上擴展，當巖體冒落至地表后，最后一個應力拱隨即斷裂。因此，巖體呈現緩慢—快速冒落間續發展的內在原因在于應力平衡拱的周期性演化。

巖體冒落至地表后即發生沉降，引起巖移不斷擴展。這里將拉伸裂紋擴展邊界的連線與開采分段水平面的夾角稱為斷裂角，以此來表征巖體斷裂發展趨勢，不同開采跨度下的斷裂角變化曲線如圖16所示。+60 m分段開采時，上盤斷裂角總是大于下盤斷裂角，隨著開采跨度增加，角度差值逐漸減小，即巖體冒透地表前，下盤圍巖發生傾倒破壞程度要高于上盤，但這種趨勢在逐漸減小；+45 m分段開采后，斷裂角發生偏轉，下盤的斷裂角開始大于上盤，上盤巖體的破壞逐漸起主導作用，這時沉降中心開始由礦體中心部位逐漸向上盤側移動，即不同采礦階段表現出不同的沉降機制，這種變化特征是節理和開采跨度共同作用的結果。據此可以推測，隨著開采持續延深，地表上盤區域將會發生更為嚴重的沉降甚至突然塌陷，上盤側的運輸道路必然會遭受破壞，必須采取巖移控制措施保護運輸道路的安全運行。

圖16 斷裂角變化曲線 Fig. 16 Variation curves of fracture angle

4 運輸道路巖移控制措施

現場監測與數值分析結果表明，在未來采礦過程中，地表運輸道路必定會受到巖移及陷落威脅。基于此從控制巖移與保護運輸道路角度出發，提出以下2種可行的措施。

( 1 ) 局部開采礦體

局部開采是指從運輸道路邊界按照巖移角向下延深至各個待開采分段，將運輸道路所在巖移范圍內的礦體暫留作礦柱不進行開采，僅開采巖移范圍外的礦體。該方法從安全角度可行，但存在短期內礦石開采率低，礦柱損失量大等問題。

( 2 ) 廢石充填塌陷坑

充填散體提供的側向支撐力可有效控制塌陷坑邊壁巖移的擴展[28-29]，據此研究提出將地下采出的廢石利用卡車運送并充填至運輸道路附近的塌陷坑，利用充填散體的側向支撐力保障邊壁圍巖的穩定性，限制巖移向運輸道路方向發展，達到保護運輸道路的目的。地表大規模充填已在我國采礦業中廣泛使用，在減少廢石場地占用、保護地面設施和改善地質環境等方面發揮著重要作用，該方法已在礦山應用( 圖17 )。目前，該礦山存在的塌陷坑大部分已被充填，充填廢石總量約11萬m3，通過現場調研，隨著廢石的逐漸充實，近運輸道路一側并未發現明顯的斷裂發展以及斷裂線的出現，道路運行良好，取得了較好的巖移控制效果，有效保障了運輸道路的安全運行。

圖17 地表塌陷坑充填情況 Fig. 17 Filling of surface subsidence collapse pit

5 結 論

( 1 ) 巖體冒落主要表現為緩慢—快速交替拱形冒落特征，地表巖移以垂直沉降為主，沉降初期至2015年1月，最大沉降點位于礦體開采中心部位，沉降率逐漸增加，2015年1月以后，沉降中心逐漸向上盤偏移，呈現非對稱擴展，沉降率逐漸下降，運輸道路附近的最大沉降值約為32.5 mm。

( 2 ) 整個采礦過程中，水平位移的零點由礦體中心部位向上盤側移動約11.4 m，地表水平變形主要呈現波浪形變化，上盤側的水平變形要高于下盤，最大水平變形值為下盤的1.4～1.9倍；運輸道路附近的最大水平位移及變形值分別為28 mm與0.95 mm/m，運輸道路必將遭受采動巖移威脅。

( 3 ) 巖體冒落的原因在于拉伸與剪切裂紋沿著節理和完整巖橋的相互貫通，致使巖體的破壞路徑是彎曲的，其中冒落區兩幫主要為滑移破壞，冒落區頂部主要為傾倒破壞，應力拱的存在及其周期性的形成與消散是巖體呈現緩慢—快速拱形冒落的主要因素。

( 4 ) 地表沉降特征受節理與開采跨度的共同影響，巖體冒透地表后，斷裂發展逐漸由下盤主導轉變為上盤主導，分段開采后期，上盤斷裂角逐漸小于下盤斷裂角，即上盤拉伸損傷區快速擴展，導致地表沉降中心向上盤側偏移。

( 5 ) 提出的地表塌陷坑廢石充填的運輸道路維護方法，經現場實踐可有效控制地表巖移發展。采礦過程中巖體內部裂紋擴展，應力演化與損傷發展的整個過程，巖體冒落與地表沉降機制，可為類似條件礦山開采的巖移預測及控制提供參考。