某礦區近地表開采地質災害模擬研究

張明天 龔原 董法 王廷飛 冷智高 安東亮 王稷晗

摘要：為了對某礦區近地表開采可能出現的地質災害進行評估，采用離散元數值模擬方法，研究了近地表開采不斷深入可能造成的地表擾動和地質災害。結果表明：在開采過程中應采取切頂、護頂、留點柱等方法控制頂板冒落，且隨著礦體傾角的增大，頂板冒落范圍也將隨之增大。開采過程中應注意礦體傾角的變化，加強頂板管理。研究為后續礦山選擇合理的采礦方案提供了一定的理論依據。

關鍵詞：近地表開采;離散元;2D-BLOCK;地質災害;數值模擬;采空區

中圖分類號：TD85????????? 文章編號：1001-1277（2021）08-0042-06

文獻標志碼：Adoi：10.11792/hj20210809

引 言

隨著經濟的發展，國家對礦產資源的需求不斷增長[1-2]。但是，長期大規模和高強度地開發礦產資源，常伴隨著一系列工程災害，并難以有效預測與防治[3-6]。礦體開挖后產生大量的采空區，使得采空區周圍應力平衡遭到破壞，從而引起采空區對應近地表發生沉陷的工程地質災害現象，并產生嚴重的危害[7-10]。因此，近地表采礦誘發的地質災害問題，成為人們日益關注的焦點，也是采礦領域的重要研究課題[11-13]。

某礦山為新建礦山，礦山建設井建開拓過程中，已經造成礦層頂板破壞，致使含水層與地表水之間相互導通，從而導致礦區水文地質條件變為復雜類型。該礦區開采要達到50萬t/a的設計能力，需要解決采礦方法及工藝、采空區處理、地壓監控等技術難題。開采項目自建設以來由于礦巖頂底板不穩定，水文地質條件復雜，未能按設計按期建成投產達產，為此，需開展礦區采礦方法試驗研究工作。礦區的3個礦段礦體離地表相對較近，均屬于近地表開采，隨著開采的不斷深入，極有可能會擾動地表，造成地質災害。通過采用離散元數值模擬的方法，應用2D-BLOCK軟件對近地表可能會出現的地質災害進行模擬分析，從而對可能引起的地質災害進行評估與分析，并對采空區不同采場高度提出相應有效的處理措施。

1 工程背景

1.1 礦體賦存條件

該礦區含礦巖系均為石炭系下統大塘組，該含礦巖系覆蓋于寒武系中統高臺組白云巖的古侵蝕面上，侵蝕面起伏不平。上部與擺佐組灰巖呈漸變過渡，整合接觸。根據組成含礦巖系剖面的巖性系列，分為鋁礦系-鐵礦系型、鋁礦系型、碳質頁巖型、鐵礦系型。其中，鋁礦系-鐵礦系型為礦區含礦巖系的主要類型，該類型中鋁礦系厚0～46.46 m，巖性為鋁土巖、鋁土頁巖、鋁土礦。

礦床成因類型屬風化殼再沉積礦床，工業類型為準地臺型陸源碎屑障壁海岸及陸表海內潮坪瀉湖相，產于碳酸鹽巖類巖石侵蝕面上的鋁土礦床[14]。

1.2 開采技術條件

該礦區由3個礦段構成，礦體為緩傾斜薄至中厚礦體，形態復雜，厚度變化大，頂底板起伏大，整個礦系頂板為結晶的灰質白云巖，礦系底板為白云巖和泥質白云巖，穩固性良好，巖溶發育，開采技術條件復雜。礦體直接圍巖為鋁土巖、鋁土頁巖、鐵質頁巖、赤鐵礦。其中，鐵質頁巖、疏松赤鐵礦穩固性較差。礦區圍巖物理力學參數見表1。

一礦段：該段礦體沿東西向呈鍋底狀產出，地表平均出露標高1 480 m，最低控制標高1 235 m。礦體沿傾向連續，向北東側伏。礦體傾向260°～280°，東翼傾角較大，最大傾角為45°，平均傾角為27°，平均厚3.5 m;西翼較緩，最大傾角為35°，平均傾角為13°，平均厚3.8 m。整個礦段礦體上部傾角較大，下部較緩，平均傾角20°，走向長1 350 m左右，平均水平厚3.55 m左右。

2021年第8期/第42卷? 采礦工程采礦工程? 黃 金

二礦段：由于目前地表開挖采礦點多，破壞較嚴重，且沒有現狀實測資料，根據現場調查和歷年采礦標高，設計暫按最高開采標高1 380 m考慮。礦體沿東西向呈層狀產出，地表平均出露標高1 420 m，最低控制標高1 180 m，礦體沿傾向連續，向東側伏。礦體傾向260°～280°，平均傾角33°，平均厚4.5 m，走向長950 m左右。

三礦段：呈層狀產出，地表平均出露標高1 400 m，最低控制標高1 180 m。礦體沿傾向連續，向北東側伏。礦體傾向280°～305°，平均傾角35°，走向長1 500 m，平均厚3.5 m左右。

上述各礦段礦體的直接頂底板多為鋁土巖，中等穩固;其次為雜色頁巖和鐵質黏土巖，中穩—不穩;少數為鋁質灰巖和白云巖，較穩固。間接頂板為結晶的灰質白云巖，巖溶化不顯著，巖層溶孔和晶洞發育，個別充填有黃色黏土，開采時易引起巖溶內黏土塌落。礦體底板為白云巖和泥質白云巖，不易形成較大巖溶現象，主要為細小節理，對開采影響不大。

2 模型構建

2.1 離散元理論

離散元理論是由分析離散單元的塊間接觸入手，找出其接觸的本構關系，建立接觸物理力學模型，并根據牛頓第二定律建立力、加速度、速度及其位移之間的關系，對非連續、離散的單元進行模擬仿真。1970年Cundall首次提出離散單元DEM（Distinc Element Method，DEM）模型，至今已在數值模擬理論與工程應用方面取得長足的發展。它不僅能反映巖土體之間接觸面的滑移、分離與傾翻等大位移，也可計算巖土體內部的變形與應力分布。中國研究與應用離散元法始于20世紀80年代中期，王泳嘉教授首次應用于節理巖體的數值分析中，研究了放礦的數值模擬與自然崩落機制。目前，該方法得到了廣泛應用和深入研究。二維與三維可變形離散元進一步地完善了離散元應用，在離散元基礎上提出的DDA（Discontinuous Deformation Analysis，DDA）方法也屬于離散元的一種模型，它在求解塊體變形與應力時用變態模態組合來代替Cundall的有限差分格式[15]。

2.2 計算所采用力學參數

在本次計算過程所采用的礦（巖）體數據已經過大量的試算和經驗折減，計算模擬中所采用的計算參數見表2。

2.3 計算模型

考慮到二礦段34b勘探線剖面及一礦段Ⅰ#縱剖面礦（巖）體的實際關系及所要解決的問題，建立所需要的計算模型（見圖1、圖2）。模型采用與礦（巖）體傾向、傾角一致的結構單元，遠離礦體的間接頂底板采用5 m×5 m的結構單元，礦體、直接頂底板采用2 m×2 m的結構單元（受計算機計算能力的限制，單元體相對實際情況有所放大）。二礦段34b勘探線剖面計算模型單元劃分為15 807個塊體，采場各中段之間預留4 m頂底柱，在此前提下分析礦體開挖對上部圍巖的影響。一礦段Ⅰ#縱剖面計算模型單元劃分為28 105個塊體，各采場之間預留5 m的間柱，采場內預留2 m點柱，在此前提下分析礦體開挖對上部圍巖的影響。

計算方案模型采用位移邊界約束，即模型的底部和左右兩邊采用位移固定約束，模型頂部不加約束，模型內部形成采空區后不施加任何約束，允許圍巖依照自身的力學機制發生一定的位移或破壞，研究礦體回采后采空區的穩定性及上部圍巖的破壞范圍。

2.4 模擬結果分析

本次離散元模擬中，法向剛度系數和切向剛度系數采用巖體的彈性模量和泊松比，采用單元的幾何尺寸進行換算。模擬過程中，選用合適的模擬步長，通過大量的計算機模擬，34b勘探線剖面共進行2 000多萬次迭代，模擬結果分析如下：

模擬過程在模型的底部和左右施加固定約束，模擬模型在重力作用下的冒落規律。離散元可以給出剖面的速度圖、位移圖、主應力分布圖及各單元角點等的接觸關系圖等，信息量比較大。由于各剖面的模擬規律基本相同，僅對二礦段34b勘探線剖面和一礦段Ⅰ#縱剖面進行了模擬。

2.4.1 二礦段34b勘探線剖面

模擬第一步，不進行任何開挖活動，將邊界約束施加到所研究的區域中，形成初始應力場。位移從模型的頂部向下依次減小，頂端位移最大。這主要是由于塊體單元在自重應力及上部所施加外部荷載作用下的壓實作用所造成的，該步模擬（原始模型模擬結果見圖3～5）在礦（巖）體中形成初始應力場，塊體單元的位移主要是彈性形變。

模擬第二步是在礦（巖）體壓實（或形成應力場）的基礎上將礦體開采至1 205 m水平。從模擬結果應力、位移及速度分布圖（見圖6～8）可以看出，礦體開采后，位移、速度方向都指向采空區，符合巖石力學的規律。礦體回采后上盤直接頂板出現冒落，從塊體放大圖（見圖9）中可以看出，除了直接頂板鋁土頁巖冒落較為嚴重外，間接頂板沒有出現開裂和離層現象。這說明二礦段直接頂板鋁土頁巖是影響礦體開采穩定的主要因素，在礦體開采過程中應采取控頂措施來保證開采的安全。

2.4.2 一礦段Ⅰ#縱剖面

一礦段Ⅰ#縱剖面模擬第一步，不進行任何開挖活動，將邊界約束施加到所研究的區域中，形成初始應力場。Ⅰ#縱剖面模擬結果見圖10～12。由圖10～12可知，位移從模型的頂部向下依次減小，頂端位移最大。這主要是由于塊體單元在自重應力及上部所施加外部荷載作用下的壓實作用所造成的，該步模擬在礦（巖）體中形成初始應力場，塊體單元的位移主要是彈性形變。

模擬第二步是在礦（巖）體壓實（或形成應力場）的基礎上將礦體開采。從模擬結果應力、位移及速度分布圖（見圖13～15）可以看出，礦體開采后，位移、速度方向都指向采空區，符合巖石力學的規律。礦體回采后上盤圍巖出現冒落，從塊體放大圖中可以看出，頂板位移與礦體傾角有一定的關系，礦體傾角較緩時，頂板冒落范圍較?。ㄒ妶D16）;礦體傾角為20°左右時（見圖17），頂板的冒落高度約為12 m;在靠近F3斷層附近礦體傾角為30°時（見圖18），頂板的冒落高度約為20 m，且地表出現明顯的移動。從模擬結果可以看出，隨著礦體傾角的增大，頂板出現冒落的范圍也隨之增大，且會影響到地表，所以開采過程中采場內建議留點柱，且控制好點柱之間礦房的跨度，必要時進行充填。

3 采空區處理

通過數值模擬分析，認為該礦區地下開采會影響到地表，且礦區水文地質條件復雜，地層中斷層、溶洞、裂隙較多，一旦采空區發生大面積垮塌，采空區與地表就有可能通過地層中的斷層、溶洞、裂隙連通，遇到雨水天氣，地表的泥沙就會隨雨水流入井下。久而久之大量地表泥沙被帶入井下后，地表就會出現垮塌。該礦區投產后，地表出現了許多塌陷坑，塌陷坑的出現不僅影響了礦群關系，而且后期治理的難度和費用也比較高。因此，采空區要及時進行有效治理。

3.1 采高小于3 m的采空區

采高小于3 m的采空區屬于較小采空區。根據房柱采礦法的特點，礦體越薄，采場采空區跨度越小，采場內預留點柱越多。從該礦區2年來的回采現狀看，小于3 m的鋁土礦隔水層極易被破壞，隔水層被破壞后大部分采場都會出現涌水、涌泥（沙）。對于采高小于3 m的采空區，建議回采時強采強出，一旦采場回采完畢，及時形成采場閉坑報告，并立即用混凝土封堵采場所有入口，使采空區頂板自然垮塌并充填采空區。

3.2 采高3～6 m的采空區

采高3～6 m的采空區屬于中型采空區。根據采場采切工程的布置，每個采場有4條上山與上中段貫通，回采礦體時，可預留0.5 m左右的護頂礦以保證回采過程中采場頂板不垮塌。采場回采時按設計在采空區內預留點柱，采場回采完畢后及時形成采場閉坑報告，并對采空區進行處理。

對于3～6 m的采空區，建議采用上中段掘進的廢石充填。實施時，首先在上山與上中段貫通的巷道對面施工錯車硐室;然后用無軌運輸設備直接將廢石從上山貫通口倒入采空區?？紤]到鋁土巖的自然安息角大于鋁土礦的實際傾角和盡可能的多用廢石充填采空區，建議在上山對應的電耙聯道內安放1臺電耙，將倒入的廢石盡可能耙到下部以增加采空區的充填廢石量，最終使充填廢石距頂板距離保持在1.5～2.0 m;最后，廢石充填到位后，將電耙撤出并用混凝土封堵采場所有入口。

3.3 采高6～12 m采空區

采高6～12 m的采空區屬于較大型采空區。根據該礦區礦井下礦體賦存條件，礦體厚度達到6～12 m的采場只有一礦段1 300 m中段9#和10#采場。9#、10#采場礦體傾角約10°，采用房柱采礦法和留礦采礦法聯合開采，進路出礦，回采時頂板預留0.8 m左右的護頂礦以保證采場回采時頂板不垮塌。

對于9#、10#采場較大型采空區處理，從安全、經濟、可行性3方面考慮，利用廢石自重充填采空區最為合理，故建議用上中段掘進廢石進行充填。步驟如下：

1）充填地點的選取。根據采礦方法和回采順序情況看，1 325～1 340 m分段1#、2#進路回采完畢，在回采3#、4#進路時，就可以回填1#、2#進路形成的采空區。預計采空區的高度約6 m，故把采空區充填地點選在1 330 m中段舊大巷處。

2）回填方法。根據井下現場施工情況，回填從選定地點開始，從上往下傾倒，廢石充填到與倒渣地點平齊后，向采空區內呈扇形推進。推進過程中需要使用1臺2 m3的運鏟車將廢石向前推進。充填后，采空區現狀是：低于充填地點的采空區與充填地點填平。第二次充填從采空區內向充填地點方向依次回填。回填工序是：首先將掘進廢石運送到充填地點，再用運鏟車將廢石運送到采空區內充填采空區。2道充填結束后，充填廢石距頂板距離保持在2～4 m。充填完成后，用混凝土封堵采場所有入口。

4 結 論

該礦區礦段礦體開采屬近地表開采，采用離散元數值模擬方法，對近地表開采會出現的地質災害進行模擬。

1）通過對該礦區二礦段34b勘探線剖面的模擬分析，認為直接頂板鋁土頁巖是影響礦體開采的主要因素，在開采過程中應采取切頂、護頂、留點柱等方法控制頂板冒落。

2）通過對一礦段Ⅰ#縱剖面的模擬分析，認為隨著礦體傾角的增大，頂板冒落范圍也將隨之增大，開采過程中應注意礦體傾角的變化，加強頂板管理。

3）通過模擬分析，認為近地表開采可能會影響到地表，所以開采過程中采場內應嚴格按照有限元模擬結果留設點柱及控制好點柱之間礦房的跨度。

4）結合離散元分析結果及該礦區礦體的實際情況，提出了不同采高采空區的處理方法。

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Simulation of geological hazard in near-surface mining in a mining area

Zhang Mingtian1，2，Gong Yuan3，Dong Fa1，Wang Tingfei4，Leng Zhigao5，An Dongliang3，Wang Jihan1，2

（1.College of Safety Science and Engineering，Xinjiang Institute of Engineering;

2.Faculty of Land Resources Engineering，Kunming University of Technology;

3.Yunnan Decheng Planning and Design Co.，Ltd.;

4.Yunnan Dacheng Safety Technology Service Co.，Ltd.;

5.Fujian Makeng Mining Co.，Ltd.）

Abstract：In order to evaluate the potential geological disasters of near-surface mining in a mining area，the potential surface disturbance and geological disasters caused by the deepening of near-surface mining were studied by using the discrete element numerical simulation method.The results show that in the process of mining，roof cutting and pillar retaining methods should be adopted to control roof caving，and with the increase of the dip angle of the ore body，the roof caving range will also increase.Therefore，the change of the dip angle of the ore body should be paid attention to and the roof management should be strengthened.The research provides a certain theoretical basis for the mine to subsequently choose a reasonable mining scheme.

Keywords：near-surface mining;discrete element;2D-BLOCK;geological hazard;numerical simulation;goaf