梅山鐵礦充填法開采對地表道路工程的影響

郝學冉趙運濤李曉剛

（1.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；3.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）

某道路建設項目位于梅山鐵礦礦區北側，是改善市區交通環境的道路規劃工程。項目選址及保護帶與梅山鐵礦范圍部分重疊。為保證擬建項目的安全，研究開采梅山鐵礦壓覆礦體對地表建（構）筑物的影響，采用有限差分方法，運用FLAC3D數值模擬軟件建立三維數值模擬，預測開采過程的地壓活動規律、空區穩定性狀態，定量計算地表沉降量［1-2］。

1 工程概況

梅山鐵礦為大型陸相火山巖型礦體，賦存于輝石閃長玢巖和安山巖的接觸帶中。礦區地層主要為侏羅系上統大王山組；礦區北側、西側局部分布白堊下統葛村組；山間洼地、溝谷之間主要分布第四系上更新統和全新統黏性土層。礦體上盤圍巖基本上為輝石安山巖，下盤圍巖為輝石閃長玢巖。

擬建道路長約2.86 km，紅線寬約45 m。項目南側為梅山鐵礦塌陷坑，北側分布著住宅小區、梅山鐵礦采礦廠、梅山礦業鐵路專用線等。

2 開采技術方案

梅山鐵礦目前采用無底柱分段崩落法開采，分段高度為18 m，進路間距為20 m。采礦進路垂直礦體分區軸線布置，聯絡巷道平行礦體分區軸線布置，聯絡巷道間距為75 m，礦塊平面尺寸為75 m×120 m。每個礦塊布置一條礦石溜井。

為確保管道路項目的安全，保護帶寬度取15 m，移動角表土層取50°，巖層移動角取56°，確定了各分段內保護帶邊界投影范圍內的礦體為壓覆范圍。壓覆范圍內的礦體計劃采用上向進路充填法［3-4］。每個分段高度為18 m，采用高分層寬進路回采作業，回采進路寬度為5 m，回采進路高4～4.5 m，間隔回采。垂直礦體走向20條進路作為一個盤區，盤區設置2個礦塊，礦塊長50 m，礦塊內2條進路同時回采。礦體每個分段采用自下而上的開采順序。開采上分層礦體時，其對應的下分層盤區必須膠結充填完畢。未壓覆礦體維持現有的無底柱分段崩落法開采。

3 數值模擬分析

3.1 建立計算模型

在FLAC3D中對整個礦區進行建模［5］，礦區模型高1 000 m，寬1 700 m，長1 900 m。模型共包括238 434個單元、146 914個節點，并按不同的礦巖性質進行分組。具體模型見圖1、圖2。為了進一步保證模擬的真實性，塌陷帶范圍內圍巖按松散體考慮。

3.2 物理力學參數確定

巖石力學試驗參數應用于巖體工程時，需要考慮到巖石與巖體的差別。結合工程地質調查，采用霍克-布朗經驗公式對力學參數進行弱化折減。參考地質勘探資料，折減后的巖土體和充填體力學參數見表1。

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3.3 邊界條件

計算模型上表面邊界為自由邊界，底面采用固定約束，水平方向邊界施加鉸支約束，即模型在計算過程中不產生邊界法線方向的位移，而允許其它方向的位移。

3.4 模擬結果分析

3.4.1 未壓覆礦體開采影響分析

未壓覆礦體維持現有的無底柱分段崩落法開采，開挖后不充填。為更精確地展示礦體開采對地表擬建項目的影響，選擇地表平面沉降位移云圖（圖3）進行分析。由圖3可知，當礦區范圍內所有未壓覆的礦體開采完后（壓覆礦體未開采），地表沉降范圍位于擬建項目以南，擬建項目基本不受開采沉降的影響。

3.4.2 壓覆礦體開采對擬建項目影響分析

當礦區范圍內所有礦體（壓覆及未壓覆的剩余礦體）開采完后，地表沉降位移情況如圖4所示。壓覆礦體開采后地表沉降量進一步增大，最終趨于穩定。擬建道路沉降量基本在0～20 mm，擬建項目100 m范圍內沉降量基本在0～64 mm，塌陷坑最大沉降值在25 m左右。

3.4.3 模擬結果分析

地表位移集中區主要位于未壓覆礦體正上方，分布在擬建項目南側；擬建項目附近區域沉降等值線較為均勻，且沉降值變化較小，主要是因為擬建項目下方的壓覆礦體采用了充填法開采。

從擬建項目區域位移結果來看，擬建道路沉降值在0～20 mm。擬建項目100 m范圍區域位移值最大在64 mm左右。參照《公路路基設計規范》（JTGD 30—2015），一級公路容許工后沉降最低可達100 mm。綜上所述，就位移數值來說，當前開采計劃下，周圍礦體開采對地表擬建項目的影響較小。

4 結語

采用充填采礦法開采壓覆范圍內的礦體，可有效控制地表沉降變形，滿足擬建道路項目的地表變形要求。