某金屬礦山充填法開采下覆巖塌陷失穩機理研究

陳建新，王堃

(1.貴州錦豐礦業有限公司， 貴州 黔西南州 562204；2.北京科技大學 土木與資源工程學院， 北京 100083)

0 引言

充填采礦法因其在環境保護、地壓控制、深部資源的開發利用等方面具有良好的效果，現已成為行業發展的趨勢。許多專家學者開展了大量的研究工作，普遍認為：基于充填法開采的礦山將不會發生大規模的巖體移動[1-4]。馬鳳山等[5]對金川二礦區分層充填體的失穩可能性進行了分析，結果發現充填體整體上將不會發生失穩垮塌，但可能發生局部的輕微變形。曹帥等[6]利用UDEC研究了程潮鐵礦不同水平礦體開采時位移場的變化規律，研究表明充填法對控制副井沉降和地表移動具有良好的效果。但某金屬礦山發生了一起在充填采礦史上比較罕見的采空區上覆巖體垮塌事故[7]，由此引發了國內諸多學者對此次事故的關注，充填采礦法在某些條件下，不僅不能有效控制上覆巖層的變形和移動，還存在可能發生垮塌失穩的風險。

本文以該金屬礦山某厚大充填體上覆巖體塌陷失穩段為研究對象，通過地表GPS巖移監測、理論分析及數值模擬反演等手段，論證該金屬礦山充填法開采中造成覆巖塌陷失穩的事故原因及作用機理。

1 工程概況

1.1 區域地質條件

受晚加里東運動、印支-燕山運動等影響，某礦區構造發展極為復雜，礦區位于上升地帶龍首山西側，主要受F8斷層影響。F8斷層走向EW，傾向S，傾角為60°～75°，斷裂帶全長近3 km，礦巖破碎，構造較為發育，如圖1所示。

圖1 某金屬礦山礦體分布

1.2 開采現狀

某金屬礦山采用雙中段六角形下向進路膠結充填法開采，即1430 m中段及1554 m中段。每個分段劃分為6個采場，進路垂直礦體走向布置。首采標高為 1642 m，截止充填體坍塌失穩事故發生時，1430 m中段已回采至1514 m分段，1554 m中段已回采至 1610 m 分段，在 1610～1640 m以及1514～1554 m 分別形成 27.3 m 及 42.5 m 厚的膠結充填體，如圖2所示。

圖2 礦區采場充填體分布

2 充填體塌陷破壞情況

2.1 地表GPS巖移監測

該金屬礦山GPS巖移監測網共有1，3，5，7，9，11，13，15等8條行線，沿每條行線以50 m間距布設20個監測點，構成了一個700 m×1000 m的監測網。截止覆巖塌陷發生前，已經進行了8個周期的變形監測工作，監測網及地表塌陷區如圖3所示。

圖3 監測網及地表塌陷區示意

2.1.1 GPS水平位移監測

水平位移量較大點位移逐半年時段累積變化量如圖4所示。在2012—2015年監測期間，其累計水平位移量近似線性變化，8個監測周期內，累積水平位移量最大為 138 mm。塌陷發生時，塌陷范圍內的測點水平位移量呈現出突變，單時段水平位移量最大為464 mm。測點7-11的45個月累積水平位移量最大為545 mm，水平位移最大測點由5-12變為7-11。

圖4 監測網水平位移量

2.1.2 GPS垂直位移監測

地表沉降中心的位置與地下開采區域密切相關，經過分析監測數據發現，發生塌陷前，沉降中心位于7-11測點附近，其接近礦體地表投影中心位置。在沉降中心區域內監測點的沉降速率較為穩定，該沉降中心8個周期內的最大下沉量為208 mm（測點 7-11）。發生塌陷后，沉降中心變為以測點7-11和測點5-11連線為長軸的近似橢圓形區域，沉降量最大測點由測點7-11變為測點5-11，即沉降中心向F8斷層方向發生了移動。塌陷時單時段內最大下沉量為1144 mm（測點5-11），累計下沉量為1279 mm，如圖5所示。

圖5 監測網垂直位移云圖及垂直位移量

2.2 地表變形情況

充填體塌陷后，經地表F8斷層出露區通過現場查看和實地測量發現，地表塌陷區主要位于勘探線5～7行之間，在130 m×170 m的區域內出現3條明顯的連續裂縫，最長的地裂縫約100 m，最大寬度為 1.5 m，深度約 1 m，塌陷區面積約為19000 m2，主要變形情況如圖6所示。

圖6 塌陷區地表變形情況

2.3 井下巷道變形破壞情況

經過實地勘察發現，巷道破壞最嚴重的為1610 m分段（見圖7）。1610 m分段5行分層聯絡道114 m處起充填體穿脈道兩幫嚴重破壞，充填體塊狀破碎，喪失支撐能力，進而在重力作用下發生垮塌冒落，堵死采場進出口。7行分層聯絡道89 m處起巷道兩幫也發生破壞，充填體脫層冒落。9～11行無明顯變形，僅支護層在沖擊地壓的作用下發生部分脫落現象，這一現象也說明了巷道越靠近F8斷層發生的破壞越嚴重。

圖7 塌陷區地下巷道破壞情況

3 基于理論分析的失穩機理研究

當1544 m和1610 m雙中段開采引起的應力疊加共同作用于礦巖接觸帶周邊時，尤其是上述載荷傳遞至F8斷層時，由于F8斷層的抗剪切強度較低，在高應力集中作用和采礦活動的持續擾動下，F8斷層出現活化，并產生緩慢的變形，形成自礦巖接觸帶周邊向回采區域中心不斷加大的下向位移。隨著采動影響的進一步擴大，F8斷層附近的巖體積聚了大量的變形能，當達到臨界平衡時，斷層將出現突然滑動，并對1610 m中段和1554 m中段的回采工作面礦巖形成沖擊，造成回采區域內部巷道破壞失穩。當圍巖系統積聚的能量得以大范圍釋放后，斷層停止滑動，圍巖系統趨于靜止。

伴隨著斷層活化作用的發生，靠近F8斷層一側圍巖將進一步發生更為劇烈的滑移，故不能再看成固定端而應視為自由端。并且在1544 m和1610 m兩個同時向下回采的中段之間，存在66 m厚的待開采礦體，該礦體可以近似為一個水平礦柱。由于該礦柱下部厚度超過30 m的充填體的彈性模量相對圍巖來說非常小，所以在此處充填體形成了一種“類空區”，因此可將該水平礦柱視做懸臂梁來進行分析，如圖8所示。

圖8 懸臂梁理論分析示意

為了更好地分析礦體懸臂梁的受力及變形，建立坐標系如圖8（b）所示，從坐標為x的任意截面處截開，考慮右側部分（l-x）的平衡，可得懸臂梁的剪力方程：

式中，FS(x)為懸臂梁所受到的剪力，N；q為均布荷載，N/m2；l為懸臂梁長度。

而在大多數工程計算中，所關心的不僅是剪力，更多的是考察梁在荷載作用下發生變形量大小，所以首先推導建立梁的撓曲線方程為：

隨著礦區的不斷開采，懸臂梁受到上覆巖層向下的載荷作用。由式（1）可知，懸臂梁上各截面所受的剪力與臂長呈線性關系，即隨著臂長的增大，其剪力逐漸變小，最大剪力作用在懸臂梁的根部。由式（2）可知，梁發生的形變隨著懸臂梁長度的增加而增加，當由臂長增加引起的形變達到一定程度時，該狀態將難以維持，懸臂則會突然斷裂，釋放出巨大的能量，形成沖擊載荷，并最終導致開采區域及其上覆巖層至地表的失穩塌陷，如圖9所示。

圖9 懸臂梁理論失穩機理簡圖

4 塌陷過程數值模擬反演與驗證

本文借助數值模擬方法，對采礦及破壞的過程進行了反演，通過對比模擬和實際的位移場數據，驗證破壞機理分析的合理性。

4.1 計算模型與參數選取

所建模型如圖10所示，長600 m，水平最大寬度為200 m，平均寬為98 m。模型采用四面體單元進行剖分，共劃分了7323個節點，28894個單元。模型剖分完畢后，將其導入FLAC3D中進行數值計算。模擬中所使用的巖石類型及充填的物理力學參數來源于現場地質調査和相關巖石力學實驗結果，見表1。

圖10 礦體三維模型

表1 巖石及充填體物理特性參數

4.2 約束條件和本構模型

計算模型地表為自由邊界，底部固定Z向位移，X=4000和X=5500均固定X向位移，Y=8500和Y=9500均固定Y向位移。在自重作用下生成初始應力場，然后位移場、應力場清零，按照公式（3）施加構造應力。

計算中采用應變軟化模型模擬巖體峰后強度逐步降低的性質，計算模型的本構關系選擇 Mohr-Coulomb彈塑性模型。

4.3 計算方案的選取

在模擬中采用分層開挖的方式，按照實際開采進度，分1650～1610 m水平中段和1554～1514 m水平中段按照雙中段下向開采，每次開挖一個邏輯塊體，隨即將其充填，如此往復，直至把水平礦柱全部采完。

4.4 位移場變化規律

圖11為模擬地下礦體開采引起的地表豎直位移云圖，其中圖11（a）為仰視角度下的豎直位移云圖，用以觀測礦體內部豎直位移的變化，圖11（b）為俯視角度下的位移云圖，用以觀察地表豎直位移的變化。

圖11 地表豎直位移云圖

由圖11（a）可知，最大變形區域位于靠近斷層一側的上部礦體及其上的充填體，最大沉降量為1.69 m。這種巖移矢量傳遞至地表時會使地表產生沉降，即在斜上方的礦體投影區內形成地表的沉降中心。采動引起的變形會使斷層部位出現應變和應力的積累，從而使斷層的臨界平衡狀態被打破，斷層帶出現滑移，從而使水平礦體靠近斷層的一側變為了自由端。

由圖11（b）可知，礦體發生破壞后，地表即出現明顯的沉降中心，沉降中心位于勘探線7（5）行附近（測點7-11），沉降范圍為勘探線5～9行之間，其中所采礦體也大致位于此區域，可知礦體開采范圍同沉降范圍具有一致性，同時也和地表的觀測和GPS監測結果具有良好的一致性。

3 結論

（1）地表GPS巖移監測表明，累積水平位移量最大為138 mm，塌陷發生時，塌陷范圍內的測點水平位移量呈現出突變，單時段水平位移量最大為464 mm；累積垂直位移量最大為208 mm。塌陷發生時，沉降中心由測點7-11變成了靠近F8斷層的測點5-11，單時段內最大下沉量為1144 mm。地表變形情況表明，地表塌陷區主要位于勘探線5～7行之間，在130 m×170 m的區域內出現3條明顯的連續裂縫。

（2）發生破壞的主要原因為斷層活化和懸臂梁破壞。

（3）多中段開采使得應力集中轉變為應力疊加，共同作用于礦巖接觸帶周邊，持續擾動下，F8斷層出現活化，并逐漸積聚大量變形能，直至破壞臨界平衡，斷層發生滑動破壞。結合懸臂梁理論分析，進一步確定由充填體構成的懸臂梁，其臂長與形變成正比例關系，當采礦進路充填導致的臂長逐漸增加，形變累積越快，直至突然發生破壞。

（4）通過對采礦的過程進行反演，得到上覆巖體位移場變化規律，沉降范圍為勘探線 5～9行之間。模擬計算結果和地表的觀測和GPS監測結果具有良好的一致性，驗證了破壞機理分析的合理性。