馬坑鐵礦1.25地表塌陷事故原因分析*

董軍庭（福建馬坑礦業(yè)股份有限公司，福建 龍巖 364021）

馬坑鐵礦1.25地表塌陷事故原因分析*

董軍庭
（福建馬坑礦業(yè)股份有限公司，福建 龍巖 364021）

為探明馬坑鐵礦1.25地表塌陷事故原因，結(jié)合IV塊段開采現(xiàn)狀和礦區(qū)上部可能發(fā)生的盜采情況，采用數(shù)值模擬的方法分別對(duì)無盜采和有盜采開采情況進(jìn)行了模擬分析。研究表明無盜采條件下，自242m分段開采完成至IV塊段200m以上礦體全部開采完成后，塑性區(qū)分布最大高程均未超過300m水平，與只需在+292m水平以下塌方量足以充填滿+242m水平及以上空區(qū)的理論計(jì)算結(jié)果一致，現(xiàn)有開采不至于引起地表大面積塌陷；有盜采時(shí)，根據(jù)當(dāng)前盜采位置及盜采規(guī)模的假定及其模擬計(jì)算，盜采空區(qū)主體位置位于76線至77線間，高程位于330～350m區(qū)域，盜采采高超過40m以上。研究成果為下一步工作部署提供了重要依據(jù)。

馬坑鐵礦；地表塌陷；FLAC3D；塑性破壞；地壓顯現(xiàn)

1 引言

地下礦床開采擾動(dòng)及大量空區(qū)存在，必然對(duì)上覆巖層穩(wěn)定狀態(tài)產(chǎn)生影響，甚至引起地表塌陷等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生［1-3］。2014年1月25日上午11:00左右，福建馬坑礦業(yè)75～76勘探線區(qū)域之間出現(xiàn)大面積坍塌，塌陷面積高達(dá)18395.5m2，南北走向長132.7m，東西寬159.4m；造成地表開裂，邊坡下滑，局部地表有下沉現(xiàn)象，地表最大下沉量約5～6m。通過現(xiàn)場勘查，塌陷區(qū)位于IV塊段+272m、+257m、+242m等分段采場上部，+257-207-2#采場1#進(jìn)路有似溶洞充填物泥及石頭涌至原+257m采區(qū)變口部，+242m分段+207-1、+207-2#各進(jìn)路迎頭被崩落礦石堆滿，無法觀察其采空區(qū)情況，+272m分段的采場也是因?yàn)檫\(yùn)輸巷口部堆滿礦石，所以無法觀測采空區(qū)的影響情況，故從目前現(xiàn)場情況看無法準(zhǔn)確預(yù)計(jì)此次塌陷具體的影響范圍。

為進(jìn)一步弄清誘發(fā)地表塌陷的根本因素，本文結(jié)合IV塊段開采現(xiàn)狀和礦區(qū)上部可能發(fā)生的盜采情況，采用FLAC3D有限差分?jǐn)?shù)值模擬方法對(duì)地表塌陷的原因、盜采影響范圍等進(jìn)行分析，為下一步工作部署提供參考。

2 方案設(shè)計(jì)與計(jì)算模型

根據(jù)計(jì)算精度與計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的要求，對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行必要簡化的同時(shí)，計(jì)算模型中考慮了礦巖、礦柱、大理巖化灰?guī)r、F2斷層等實(shí)體，采用加密單元辦法對(duì)斷層、礦柱、礦房及其周邊巖體進(jìn)行了單元加密處理，以盡可能提高計(jì)算精度?？紤]邊界效應(yīng)后的計(jì)算模型取如圖1所示，為了數(shù)據(jù)準(zhǔn)備以及處理方便起見，自定義坐標(biāo)系XYZ之原點(diǎn)取在地理坐標(biāo)（39508325.82，2766000，100）處，即X方向由70線附近到80線附近共1000m，Y方向由F2下盤到上盤共820m，Z方向由100m到地表約605m高，XY平面為水平面，Z軸垂直向上。離散后的計(jì)算模型四面體單元數(shù)為659528個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)112974個(gè)。如圖2所示為離散后計(jì)算模型三維立體圖。

圖1 計(jì)算模型范圍選取示意圖

因計(jì)算模型考慮了足夠的邊界效應(yīng)，模型底面和四周均受鏈桿約束，頂面受荷載約束，即X軸（沿礦體走向方向）邊界限制X方向變形；Y軸（垂直礦體走向即勘探線方向）邊界限制Y方向的變形；Z軸（鉛垂方向即深度方向）下邊界限制Z方向位移，上邊界地表為自由面。

圖2 離散后計(jì)算模型三維立體圖

為模擬誘發(fā)地表塌陷的根本因素，本次模擬設(shè)計(jì)了Pro1～Pro6共6套計(jì)算方案，其中Pro1為僅IV塊段開采對(duì)地表的影響，工況1～工況4各開采范圍分別為242m分段、228m分段、214m分段和205m分段；Pro2～Pro6為盜采方案，盜采水平高程分別為300m、350m、400m、450m和480m，采高均為40m。盜采模擬時(shí)，IV塊段僅開采到228m水平，即只開采2個(gè)工況。方案計(jì)算結(jié)合馬坑鐵礦IV塊段開采現(xiàn)狀和礦區(qū)上部可能發(fā)生的盜采情況，采用數(shù)值模擬的方法對(duì)地表塌陷的原因、盜采影響范圍等進(jìn)行分析，為下一步工作部署提供參考。

根據(jù)礦區(qū)巖石性質(zhì)及其組成，本次模擬計(jì)算中選用Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則［4］來進(jìn)行模擬。巖體計(jì)算參數(shù)結(jié)合前期現(xiàn)場坑道調(diào)查和室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，采用工程化處理后的參數(shù)如表1所示，斷層參數(shù)參照現(xiàn)場調(diào)查及相關(guān)文獻(xiàn)［5-6］，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值。

表1 巖體物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)

3 無盜采開采覆巖體地壓顯現(xiàn)特性分析

根據(jù)計(jì)算方案，Pro1為無盜采開采條件下，僅IV塊段開采對(duì)地表的影響模擬計(jì)算，工況1～工況4各開采范圍分別為242m分段、228m分段、214m分段和205m分段。根據(jù)不同開挖步計(jì)算結(jié)果，分析無盜采條件下僅IV塊段開采空區(qū)形成過程中對(duì)頂板覆巖體及地表的應(yīng)力與變形變化規(guī)律，從而明確IV塊段開采對(duì)本次地表塌陷事故的貢獻(xiàn)程度與潛在關(guān)系。本文限于篇幅，僅對(duì)空區(qū)形成過程中塑性區(qū)分布情況進(jìn)行分析。

塑性區(qū)分布可直接反映巖體破壞位置及程度，塑性區(qū)體積對(duì)于了解巖體破壞情況和加固設(shè)計(jì)具有較好指導(dǎo)作用。本文結(jié)合自主編寫的FLAC3D計(jì)算塑性區(qū)體積程序，得到不同工況塑性區(qū)體積方案對(duì)比統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同工況塑性區(qū)體積關(guān)系曲線

塑性區(qū)分布具有如下特點(diǎn)：

（1）由圖3所示可知，隨著開挖的不斷進(jìn)行，當(dāng)前剪切破壞的塑性區(qū)體積處于上升趨勢，由工況1的5.2698萬m3上升到工況4的71.809萬m3。當(dāng)前拉伸破壞tension-n的塑性區(qū)體積相比較，其先前亦呈現(xiàn)上升趨勢，由工況1的770.6m3上升到工況3的3.6804萬m3，隨后塑性區(qū)體積下降，至第4工況完成后，tension-n的塑性區(qū)體積為2.6441 萬m3。

（2）圖4～圖6所示為各工況不同剖面塑性區(qū)分布對(duì)比圖，礦體開采導(dǎo)致采場周邊出現(xiàn)塑性分布區(qū)域，大多分布于采場頂板及礦體頂板的隅角處。從應(yīng)力場角度分析，采場隅角處的圍巖由于壓應(yīng)力、剪切應(yīng)力過于集中，剪切應(yīng)力大于巖體自身的剪切應(yīng)力，使圍巖進(jìn)入塑性狀態(tài)；而采場頂板塑性狀態(tài)大多是由于受到較大的拉應(yīng)力產(chǎn)生的，礦柱的存在及完好對(duì)保護(hù)采場具有相當(dāng)大的作用。隨著開采水平的下沿，即工況的增大，各剖面塑性區(qū)分布面積逐步擴(kuò)大，至工況4即IV塊段200m以上礦體全部開采完成的空?qǐng)銮闆r下，塑性區(qū)分布面積最大，但空區(qū)頂板覆巖體塑性區(qū)分布并未貫通至地表，而是離地表仍有很大距離。

圖4 沿走向76線橫剖面工況4塑性區(qū)分布

圖5 沿走向縱剖面工況4塑性區(qū)分布圖

圖6 242m水平剖面工況4塑性區(qū)分布圖

（3）隨著開采水平的下沿，即工況的增大，采場周邊塑性區(qū)分布范圍逐步擴(kuò)大，但因采場跨度不變和礦柱等因素作用，空區(qū)頂板覆巖體塑性區(qū)分布最大高程變化不明顯，自工況1即242m分段開采完成至工況4即IV塊段200m以上礦體全部開采完成的空?qǐng)銮闆r下，塑性區(qū)分布最大高程均未超過300m水平，離地表仍有近300m的覆巖體。

（4）根據(jù)生產(chǎn)技術(shù)部數(shù)據(jù)及理論計(jì)算，措施豎井IV塊段+272m、+257m、+242m共計(jì)采出礦石量53.2萬t，按照3.5t/m3比重計(jì)算，產(chǎn)生空區(qū)體積約為15.2m3。地表塌陷事故發(fā)生時(shí)，+242m分段空區(qū)面積約為7023m2，根據(jù)礦體邊界上盤錯(cuò)動(dòng)角60°，下盤和端部錯(cuò)動(dòng)角65°，計(jì)算+292m水平塌陷面積為19555m2。根據(jù)理論計(jì)算得出+242m至+292m塌陷區(qū)體積為63.8萬m3，塌方量共計(jì)48.6萬m3，按照松散系數(shù)1.4計(jì)算，+242m 至+292m水平塌方量可充填68萬m3空區(qū)。故可以得出，若是IV塊段+242m水平及以上空區(qū)塌方，只需在+292m水平的以下塌方量足以充填滿+242m水平及以上空區(qū)，就不至于引起地表大面積塌陷。

4 有盜采開采覆巖體地壓顯現(xiàn)特性分析

根據(jù)計(jì)算方案，Pro2～Pro6為結(jié)合馬坑鐵礦IV塊段開采現(xiàn)狀，模擬不同盜采開采的地壓顯現(xiàn)規(guī)律。盜采水平高程分別為300m、350m、400m、450m 和480m，采高均為40m。盜采模擬時(shí)，IV塊段僅開采到228m水平，即只開采2個(gè)工況。根據(jù)不同開挖步計(jì)算結(jié)果，分析有盜采條件下開采空區(qū)形成過程中對(duì)頂板覆巖體及地表的應(yīng)力與變形變化規(guī)律，從而探討IV塊段開采現(xiàn)狀條件下礦區(qū)上部可能發(fā)生盜采開采對(duì)本次地表塌陷事故的貢獻(xiàn)程度、盜采影響范圍等，從而揭示1.25地表塌陷的根本誘因。本文限于篇幅，僅對(duì)空區(qū)形成過程中塑性區(qū)分布情況進(jìn)行分析。

塑性區(qū)分布可直接反映巖體破壞位置及程度，塑性區(qū)體積對(duì)于了解巖體破壞情況和加固設(shè)計(jì)具有較好指導(dǎo)作用。本文結(jié)合自主編寫的FLAC3D計(jì)算塑性區(qū)體積程序，得到不同工況塑性區(qū)體積方案對(duì)比統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同工況塑性區(qū)體積關(guān)系曲線

塑性區(qū)分布具有如下特點(diǎn)：

（1）由圖7所示可知，隨著盜采區(qū)域的擴(kuò)大，塑性區(qū)體積不斷增加。當(dāng)前剪切破壞的塑性區(qū)體積處于上升趨勢，Pro2和Pro3至工況4開采完成后，shear-n的塑性區(qū)體積分別為176.95萬m3和134.39 萬m3，tension-n的塑性區(qū)體積分別為4.4096萬m3和6.2467萬m3，shear-p的塑性區(qū)體積分別為431.5萬m3和292.76萬m3，tension-p的塑性區(qū)體積分別為49.448萬m3和40.343萬m3。Pro2和Pro3的塑性區(qū)分布體積明顯高于Pro4～Pro6，可能與Pro2和Pro3鄰近IV塊段、F2斷層等工程擾動(dòng)及復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境相關(guān)。

（2）圖8～圖9所示為各工況不同剖面塑性區(qū)分布方案對(duì)比圖，礦體開采導(dǎo)致采場周邊出現(xiàn)塑性分布區(qū)域，大多分布于采場頂板及礦體頂板的隅角處。根據(jù)模擬方案計(jì)算結(jié)果，盜采位置離IV塊段越近、盜采工況越高，越容易與242m以上空區(qū)塑性貫通；方案號(hào)越大，離地表越近，盜采對(duì)地表的影響越大，塑性面積越大。

圖8 沿走向76線橫剖面塑性區(qū)分布方案對(duì)比圖

圖9 沿走向縱剖面塑性區(qū)分布方案對(duì)比圖

5 結(jié)論

為弄清誘發(fā)地表塌陷的根本因素，本文結(jié)合馬坑鐵礦IV塊段開采現(xiàn)狀和礦區(qū)上部可能發(fā)生的盜采情況，采用數(shù)值模擬的方法對(duì)地表塌陷的原因、盜采影響范圍等進(jìn)行了分析，取得如下研究成果：

（1）隨著IV塊段開采水平的下沿，采場周邊塑性區(qū)分布范圍逐步擴(kuò)大，但因采場跨度不變和礦柱等因素作用，空區(qū)頂板覆巖體塑性區(qū)分布最大高程變化不明顯，自242m分段開采完成至IV塊段200m以上礦體全部開采完成的空?qǐng)銮闆r下，塑性區(qū)分布最大高程均未超過300m水平，即空區(qū)頂板覆巖體塑性區(qū)分布無法貫通至地表。

（2）根據(jù)生產(chǎn)技術(shù)部數(shù)據(jù)及理論計(jì)算，措施豎井IV塊段+272m、+257m、+242m共計(jì)采出礦石量53.2萬t，按照3.5t/m3比重計(jì)算，產(chǎn)生空區(qū)體積約為15.2m3。地表塌陷事故發(fā)生時(shí)，+242m分段空區(qū)面積約為7023m2，根據(jù)理論計(jì)算+242m至+292m塌陷區(qū)體積為63.8萬m3，塌方量共計(jì)48.6 萬m3，按照松散系數(shù)1.4計(jì)算，+242m至+292m水平塌方量可充填68萬m3空區(qū)。因此，若是IV塊段+242m水平及以上空區(qū)塌方，只需在+292m水平的以下塌方量足以充填滿+242m水平及以上空區(qū)，不至于引起地表大面積塌陷。

（3）根據(jù)5個(gè)盜采模擬方案計(jì)算結(jié)果，盜采位置離IV塊段越近、盜采工況越高，越容易與242m以上空區(qū)塑性貫通；盜采空區(qū)離地表越近，盜采對(duì)地表的影響越大，塑性分布面積越大。Pro2和Pro3的塑性區(qū)分布體積明顯高于Pro4～Pro6，可能與Pro2和Pro3鄰近IV塊段、F2斷層等工程擾動(dòng)及復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境相關(guān)。

（4）因無任何盜采數(shù)據(jù)資料，根據(jù)當(dāng)前盜采位置及盜采規(guī)模的假定及其模擬計(jì)算，盜采空區(qū)主體位置應(yīng)該位于76線至77線間，高程位于330～350m區(qū)域。已模擬計(jì)算的盜采高度為40m，但未發(fā)現(xiàn)盜采空區(qū)周邊塑性破壞區(qū)域分布同時(shí)貫通地表和IV塊段242m以上空區(qū)，因此盜采采高應(yīng)該超過40m以上。

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［2］雷云生. 采空區(qū)上部地表變形區(qū)塌陷研究[J]. 銅業(yè)工程, 2002(3):53-55.

［3］劉彥超, 陳軻, 蔡嗣經(jīng), 等. 白象山鐵礦河床下開采地表沉降數(shù)值模擬分析[J]. 金屬礦山， 2014(11): 54-57.

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Accident Cause Analysis of Surface Subsidence on January 25 at Makeng Iron Mine

DONG Jun-ting
（Fujian Makeng Mining CO., Ltd., Longyan 364021, Fujian, China）

In order to explore the accident cause of surface subsidence on January 25 in Makeng Iron Mine, combining with the present mining situation of block segment IV and the possibility of illegal mining in the upper part of mining area, mining situation was analyzed based on the numerical simulation respectively, including normal mining and illegal mining. The research shows that on normal mining conditions, after completing all the ore body from 242m to above 200 in block segment IV, plastic area distribution has not been the maximum elevation of more than 300m level. It is consistent with the theoretical results that collapse amount only at the level below +292m is enough to fill the goaf at the level of +242m and above. The existing mining is less likely to cause large area ground subsidence. Nevertheless, on illegal mining conditions, according to the current location of illegal mining, scale assumption and its numerical simulation, the main body position of stolen goaf is in between line 76 and line 77. The elevation is located at 330m-350m and stolen tsetse is more than 40m high. Research results can provide an important basis for the next step of work deployment.

Makeng Iron Mine；surface subsidence；FLAC3D；plastic failure；underground pressure

TD73；TD77+1

A

1009-3842（2015）03-0048-05

2014-12-24

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51004007)

董軍庭（1981-），男，陜西咸陽人，大學(xué)本科，工程師，主要從事采礦工程技術(shù)與管理等方面的研究工作。E-mail: 584944752@qq.com