程潮鐵礦礦柱開采地表變形規(guī)律及選廠穩(wěn)定性研究

雷遠(yuǎn)坤

（武鋼資源集團(tuán)程潮礦業(yè)有限公司，湖北鄂州436050）

無(wú)底柱分段崩落法因其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、采礦強(qiáng)度大、機(jī)械化程度高、采礦成本相對(duì)較低等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)地下金屬礦山廣泛應(yīng)用與發(fā)展［1］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)使用無(wú)底柱分段崩落法采出的礦量，地下鐵礦山占采出礦石總量的85%以上，其中有色金屬礦山約占35%［2］。然而，崩落法開采的地下金屬礦山，普遍存在上覆巖層大范圍移動(dòng)及冒落等現(xiàn)象，并引發(fā)地表塌陷、地表重要建（構(gòu)）筑物變形破壞等災(zāi)害，不僅造成大量礦石資源的損失浪費(fèi)，采礦成本居高不下，并導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化，嚴(yán)重威脅到井下安全生產(chǎn)［2-3］。

為了保證地表工業(yè)場(chǎng)地及重要建（構(gòu)）筑物的安全，許多無(wú)底柱分段崩落法開采礦山在前期開采過(guò)程中預(yù)留了一定數(shù)量的礦柱。然而，隨著開采深度不斷增加，礦柱所占比例日益增大，不僅造成了礦石的極大浪費(fèi)，而且縮短了礦山服務(wù)年限，對(duì)礦山可持續(xù)發(fā)展極為不利。在國(guó)內(nèi)外淺部礦產(chǎn)資源面臨枯竭嚴(yán)峻形勢(shì)下，通過(guò)合理變更采礦方法，安全回收前期開采所預(yù)留的礦柱成為越來(lái)越多的礦山解決眼前資源危機(jī)的主要途徑。

充填法開采在控制采區(qū)地壓及上覆巖層移動(dòng)、減緩地表移動(dòng)變形速度，防止已有地表塌陷進(jìn)一步大范圍擴(kuò)展等方面具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)［4-5］，也是回收預(yù)留礦柱的首選方法。然而，回收保護(hù)地表的預(yù)留礦柱，有必要對(duì)不同回采方案地表變形規(guī)律及關(guān)鍵構(gòu)筑物所在地表的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，以保證其安全及礦柱回收的順利進(jìn)行。

本項(xiàng)目以程潮鐵礦礦柱開采為研究對(duì)象，在分析地表移動(dòng)變形監(jiān)測(cè)結(jié)果的基礎(chǔ)上，通過(guò)數(shù)值模擬研究了4種礦柱回收處理方案對(duì)地表重要工業(yè)場(chǎng)地及建筑物選礦廠所在地表穩(wěn)定性的影響，為礦山礦柱回收方案選擇提供了理論參考依據(jù)，具有重要的工程意義。

1 礦區(qū)概況

程潮鐵礦是國(guó)內(nèi)特大型地下金屬礦山，主要有Ⅱ、Ⅲ、Ⅵ、Ⅶ4大礦體，礦體分布如圖1。礦體總體走向292°，多呈不規(guī)則透鏡狀向南緩傾斜，傾向206°，傾角15°～25°，向西側(cè)伏，側(cè)伏角8°。礦體以西15號(hào)勘探線為界分為東區(qū)和西區(qū)，探明鐵礦石儲(chǔ)量2億多噸。目前正在開采的Ⅵ礦體平均寬度250 m，平均厚度72.95 m，屬于緩傾斜厚大礦體。

程潮鐵礦建礦以來(lái)一直采用無(wú)底柱分段崩落法進(jìn)行開采，分段高度17.5 m、進(jìn)路間距15 m，目前西區(qū)在-410 m、-430 m水平回采。受地下水疏干和井下開采等因素的共同影響，地表已陸續(xù)產(chǎn)生了十幾個(gè)塌陷坑和錯(cuò)動(dòng)區(qū)，且隨著開采深度和范圍的延伸不斷擴(kuò)大［6-7］。這造成了東區(qū)地表重要構(gòu)筑物東主井的停用，西區(qū)地表移動(dòng)范圍也波及下盤主要工業(yè)場(chǎng)地的選礦車間、井筒及公路、村莊，如圖2。

為了維持選礦車間的穩(wěn)定，開采過(guò)程中在礦體西端預(yù)留了大量的礦柱，如圖3。預(yù)計(jì)截至-800 m水平，預(yù)留的礦柱儲(chǔ)量占整個(gè)西區(qū)開采地質(zhì)礦量的45.43%。其中，-342.5 m水平以上80.59萬(wàn)t，-430 m水平以上達(dá)到203.49萬(wàn)t，造成礦石資源的巨大浪費(fèi)。

因此，亟需在分析地表移動(dòng)及塌陷現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，通過(guò)采用合理的采礦方法、回采進(jìn)度和順序回收礦柱礦量，以合理回收礦石資源，保證選廠服務(wù)期內(nèi)的穩(wěn)定，維護(hù)西區(qū)地表及重要構(gòu)筑物等工業(yè)設(shè)施的長(zhǎng)期安全。

2 西區(qū)地表移動(dòng)變形規(guī)律實(shí)測(cè)分析

程潮鐵礦西區(qū)于2006年4月發(fā)生首次塌陷，自此，中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所與礦山展開了一系列的地表變形監(jiān)測(cè)工作［8］。截至2013年9月，監(jiān)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)如下：

（1）移動(dòng)線向南擴(kuò)展約200 m，向西擴(kuò)展約30 m，向北擴(kuò)展130 m，向東北擴(kuò)展約300 m，并在2010年6月越過(guò)了運(yùn)輸隧道中部擴(kuò)展至措施井段。

（2）陷落線向南擴(kuò)展約230 m，向西擴(kuò)展約75 m，向北擴(kuò)展200 m，向東北擴(kuò)展約280 m，并在2011年6月到達(dá)運(yùn)輸隧道中部區(qū)域，2013年6月基本覆蓋了從公路隧道到措施井段的運(yùn)輸隧道。

（3）選礦廠位于采場(chǎng)的西部，選取經(jīng)過(guò)選礦廠的2#剖面進(jìn)行分析，以獲得選礦廠移動(dòng)角度隨開采時(shí)間的變化，如圖4?？芍刂恋?013年9月移動(dòng)角已經(jīng)擴(kuò)展至選礦車間5號(hào)門附近，最終移動(dòng)角為57.06°，如圖5。而陷落線則距離較遠(yuǎn)，最終陷落角為68.97°，如圖6。

通過(guò)對(duì)以上數(shù)據(jù)的總結(jié)分析，可得西區(qū)地表移動(dòng)變形規(guī)律如下：

（1）當(dāng)采空區(qū)底部位置一定時(shí)，移動(dòng)角隨著時(shí)間的增加而減小，且其變化速率隨時(shí)間增加而減?。?/p>

（2）當(dāng)采空區(qū)底部位置變化時(shí)移動(dòng)角可能呈跳躍性變化；

（3）井下開采對(duì)地表的影響具有延時(shí)性：采空區(qū)達(dá)到一個(gè)新的水平之后，移動(dòng)范圍沒(méi)有隨之瞬間擴(kuò)張，這致使監(jiān)測(cè)到的移動(dòng)角度突然增大，如圖7；但在隨后的半年時(shí)間里移動(dòng)角度迅速減小。

3 FLAC3D數(shù)值建模

本研究采用三維有限差分計(jì)算軟件FLAC3D，根據(jù)實(shí)際礦床地質(zhì)模型建立程潮鐵礦三維仿真數(shù)值模型，進(jìn)行采礦動(dòng)力學(xué)計(jì)算分析［9］，以研究礦體西段礦柱部位不同回采方法引起的地表變形，評(píng)估預(yù)測(cè)礦柱開采對(duì)地表重要構(gòu)筑物穩(wěn)定性影響程度。

3.1 數(shù)值模型建立

三維數(shù)值模型包括程潮鐵礦西區(qū)（15線向西）的全部開采區(qū)域。模型長(zhǎng)3 000 m，寬2 800 m，高1 242.5 m（自地表42.5 m至-1 200 m）；共劃分357 840個(gè)單元，378 288個(gè)節(jié)點(diǎn)；其中礦體范圍單元尺寸33 m×28 m×17.5 m，外圍單元尺寸50 m×50 m×17.5 m，如圖8。

計(jì)算采用摩爾-庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則［10］，礦體開采后，在覆蓋巖層上方形成冒落帶、裂隙帶和彎曲帶。冒落帶為拱形向上冒落，其形狀由冒落頂點(diǎn)、礦體兩側(cè)邊界點(diǎn)和冒落中點(diǎn)水平長(zhǎng)度確定，如圖9。冒落頂點(diǎn)為冒落高度水平線與礦體長(zhǎng)度（L）中心線的交點(diǎn)；拱形的起始點(diǎn)為礦體兩側(cè)的邊界點(diǎn)，并與水平方向的夾角為45°～60°。冒落中點(diǎn)水平長(zhǎng)度（l）取值原則如下。

3.2 模型參數(shù)及邊界條件

影響西區(qū)地表移動(dòng)的主要圍巖有鐵礦石、硬石膏、花崗斑巖等。綜合考慮物理、工程條件的影響，確定數(shù)值模型中的力學(xué)參數(shù)如表1。

采空區(qū)冒落的廢石為松散介質(zhì)，其在覆巖作用下逐漸被壓實(shí)，冒落廢石的密度ρ，彈性模量E和泊松比υ隨時(shí)間增加而增加，可由以下經(jīng)驗(yàn)公式描述：

地質(zhì)構(gòu)造方面，模型中考慮了對(duì)礦區(qū)影響最為顯著的程潮北斷層，其屬性參數(shù)如表2。

根據(jù)程潮鐵礦-430 m、-360 m中段8個(gè)測(cè)點(diǎn)的地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，模型中最大主應(yīng)力σ1=1.28γH（γ為巖體的容重，kN/m3，H為距離地表的深度，m。），方向N80°W，與礦體走向基本一致；中間主應(yīng)力為近似垂直方向，在深度上的變化規(guī)律接近巖體自重引起的垂直應(yīng)力；最小主應(yīng)力基本垂直礦體，取值0.48γH。

3.3 計(jì)算方案及過(guò)程

（1）計(jì)算方案與目標(biāo)。礦山開采現(xiàn)狀調(diào)研表明，-360 m以上的礦柱部分已按照崩落法進(jìn)行采準(zhǔn)工程布置，無(wú)法使用充填法回收，因此，本研究?jī)H對(duì)-360 m以下礦柱部分使用充填法回收進(jìn)行模擬。計(jì)算方案如下。

方案Ⅰ：采用崩落法開采至-430 m水平，留礦柱（模擬礦山實(shí)際開采現(xiàn)狀）。

方案Ⅱ：采用崩落法開采至-430 m水平，不留礦柱。

方案Ⅲ：采用崩落法開采至-360 m水平，留礦柱；采用充填法開采-360 m～-430 m礦柱。

方案Ⅳ：采用崩落法開采至-360 m水平，不留礦柱；采用充填法開采-360 m～-430 m礦柱。

通過(guò)計(jì)算分析，得到不同回采方案的地表變形情況，確定相應(yīng)的地表移動(dòng)范圍，以分析礦柱開采對(duì)地表重要構(gòu)筑物的影響程度。

（2）計(jì)算過(guò)程。計(jì)算追溯了整個(gè)開采歷史和開采過(guò)程，包括開采時(shí)間、開采位置和采礦方法的系統(tǒng)模擬，簡(jiǎn)述如下：①施加邊界條件和初始地應(yīng)力，賦予屬性后進(jìn)行彈性計(jì)算，得到初始應(yīng)力場(chǎng)；②進(jìn)行塑性賦值，模擬開采前狀態(tài)，位移清零；③模擬-290 m水平放頂，放頂高度按照20 m計(jì)算，然后按照分段高度17.5 m，按設(shè)定方案進(jìn)行相應(yīng)模擬分析至-430 m水平；④以70 m為一階段進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分別記錄各計(jì)算方案不同開采水平的地表變形結(jié)果。

3.4 移動(dòng)范圍確定準(zhǔn)則及模型校驗(yàn)

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)［11-13］，對(duì)建筑物保護(hù)等級(jí)及允許變形值的規(guī)定，并考慮到研究對(duì)象為開采礦體上下盤的重要地表建筑物及工業(yè)場(chǎng)地，結(jié)合煤礦安全規(guī)程，確定以地表傾斜率i=2.5 mm/m，地表水平拉伸率e=1.5 mm/m作為變形破壞的判據(jù)。為保證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，將方案Ⅰ-360 m水平開采完畢后的地表沉降等值線云圖及移動(dòng)范圍模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比（見表3）?？梢姡瑪?shù)值分析圈定的地表移動(dòng)范圍較實(shí)測(cè)略大。但考慮到實(shí)測(cè)時(shí)-360 m分段東端尚有部分礦體未采出，開采完畢后地表移動(dòng)范圍仍將進(jìn)一步擴(kuò)展，故認(rèn)為所建立的數(shù)值計(jì)算模型基本可靠。

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.1 礦柱開采對(duì)地表變形的影響分析

各方案地表變形計(jì)算結(jié)果如表4所示，提取相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果，并采用ARCGIS軟件進(jìn)行繪圖，如圖12、13。分析可知：

（1）-360 m水平以上礦柱開采結(jié)束后，各方案地表變形情況較為接近，這是由于-360 m水平以上礦柱區(qū)域礦體所占比例較少，分布范圍較小，尚不足以對(duì)地表變形產(chǎn)生顯著影響；

（2）-430 m水平以上礦柱開采結(jié)束后，對(duì)地表變形的影響開始顯現(xiàn)，相對(duì)于方案Ⅰ，方案Ⅱ在礦柱以西的地表沉降值、X方向位移和水平合成位移增加明顯；方案Ⅲ、Ⅳ地表變形量在礦柱西端較方案Ⅰ略有增加，以豎向變形為主，但總體變形量較為接近，均未對(duì)礦柱上方地表產(chǎn)生較大的影響。

（3）礦柱對(duì)于地表變形的影響隨著深度的增加而加劇，開采至-430 m水平，預(yù)留礦柱引起的地表變形極值約為無(wú)礦柱條件下對(duì)應(yīng)位置的70%～80%，特別是礦柱附近地表變形所受影響最大；采用充填法回收-360 m～-430 m范圍礦柱可以有效控制地表變形，基本維持地表穩(wěn)定。

4.2 礦柱開采對(duì)選廠穩(wěn)定性影響分析

選廠所在地表各開采分段地表位移曲線如圖14所示，地表傾斜率和拉伸率如表5。

分析可知：

（1）各方案-360 m水平以上礦體開采引起的地表變形差距較小，此后差距逐漸增大，呈階段性遞增；特別是-395 m水平以下礦體開采，方案Ⅱ、Ⅳ地表變形急劇增加，這主要與礦柱形態(tài)相關(guān)，礦柱在-360 m水平以下逐漸向西擴(kuò)展，其開采對(duì)于地表的影響隨著采深的增大而加劇。

（2）方案Ⅱ與方案Ⅰ對(duì)比分析可得：采用崩落法開采-360 m～430 m水平以上礦柱，將導(dǎo)致選廠地表沉降增加約2 cm，地表水平拉伸率增大到1.43 mm/m，地表傾斜率增到1.6 mm/m，已經(jīng)接近地表一級(jí)構(gòu)筑物要求的變形極限。

（3）方案Ⅲ、Ⅳ與方案Ⅰ對(duì)比分析可得：采用充填法回收-360 m～-430 m中段礦柱，選廠地表沉降增大約0.5 cm，地表傾斜率與拉伸率也略有增加，但均未超出或遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于地表一級(jí)構(gòu)筑物要求的變形極限。

5 結(jié)論

（1）采用無(wú)底柱分段崩落法回收-360 m水平以上部分礦柱對(duì)于地表變形及選廠穩(wěn)定性影響較小，這是由于-360 m水平以上礦柱區(qū)域礦體所占比例較少，分布范圍較小，尚不足以對(duì)地表變形產(chǎn)生顯著影響。

（2）采用無(wú)底柱分段崩落法回收-360 m～-430 m水平礦柱將導(dǎo)致地表變形及選廠地表沉降急劇增加，且呈階段性增長(zhǎng)，接近地表一級(jí)構(gòu)筑物要求的變形極限；這主要由于礦柱形態(tài)在-360 m水平以下逐漸向西擴(kuò)展，其開采對(duì)于地表的影響隨著采深的增大而加劇。

（3）采用充填法回收-360 m～-430 m水平礦柱，選廠地表沉降、地表傾斜率與拉伸率均略有增加，但均未超出或遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于地表一級(jí)構(gòu)筑物要求的變形極限。

綜上所述，從最大化回收礦石資源、保證地表及重要建筑物安全的角度考慮，采用崩落法回收-360 m水平以上礦柱，采用充填法回收-360 m～-430 m范圍礦柱可以有效地解決程潮鐵礦西區(qū)礦柱回收問(wèn)題；考慮到礦柱對(duì)于維護(hù)西區(qū)地表及重要構(gòu)筑物穩(wěn)定的重要性，建議適當(dāng)提高充填體的強(qiáng)度并加強(qiáng)管理，以盡可能減少礦柱開采對(duì)于地表及重要建筑物的影響。