某礦區(qū)近地表開采地質(zhì)災(zāi)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(qū)近地表開采可能出現(xiàn)的地質(zhì)災(zāi)害進行評估，采用離散元數(shù)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(zhì)災(zāi)害。結(jié)果表明：在開采過程中應(yīng)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(yīng)注意礦體傾角的變化，加強頂板管理。研究為后續(xù)礦山選擇合理的采礦方案提供了一定的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：近地表開采;離散元;2D-BLOCK;地質(zhì)災(zāi)害;數(shù)值模擬;采空區(qū)

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

文獻標(biāo)志碼：Adoi：10.11792/hj20210809

引 言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，國家對礦產(chǎn)資源的需求不斷增長[1-2]。但是，長期大規(guī)模和高強度地開發(fā)礦產(chǎn)資源，常伴隨著一系列工程災(zāi)害，并難以有效預(yù)測與防治[3-6]。礦體開挖后產(chǎn)生大量的采空區(qū)，使得采空區(qū)周圍應(yīng)力平衡遭到破壞，從而引起采空區(qū)對應(yīng)近地表發(fā)生沉陷的工程地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象，并產(chǎn)生嚴(yán)重的危害[7-10]。因此，近地表采礦誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害問題，成為人們?nèi)找骊P(guān)注的焦點，也是采礦領(lǐng)域的重要研究課題[11-13]。

某礦山為新建礦山，礦山建設(shè)井建開拓過程中，已經(jīng)造成礦層頂板破壞，致使含水層與地表水之間相互導(dǎo)通，從而導(dǎo)致礦區(qū)水文地質(zhì)條件變?yōu)閺?fù)雜類型。該礦區(qū)開采要達(dá)到50萬t/a的設(shè)計能力，需要解決采礦方法及工藝、采空區(qū)處理、地壓監(jiān)控等技術(shù)難題。開采項目自建設(shè)以來由于礦巖頂?shù)装宀环€(wěn)定，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，未能按設(shè)計按期建成投產(chǎn)達(dá)產(chǎn)，為此，需開展礦區(qū)采礦方法試驗研究工作。礦區(qū)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(zhì)災(zāi)害。通過采用離散元數(shù)值模擬的方法，應(yīng)用2D-BLOCK軟件對近地表可能會出現(xiàn)的地質(zhì)災(zāi)害進行模擬分析，從而對可能引起的地質(zhì)災(zāi)害進行評估與分析，并對采空區(qū)不同采場高度提出相應(yīng)有效的處理措施。

1 工程背景

1.1 礦體賦存條件

該礦區(qū)含礦巖系均為石炭系下統(tǒng)大塘組，該含礦巖系覆蓋于寒武系中統(tǒng)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?guī)r呈漸變過渡，整合接觸。根據(jù)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(zhì)頁巖型、鐵礦系型。其中，鋁礦系-鐵礦系型為礦區(qū)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(fēng)化殼再沉積礦床，工業(yè)類型為準(zhǔn)地臺型陸源碎屑障壁海岸及陸表海內(nèi)潮坪瀉湖相，產(chǎn)于碳酸鹽巖類巖石侵蝕面上的鋁土礦床[14]。

1.2 開采技術(shù)條件

該礦區(qū)由3個礦段構(gòu)成，礦體為緩傾斜薄至中厚礦體，形態(tài)復(fù)雜，厚度變化大，頂?shù)装迤鸱?，整個礦系頂板為結(jié)晶的灰質(zhì)白云巖，礦系底板為白云巖和泥質(zhì)白云巖，穩(wěn)固性良好，巖溶發(fā)育，開采技術(shù)條件復(fù)雜。礦體直接圍巖為鋁土巖、鋁土頁巖、鐵質(zhì)頁巖、赤鐵礦。其中，鐵質(zhì)頁巖、疏松赤鐵礦穩(wěn)固性較差。礦區(qū)圍巖物理力學(xué)參數(shù)見表1。

一礦段：該段礦體沿東西向呈鍋底狀產(chǎn)出，地表平均出露標(biāo)高1 480 m，最低控制標(biāo)高1 235 m。礦體沿傾向連續(xù)，向北東側(cè)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(yán)重，且沒有現(xiàn)狀實測資料，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和歷年采礦標(biāo)高，設(shè)計暫按最高開采標(biāo)高1 380 m考慮。礦體沿東西向呈層狀產(chǎn)出，地表平均出露標(biāo)高1 420 m，最低控制標(biāo)高1 180 m，礦體沿傾向連續(xù)，向東側(cè)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(chǎn)出，地表平均出露標(biāo)高1 400 m，最低控制標(biāo)高1 180 m。礦體沿傾向連續(xù)，向北東側(cè)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?shù)装宥酁殇X土巖，中等穩(wěn)固;其次為雜色頁巖和鐵質(zhì)黏土巖，中穩(wěn)—不穩(wěn);少數(shù)為鋁質(zhì)灰?guī)r和白云巖，較穩(wěn)固。間接頂板為結(jié)晶的灰質(zhì)白云巖，巖溶化不顯著，巖層溶孔和晶洞發(fā)育，個別充填有黃色黏土，開采時易引起巖溶內(nèi)黏土塌落。礦體底板為白云巖和泥質(zhì)白云巖，不易形成較大巖溶現(xiàn)象，主要為細(xì)小節(jié)理，對開采影響不大。

2 模型構(gòu)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(gòu)關(guān)系，建立接觸物理力學(xué)模型，并根據(jù)牛頓第二定律建立力、加速度、速度及其位移之間的關(guān)系，對非連續(xù)、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(shù)值模擬理論與工程應(yīng)用方面取得長足的發(fā)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(nèi)部的變形與應(yīng)力分布。中國研究與應(yīng)用離散元法始于20世紀(jì)80年代中期，王泳嘉教授首次應(yīng)用于節(jié)理巖體的數(shù)值分析中，研究了放礦的數(shù)值模擬與自然崩落機制。目前，該方法得到了廣泛應(yīng)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(yīng)用，在離散元基礎(chǔ)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(yīng)力時用變態(tài)模態(tài)組合來代替Cundall的有限差分格式[15]。

2.2 計算所采用力學(xué)參數(shù)

在本次計算過程所采用的礦（巖）體數(shù)據(jù)已經(jīng)過大量的試算和經(jīng)驗折減，計算模擬中所采用的計算參數(shù)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(guān)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(jié)構(gòu)單元，遠(yuǎn)離礦體的間接頂?shù)装宀捎? m×5 m的結(jié)構(gòu)單元，礦體、直接頂?shù)装宀捎? m×2 m的結(jié)構(gòu)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(yù)留4 m頂?shù)字?，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(yù)留5 m的間柱，采場內(nèi)預(yù)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(nèi)部形成采空區(qū)后不施加任何約束，允許圍巖依照自身的力學(xué)機制發(fā)生一定的位移或破壞，研究礦體回采后采空區(qū)的穩(wěn)定性及上部圍巖的破壞范圍。

2.4 模擬結(jié)果分析

本次離散元模擬中，法向剛度系數(shù)和切向剛度系數(shù)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(jié)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(guī)律。離散元可以給出剖面的速度圖、位移圖、主應(yīng)力分布圖及各單元角點等的接觸關(guān)系圖等，信息量比較大。由于各剖面的模擬規(guī)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(qū)域中，形成初始應(yīng)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(yīng)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(jié)果見圖3～5）在礦（巖）體中形成初始應(yīng)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(yīng)力場）的基礎(chǔ)上將礦體開采至1 205 m水平。從模擬結(jié)果應(yīng)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(qū)，符合巖石力學(xué)的規(guī)律。礦體回采后上盤直接頂板出現(xiàn)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(yán)重外，間接頂板沒有出現(xiàn)開裂和離層現(xiàn)象。這說明二礦段直接頂板鋁土頁巖是影響礦體開采穩(wěn)定的主要因素，在礦體開采過程中應(yīng)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(qū)域中，形成初始應(yīng)力場。Ⅰ#縱剖面模擬結(jié)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力場）的基礎(chǔ)上將礦體開采。從模擬結(jié)果應(yīng)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(qū)，符合巖石力學(xué)的規(guī)律。礦體回采后上盤圍巖出現(xiàn)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(guān)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(xiàn)明顯的移動。從模擬結(jié)果可以看出，隨著礦體傾角的增大，頂板出現(xiàn)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(nèi)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(qū)處理

通過數(shù)值模擬分析，認(rèn)為該礦區(qū)地下開采會影響到地表，且礦區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜，地層中斷層、溶洞、裂隙較多，一旦采空區(qū)發(fā)生大面積垮塌，采空區(qū)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(xiàn)垮塌。該礦區(qū)投產(chǎn)后，地表出現(xiàn)了許多塌陷坑，塌陷坑的出現(xiàn)不僅影響了礦群關(guān)系，而且后期治理的難度和費用也比較高。因此，采空區(qū)要及時進行有效治理。

3.1 采高小于3 m的采空區(qū)

采高小于3 m的采空區(qū)屬于較小采空區(qū)。根據(jù)房柱采礦法的特點，礦體越薄，采場采空區(qū)跨度越小，采場內(nèi)預(yù)留點柱越多。從該礦區(qū)2年來的回采現(xiàn)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(xiàn)涌水、涌泥（沙）。對于采高小于3 m的采空區(qū)，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(qū)頂板自然垮塌并充填采空區(qū)。

3.2 采高3～6 m的采空區(qū)

采高3～6 m的采空區(qū)屬于中型采空區(qū)。根據(jù)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(yù)留0.5 m左右的護頂?shù)V以保證回采過程中采場頂板不垮塌。采場回采時按設(shè)計在采空區(qū)內(nèi)預(yù)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(qū)進行處理。

對于3～6 m的采空區(qū)，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(shè)備直接將廢石從上山貫通口倒入采空區(qū)。考慮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(qū)，建議在上山對應(yīng)的電耙聯(lián)道內(nèi)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(qū)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(qū)

采高6～12 m的采空區(qū)屬于較大型采空區(qū)。根據(jù)該礦區(qū)礦井下礦體賦存條件，礦體厚度達(dá)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(lián)合開采，進路出礦，回采時頂板預(yù)留0.8 m左右的護頂?shù)V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(qū)處理，從安全、經(jīng)濟、可行性3方面考慮，利用廢石自重充填采空區(qū)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(jù)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(qū)。預(yù)計采空區(qū)的高度約6 m，故把采空區(qū)充填地點選在1 330 m中段舊大巷處。

2）回填方法。根據(jù)井下現(xiàn)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(qū)內(nèi)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(qū)現(xiàn)狀是：低于充填地點的采空區(qū)與充填地點填平。第二次充填從采空區(qū)內(nèi)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(qū)內(nèi)充填采空區(qū)。2道充填結(jié)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(jié) 論

該礦區(qū)礦段礦體開采屬近地表開采，采用離散元數(shù)值模擬方法，對近地表開采會出現(xiàn)的地質(zhì)災(zāi)害進行模擬。

1）通過對該礦區(qū)二礦段34b勘探線剖面的模擬分析，認(rèn)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(yīng)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(rèn)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(yīng)注意礦體傾角的變化，加強頂板管理。

3）通過模擬分析，認(rèn)為近地表開采可能會影響到地表，所以開采過程中采場內(nèi)應(yīng)嚴(yán)格按照有限元模擬結(jié)果留設(shè)點柱及控制好點柱之間礦房的跨度。

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

[參 考 文 獻]

[1] 解世俊.金屬礦床地下開采[M].2版.北京：冶金工業(yè)出版社，2008.

[2] 謝和平，高峰，鞠楊.深部巖體力學(xué)研究與探索[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2015，34（11）：2 161-2 178.

[3] 侯克鵬.礦山地壓控制理論與實踐[M].昆明：云南科技出版社，2004.

[4] 周宏偉，謝和平，左建平.深部高地應(yīng)力下巖石力學(xué)行為研究進展[J].力學(xué)進展，2005，35（1）：91-99.

[5] 李庶林，王偉，林建寧.近地表上覆巖層直壁塌陷機理及穩(wěn)定性分析[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報，2012，23（2）：44-49.

[6] 胡留現(xiàn)，王慧萍.東同礦業(yè)公司近地表采礦誘發(fā)地表塌陷的數(shù)值模擬研究[J].黃金，2010，31（8）：26-29.

[7] 胡艷芳，徐剛.大紅山鐵礦淺部熔巖露天開采改擴建可行性分析[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2015，31（12）：18-19，24.

[8] 羅周全，徐海，楊彪，等.礦區(qū)巖溶地表塌陷神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測研究[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報，2011，22（3）：39-44.

[9] 孫洪洲，洪松，欒東朋.大浞河鐵礦礦體上覆巖層移動破壞分析[J].礦業(yè)工程，2009，7（6）：13-15.

[10] 徐友寧.礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查研究現(xiàn)狀及展望[J].地質(zhì)通報，2008，27（8）：1 235-1 244.

[11] 徐友寧，吳賢，陳華清.大柳塔煤礦地面塌陷區(qū)的生態(tài)地質(zhì)環(huán)境效應(yīng)分析[J].中國礦業(yè)，2008，17（3）：38-40，50.

[12] 毛建華.有色金屬礦山地壓與地質(zhì)災(zāi)害防治[J].采礦技術(shù)，2002，2（1）：31-33.

[13] 李海洪，彭庚.地下金屬礦山地質(zhì)工程災(zāi)害分析與防治[J].礦業(yè)工程，2010，8（1）：8-10.

[14] 趙坤，程涌，楊八九.麥壩礦區(qū)緩傾斜鋁土礦采礦方法探討[J].科技信息，2011（36）：518-519.

[15] 張富.網(wǎng)選邊坡災(zāi)害評價及變形規(guī)律研究[D].昆明：昆明理工大學(xué)，2003.

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