程潮铁矿矿柱开采地表变形规律及选厂稳定性研究

雷远坤

（武钢资源集团程潮矿业有限公司，湖北鄂州436050）

无底柱分段崩落法因其具有结构简单、采矿强度大、机械化程度高、采矿成本相对较低等优点，在国内地下金属矿山广泛应用与发展［1］。据统计，我国使用无底柱分段崩落法采出的矿量，地下铁矿山占采出矿石总量的85%以上，其中有色金属矿山约占35%［2］。然而，崩落法开采的地下金属矿山，普遍存在上覆岩层大范围移动及冒落等现象，并引发地表塌陷、地表重要建（构）筑物变形破坏等灾害，不仅造成大量矿石资源的损失浪费，采矿成本居高不下，并导致生态环境恶化，严重威胁到井下安全生产［2-3］。

为了保证地表工业场地及重要建（构）筑物的安全，许多无底柱分段崩落法开采矿山在前期开采过程中预留了一定数量的矿柱。然而，随着开采深度不断增加，矿柱所占比例日益增大，不仅造成了矿石的极大浪费，而且缩短了矿山服务年限，对矿山可持续发展极为不利。在国内外浅部矿产资源面临枯竭严峻形势下，通过合理变更采矿方法，安全回收前期开采所预留的矿柱成为越来越多的矿山解决眼前资源危机的主要途径。

充填法开采在控制采区地压及上覆岩层移动、减缓地表移动变形速度，防止已有地表塌陷进一步大范围扩展等方面具有不可比拟的优势［4-5］，也是回收预留矿柱的首选方法。然而，回收保护地表的预留矿柱，有必要对不同回采方案地表变形规律及关键构筑物所在地表的稳定性进行研究，以保证其安全及矿柱回收的顺利进行。

本项目以程潮铁矿矿柱开采为研究对象，在分析地表移动变形监测结果的基础上，通过数值模拟研究了4种矿柱回收处理方案对地表重要工业场地及建筑物选矿厂所在地表稳定性的影响，为矿山矿柱回收方案选择提供了理论参考依据，具有重要的工程意义。

1 矿区概况

程潮铁矿是国内特大型地下金属矿山，主要有Ⅱ、Ⅲ、Ⅵ、Ⅶ4大矿体，矿体分布如图1。矿体总体走向292°，多呈不规则透镜状向南缓倾斜，倾向206°，倾角15°～25°，向西侧伏，侧伏角8°。矿体以西15号勘探线为界分为东区和西区，探明铁矿石储量2亿多吨。目前正在开采的Ⅵ矿体平均宽度250 m，平均厚度72.95 m，属于缓倾斜厚大矿体。

程潮铁矿建矿以来一直采用无底柱分段崩落法进行开采，分段高度17.5 m、进路间距15 m，目前西区在-410 m、-430 m水平回采。受地下水疏干和井下开采等因素的共同影响，地表已陆续产生了十几个塌陷坑和错动区，且随着开采深度和范围的延伸不断扩大［6-7］。这造成了东区地表重要构筑物东主井的停用，西区地表移动范围也波及下盘主要工业场地的选矿车间、井筒及公路、村庄，如图2。

为了维持选矿车间的稳定，开采过程中在矿体西端预留了大量的矿柱，如图3。预计截至-800 m水平，预留的矿柱储量占整个西区开采地质矿量的45.43%。其中，-342.5 m水平以上80.59万t，-430 m水平以上达到203.49万t，造成矿石资源的巨大浪费。

因此，亟需在分析地表移动及塌陷现状的基础上，通过采用合理的采矿方法、回采进度和顺序回收矿柱矿量，以合理回收矿石资源，保证选厂服务期内的稳定，维护西区地表及重要构筑物等工业设施的长期安全。

2 西区地表移动变形规律实测分析

程潮铁矿西区于2006年4月发生首次塌陷，自此，中国科学院武汉岩土力学研究所与矿山展开了一系列的地表变形监测工作［8］。截至2013年9月，监测结果统计如下：

（1）移动线向南扩展约200 m，向西扩展约30 m，向北扩展130 m，向东北扩展约300 m，并在2010年6月越过了运输隧道中部扩展至措施井段。

（2）陷落线向南扩展约230 m，向西扩展约75 m，向北扩展200 m，向东北扩展约280 m，并在2011年6月到达运输隧道中部区域，2013年6月基本覆盖了从公路隧道到措施井段的运输隧道。

（3）选矿厂位于采场的西部，选取经过选矿厂的2#剖面进行分析，以获得选矿厂移动角度随开采时间的变化，如图4。可知，截至到2013年9月移动角已经扩展至选矿车间5号门附近，最终移动角为57.06°，如图5。而陷落线则距离较远，最终陷落角为68.97°，如图6。

通过对以上数据的总结分析，可得西区地表移动变形规律如下：

（1）当采空区底部位置一定时，移动角随着时间的增加而减小，且其变化速率随时间增加而减小；

（2）当采空区底部位置变化时移动角可能呈跳跃性变化；

（3）井下开采对地表的影响具有延时性：采空区达到一个新的水平之后，移动范围没有随之瞬间扩张，这致使监测到的移动角度突然增大，如图7；但在随后的半年时间里移动角度迅速减小。

3 FLAC3D数值建模

本研究采用三维有限差分计算软件FLAC3D，根据实际矿床地质模型建立程潮铁矿三维仿真数值模型，进行采矿动力学计算分析［9］，以研究矿体西段矿柱部位不同回采方法引起的地表变形，评估预测矿柱开采对地表重要构筑物稳定性影响程度。

3.1 数值模型建立

三维数值模型包括程潮铁矿西区（15线向西）的全部开采区域。模型长3 000 m，宽2 800 m，高1 242.5 m（自地表42.5 m至-1 200 m）；共划分357 840个单元，378 288个节点；其中矿体范围单元尺寸33 m×28 m×17.5 m，外围单元尺寸50 m×50 m×17.5 m，如图8。

计算采用摩尔-库伦破坏准则［10］，矿体开采后，在覆盖岩层上方形成冒落带、裂隙带和弯曲带。冒落带为拱形向上冒落，其形状由冒落顶点、矿体两侧边界点和冒落中点水平长度确定，如图9。冒落顶点为冒落高度水平线与矿体长度（L）中心线的交点；拱形的起始点为矿体两侧的边界点，并与水平方向的夹角为45°～60°。冒落中点水平长度（l）取值原则如下。

3.2 模型参数及边界条件

影响西区地表移动的主要围岩有铁矿石、硬石膏、花岗斑岩等。综合考虑物理、工程条件的影响，确定数值模型中的力学参数如表1。

采空区冒落的废石为松散介质，其在覆岩作用下逐渐被压实，冒落废石的密度ρ，弹性模量E和泊松比υ随时间增加而增加，可由以下经验公式描述：

地质构造方面，模型中考虑了对矿区影响最为显著的程潮北断层，其属性参数如表2。

根据程潮铁矿-430 m、-360 m中段8个测点的地应力测试结果，模型中最大主应力σ1=1.28γH（γ为岩体的容重，kN/m3，H为距离地表的深度，m。），方向N80°W，与矿体走向基本一致；中间主应力为近似垂直方向，在深度上的变化规律接近岩体自重引起的垂直应力；最小主应力基本垂直矿体，取值0.48γH。

3.3 计算方案及过程

（1）计算方案与目标。矿山开采现状调研表明，-360 m以上的矿柱部分已按照崩落法进行采准工程布置，无法使用充填法回收，因此，本研究仅对-360 m以下矿柱部分使用充填法回收进行模拟。计算方案如下。

方案Ⅰ：采用崩落法开采至-430 m水平，留矿柱（模拟矿山实际开采现状）。

方案Ⅱ：采用崩落法开采至-430 m水平，不留矿柱。

方案Ⅲ：采用崩落法开采至-360 m水平，留矿柱；采用充填法开采-360 m～-430 m矿柱。

方案Ⅳ：采用崩落法开采至-360 m水平，不留矿柱；采用充填法开采-360 m～-430 m矿柱。

通过计算分析，得到不同回采方案的地表变形情况，确定相应的地表移动范围，以分析矿柱开采对地表重要构筑物的影响程度。

（2）计算过程。计算追溯了整个开采历史和开采过程，包括开采时间、开采位置和采矿方法的系统模拟，简述如下：①施加边界条件和初始地应力，赋予属性后进行弹性计算，得到初始应力场；②进行塑性赋值，模拟开采前状态，位移清零；③模拟-290 m水平放顶，放顶高度按照20 m计算，然后按照分段高度17.5 m，按设定方案进行相应模拟分析至-430 m水平；④以70 m为一阶段进行统计分析，分别记录各计算方案不同开采水平的地表变形结果。

3.4 移动范围确定准则及模型校验

根据相关文献［11-13］，对建筑物保护等级及允许变形值的规定，并考虑到研究对象为开采矿体上下盘的重要地表建筑物及工业场地，结合煤矿安全规程，确定以地表倾斜率i=2.5 mm/m，地表水平拉伸率e=1.5 mm/m作为变形破坏的判据。为保证数值模拟结果的准确性，将方案Ⅰ-360 m水平开采完毕后的地表沉降等值线云图及移动范围模拟结果与实测结果进行对比（见表3）。可见，数值分析圈定的地表移动范围较实测略大。但考虑到实测时-360 m分段东端尚有部分矿体未采出，开采完毕后地表移动范围仍将进一步扩展，故认为所建立的数值计算模型基本可靠。

4 数值模拟结果分析

4.1 矿柱开采对地表变形的影响分析

各方案地表变形计算结果如表4所示，提取相应的计算结果，并采用ARCGIS软件进行绘图，如图12、13。分析可知：

（1）-360 m水平以上矿柱开采结束后，各方案地表变形情况较为接近，这是由于-360 m水平以上矿柱区域矿体所占比例较少，分布范围较小，尚不足以对地表变形产生显著影响；

（2）-430 m水平以上矿柱开采结束后，对地表变形的影响开始显现，相对于方案Ⅰ，方案Ⅱ在矿柱以西的地表沉降值、X方向位移和水平合成位移增加明显；方案Ⅲ、Ⅳ地表变形量在矿柱西端较方案Ⅰ略有增加，以竖向变形为主，但总体变形量较为接近，均未对矿柱上方地表产生较大的影响。

（3）矿柱对于地表变形的影响随着深度的增加而加剧，开采至-430 m水平，预留矿柱引起的地表变形极值约为无矿柱条件下对应位置的70%～80%，特别是矿柱附近地表变形所受影响最大；采用充填法回收-360 m～-430 m范围矿柱可以有效控制地表变形，基本维持地表稳定。

4.2 矿柱开采对选厂稳定性影响分析

选厂所在地表各开采分段地表位移曲线如图14所示，地表倾斜率和拉伸率如表5。

分析可知：

（1）各方案-360 m水平以上矿体开采引起的地表变形差距较小，此后差距逐渐增大，呈阶段性递增；特别是-395 m水平以下矿体开采，方案Ⅱ、Ⅳ地表变形急剧增加，这主要与矿柱形态相关，矿柱在-360 m水平以下逐渐向西扩展，其开采对于地表的影响随着采深的增大而加剧。

（2）方案Ⅱ与方案Ⅰ对比分析可得：采用崩落法开采-360 m～430 m水平以上矿柱，将导致选厂地表沉降增加约2 cm，地表水平拉伸率增大到1.43 mm/m，地表倾斜率增到1.6 mm/m，已经接近地表一级构筑物要求的变形极限。

（3）方案Ⅲ、Ⅳ与方案Ⅰ对比分析可得：采用充填法回收-360 m～-430 m中段矿柱，选厂地表沉降增大约0.5 cm，地表倾斜率与拉伸率也略有增加，但均未超出或远远小于地表一级构筑物要求的变形极限。

5 结论

（1）采用无底柱分段崩落法回收-360 m水平以上部分矿柱对于地表变形及选厂稳定性影响较小，这是由于-360 m水平以上矿柱区域矿体所占比例较少，分布范围较小，尚不足以对地表变形产生显著影响。

（2）采用无底柱分段崩落法回收-360 m～-430 m水平矿柱将导致地表变形及选厂地表沉降急剧增加，且呈阶段性增长，接近地表一级构筑物要求的变形极限；这主要由于矿柱形态在-360 m水平以下逐渐向西扩展，其开采对于地表的影响随着采深的增大而加剧。

（3）采用充填法回收-360 m～-430 m水平矿柱，选厂地表沉降、地表倾斜率与拉伸率均略有增加，但均未超出或远远小于地表一级构筑物要求的变形极限。

综上所述，从最大化回收矿石资源、保证地表及重要建筑物安全的角度考虑，采用崩落法回收-360 m水平以上矿柱，采用充填法回收-360 m～-430 m范围矿柱可以有效地解决程潮铁矿西区矿柱回收问题；考虑到矿柱对于维护西区地表及重要构筑物稳定的重要性，建议适当提高充填体的强度并加强管理，以尽可能减少矿柱开采对于地表及重要建筑物的影响。