大红山铁矿深部开采F2断层对岩层移动控制研究

余正方

(玉溪大红山矿业有限公司， 云南 玉溪市 653100)

在矿山开采过程中，断层的存在对矿山生产有着显著影响，许多国内外专家学者发现在采动过程中，断层等结构面容易产生“活化”现象。当开采区域断层比较发育时，断层对采场上覆岩层破坏规律、地压分布规律的影响十分明显，在这种情况下开采矿石就必须考虑断层的影响[1]。根据大红山铁矿露天开采和深部开采的空间位置关系，深部开采采用无底柱分段崩落法，开采产生的岩石崩塌和移动可能会对上部的露天采场边坡带来危害，因此地下开采引起的岩石移动对露天边坡稳定性具有极为重要的影响。

1 工程概况

大红山铁矿是一座露天开采与地下开采同时并存的矿山。矿区主要构造有2组，分别为东西向和北西向，其中东西向构造为矿区的成矿构造。东西向主干断层有F1和F2断层，F2断层位于大红山向斜北侧向近东西，延长1.1 km以上，倾向南，倾角为80°左右，沿断层带辉长辉绿岩呈岩墙贯入，是浅部铁矿与深部铁矿的自然分界。倾向斜断距为50m～600m，初期断距不大，后被岩体侵入充填破坏，反映在沿走向各剖面上断距变化大，A32到A34线距离仅170m，但断距减小到180m，而到A40线则基本上没有断距，断层带宽度为50m～100m，为辉长辉绿岩岩墙所占（如图1～图2所示）。

图1 矿段划分及断层投影平面示意

图2 矿体划分及F2断层典型剖面示意

目前主采区上覆岩层的崩落带已经与地表贯通，形成了主采区井下与地表相互联动的良好局面，原有闭合开裂区域内崩落岩体的较大下沉（平均约1m）导致原有闭合开裂沉降区域周边围岩体受到的支撑力有所下降，在原生裂隙等抗拉强度较低的局部区域产生了张拉裂缝。从现场观测数据来看，岩体开裂下沉等地压现象均位于F2断层以内或附近，没有越过F2断层，1090巷道内发现的新增开裂缝虽然越过了F2断层，但规模小，没有发生闭合，所以影响范围小。

通过现场岩体结构面调查、岩石力学实验及岩体质量分级等工作确定了宏观岩体力学参数，见表1。

2 基于临界散体柱理论的陷落角计算

本文采用东北大学任凤玉教授等专家提出的“临界散体柱理论”来计算陷落角[2−4]。将采空区底板边缘到地表陷落区边界的连线与水平面的夹角称为岩体的陷落角，将临界散体柱与其上陷落坑的高度之和称为临界深度，陷落角与采深的关系式如下：

式中，β为陷落角，°；h0为临界深度，m；α为矿体倾角，°；β0为错动角，°；H为开采深度，m。在大红山铁矿条件下，取β0为70°，将各剖面相关参数值代入式（1）计算，计算值见表2，陷落角保持在80°以上，最终陷落范围对浅部铁矿的露天采场边坡影响较小。

由式（1）可以看出，陷落角随开采深度的增大而增大，在矿体倾角与采深一定的条件下，陷落角越大，地表陷落范围就越小；当H与α一定时，β随h0减小而单调递增。也就是说减小临界深度，可有效增大陷落角。为此，矿体继续向深部开采后，用废石充填地表塌陷坑，人为减小临界深度，可有效控制地表陷落范围。

表1 矿岩体宏观岩体力学参数

表2 不同剖面陷落角计算值

3 数值模拟

3.1 FLAC3D数值模拟

采用FLAC3D软件建立大红山铁矿研究区域的三维几何模型，模拟工作面推进过程中顶板或上覆岩层变形和破坏的演化过程。模型共计3285100个单元和3357780个节点，如图3～图4所示。深部矿体回采后，提取典型剖切面云图（见图5～图7）。

图3 整体模型

图4 模型典型剖面

图5 地表Z方向位移图

由图5可知，塌陷区中心部分的沉降值最大，向外逐步减小，地表沉降范围到达F2断层后，没有明显再继续扩大的趋势。由图6可知，距离空区越近，Z方向位移量越大，沉降范围并没有按照一般移动角规律扩大到地表上，影响浅部铁矿露天边坡开采，说明断层可以对岩石的移动存在一定的割断作用，从而减小地下开采对露天边坡的影响。岩体受到拉应力或剪应力造成拉伸或剪切破坏，形成塑性区（见图7），塑性区采用直接观察的方法，图7中红色范围表示塑性区，塑性区范围越大，表示相应区域的稳定性越差。深部开采后，塑性区主要集中于采空区正上方的覆盖岩层，形成大面积贯穿，F2断层的存在对塑性区的扩展起到一定的隔断作用。

图6 剖面Z方向位移图

图7 剖面塑性区云图

综合分析认为：地表的破坏形式为空区上覆岩层在重力作用下形成垂直塌陷坑，断层靠近露天边坡一侧是地表沉降变形的明显界限，断层的存在对露天边坡的稳定性起到了重要作用。

3.2 离散元（2D-Block）数值模拟

根据大红山铁矿地下矿体、地表的实际形态和围岩特征，模拟地下矿体开采后，采空区上部围岩在自重应力作用下发生冒落时对地表稳定性的影响。本次模拟选择了代表性较强的33#、34#、36#、37#、CZ1#、纵Ⅱ#剖面进行模拟。模拟过程中，允许围岩依照自身的力学机制发生一定的位移或破坏作为前提。33#、37#剖面开采体周边的围岩发生了一定程度的冒落和滑移，块体没有直接垮落至地表，地表出现裂缝和位移，随着时间的推移，有直接冒落至地表的可能性。通过地表圈定岩石移动范围，33#剖面块体开采后上、下盘围岩移动角分别为81°和78°；37#剖面块体开采后上、下盘围岩移动角分别为77°和71°；通过对34#、36#、CZ1#剖面不同阶段开挖的模拟分析，认为矿体开采后围岩上盘冒落主要沿辉长辉绿岩所处的F2断层移动。

4 移动界线及陷落界线的圈定

通过上述临界散体柱理论分析计算、FLAC3D数值模拟分析结果以及离散元（2D-Block）数值模拟研究，分别在平、剖面图上圈定出地表移动界线，与现状错动界线进行比较分析，如图8所示。由FLAC3D数值模拟和临界散体柱理论得出的地表陷落范围与地表现状塌陷坑回填区域的边界基本重合，可作为开采结束后的地表陷落范围；离散元（2D-Block）数值模拟研究圈定的最大离层位置作为开采结束后的地表移动范围。

图8 地表移动及陷落界线的圈定

5 结论

（1）现状塌陷区的范围与矿体全部开采完毕后预测的陷落范围基本重合，因此只要积极充填陷落区域，降低散体柱临界深度，地下开采引发的岩层移动对上部的露天采场边坡影响较小。

（2）在未来的开采中，裂隙范围还可能继续向外扩张，这是由于原有闭合开裂区域内岩体下沉导致沉降区域周边围岩体受到的支撑力有所下降，在原生裂隙等抗拉强度较低的局部区域产生了张拉裂缝，裂隙不断扩张的情况会随着充填体的逐渐密实而有所减缓，最后趋于稳定，这一过程可能会持续较长时间。在加强地表移动变形监测工作的前提下，露天采场边坡的稳定性处于可控范围内。