程潮铁矿深部开采塌陷坑移动规律研究

2021-10-20许梦国张威威程爱平胡倡瑞

金属矿山 2021年9期

许梦国张威威王平程爱平胡彦胡倡瑞

（1.武汉科技大学资源与环境工程学院，湖北武汉430081；2.冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室，湖北武汉430081）

目前，程潮铁矿开采至-500 m中段，现设计-570 m、-675 m中段开拓工程作为-500 m中段的生产接续工程。前期设计以上盘52°、下盘和端部62°圈定地表移动范围，目前开采造成的地表移动线已逼近新副井南部边缘，后续开采对塌陷坑附近地表移动及新副井的影响成为亟待解决的问题。地表塌陷不仅受地质构造和采矿方法的影响，随着开采深度递增，地表塌陷移动值也表现出不同的规律性。采用科学的方法研究深部崩落开采下地表塌陷移动规律，对于保护地表重要建（构）筑物有重要意义。于保华等［1］通过数值模拟和现场实测揭示了深部开采条件下地表沉陷各项变形值与浅部开采的差异性；陆玉根等［2］通过相似模拟试验，结合位移传感器和压力传感器测量研究了大红山铁矿崩落开采条件下覆岩冒落和地表塌陷规律；裴明松等［3］采取相似模拟试验得到了两种采矿方法回收-500 m以上矿体的地表变形规律；李腾等［4］在相似模拟的基础上结合现场监测数据，揭示了井下开采地表移动具有延时性和跳跃性特点；雷远坤［5］在地表变形数据基础上，采用数值模拟分析了不同水平下矿柱回采对地表重要建筑物的影响程度；夏开宗等［6］通过对程潮铁矿往年地表监测数据的分析，并结合岩层移动机理得出不同开采水平下的岩体变形规律；宋许根等［7-9］依据实测数据从理论力学角度分析了地表塌陷后采矿推进与地表变形规律之间的关系；庞汉松等［10］针对分段崩落法提出了一种新的地表移动边界确定方法，揭示了程潮铁矿西区同一开采深度下不同剖面移动角存在的差异性。总体上，现阶段针对深部崩落开采地表塌陷移动规律的研究大都依赖于现场实时监测数据，对未来发展趋势的预测具有滞后性，且针对金属矿山塌陷坑周边围岩及移动角随开采深度变化规律的相似模拟研究涉及较少。

为此，本研究依据程潮铁矿实际开采情况，采用相似模拟和数值模拟相结合的方法，对该矿-500 m以下中段开采塌陷坑周边岩体的移动规律进行预测研究。借助应变片和千分表对模型开挖至不同阶段的塌陷坑周边远近地表围岩应变值和地表沉降量进行监测，研究深部崩落开采条件下塌陷坑随采深的移动变化规律，并依据不同开采阶段对塌陷坑周边地表重要建筑物的影响程度提出相应的解决措施。

1 相似理论

本研究基于相似三定理，展开相似模拟试验。通过缩小原型比例制作模型，借助相关仪器分析模型的应变、位移等力学参数及其变化规律。合理的相似准则是准确进行试验的基础，线弹性模型的相似准则一般是在弹性力学的基础上，结合单值条件方程分别推出线弹性问题的基本判据［11］：

式中，Cσ为应力相似比；Cγ为容重相似比；Cl为几何相似比；Cu为位移相似比；Cε为应变相似比；CE为弹性模量相似比；Cμ为泊松比相似比；Cf为摩擦系数相似比；Cφ为内摩擦角相似比；Cσt为抗压强度相似比；Cσc为抗拉强度相似比。

在实际模拟中，考虑到各种实际因素无法满足以上所有方程式，常根据所分析的问题以及实际情况选取主要因素作为相似准则，忽略其他因素设计试验，以达到研究目的［12-13］。本研究确定的主要相似准则为

2 试验方案设计

2.1 模拟范围确定

在考虑程潮铁矿的地质和采矿等影响因素后，结合实际情况，选取位于新副井附近的23#勘探线作为本次相似模拟试验的模型剖面，模拟开采范围为-500～-657.5 m水平的矿体。考虑到开挖扰动引起的原岩应力重分布［14］以及试验目的，确定本次研究的开采范围为+123～-900 m水平，总深度为1 023 m；模拟宽度为1 650 m。为方便模型浇筑，对原剖面进行了简化得到如图1所示的剖面模型，上盘主要为角岩，下盘主要为花岗岩，矿体上部为闪长岩和矽卡岩。其中，1#～11#点为监测模型地表沉降的千分表测点，各千分表间距900 mm，CH1～CH23点为监测模型微观变化的应变片测点。

2.2 相似比及模型尺寸确定

在充分考虑实验室现有模型设备条件下，结合多个相似比方案分析比较，最终选取Cl=950，Cγ=1.3，由式（2）可得Cσ=1 235。在武汉科技大学岩石力学实验室开展相似模拟试验，其中模型框架全部由型钢制作，净断面长1.75 m、高2.30 m、宽0.20 m。依据选取的几何相似比计算，试验所需的模型架长1.74 m、高1.07 m，宽度选择模型架的宽度。

2.3 相似材料制作

依据程潮铁矿提供的岩体力学参数，并结合应力相似比计算出模拟岩体的力学参数。对比分析已有研究成果［15-17］，本研究以河沙、重晶石粉、石膏、铁矿粉作为相似材料，以单轴抗压强度为指标，基于正交试验设计相似材料配比方案。为减少试验误差，每组配比方案制作3个试样进行单轴压缩试验（图2），相似材料配比结果见表1。在不考虑地下水影响下闪长岩和矽卡岩物理性质相近，且在此相似比下两种岩体相似材料抗压强度接近，因此在试验中采取相同的配比方案。

2.4 模型堆砌与开采方案

根据程潮铁矿地质资料，模拟开采范围内无断层构造，矿区水平应力与自重应力相比可忽略不计。水平应力由模型架两端为保持模型垂直状态所施加的反作用力产生，自重应力场由相似材料自身重力施加，顶部不施加任何荷载。根据相似材料配比方案（表1）进行材料配比，将混合材料干拌均匀后再加水搅拌，最后按图1中的矿岩分布由下往上依次浇筑入模。待模型浇筑7 d后拆模使其在自然条件下养护至模型风干完毕，加入散体，布设千分表和应变片，制作完成的模型如图3所示，静置3 d待模型达到平衡状态即可进行试验。

注：散体部分采用上下盘岩体配比制作大小合适的碎块。

试验过程中采用千分表监测地表随开挖累计垂直沉降值，各千分表测点相互间距900 mm。采用静态电阻应变仪监测塌陷坑远近地表区域岩体的应变情况。试验模拟开挖-500～-657.5 m水平矿体，开挖方式严格按照由上至下顺序，并及时记录相应阶段千分表和应变仪的读数。开挖至不同采深的模型如图4所示。

3 试验结果分析

3.1 地表沉降分析

根据开采过程中实时记录的千分表读数，筛选开挖至-552.5、-587.5、-622.5、-657.5 m时对应的千分表读数，依据几何相似比，得到上下盘地表实际沉降值与采深的变化曲线，如图5所示。

由图5可知：随着采深增加，地表变形表现出不同程度的持续沉降，总体呈现出地表沉降值与塌陷坑距离呈负相关的趋势，符合地下开采的一般沉降规律。-657.5 m水平开采结束以后，1#千分表所在位置未表现出明显沉降，即开采至-657.5 m水平对塌陷坑644 m以外的上盘区域不会造成明显影响；上盘最大沉降点为8#点所在位置，沉降值为2 100 mm。下盘最大沉降点为9#点所在位置，沉降值为13.5 mm。对比分析上盘各监测点阶段沉降值可知，在-500～-587.5 m水平地表沉降表现为加速变形；-587.5～-622.5 m水平地表沉降表现为减速变形；-622.5～-657.5 m水平地表沉降又表现出加速变形。由此表明：随着采深增加，上盘地表变形表现出先加速后减速再加速的变化趋势。

根据图5（a）中各测点的垂直位移，以竖直位移达到或超过变形标准值（10 mm）视为地表破坏点依据［18］，计算得到各分段开采结束时的上盘移动角依次为52°、54°、55°、57°，从-552.5 m水平开采结束，地表上盘移动范围依次增加64、32、21 m。由此可见，随着矿体开采上盘地表移动角逐渐增大，地表移动扩张速率逐渐放缓。分析图5（b）可知：在-587.5 m水平之前矿体开采对下盘影响较大，此后随着开采作业继续推进，开采对下盘造成的影响逐步减弱，相似模拟直观显示出随着采矿作业的推进，下盘塌陷坑附近采空区被散体充填，下盘边缘崩落散体随着开采逐步减少，塌陷坑边缘表现出滑坡趋势。至开采结束，新副井处于开采移动界限之外，新副井附近监测点累计最大沉降值为8.5 mm，地表倾斜值为0.017 mm/m，大于《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）［19］中“50～100 m 建筑物的倾斜值为0.005 mm/m”的要求。由以上分析可知，-500 m水平以下矿体开采会对新副井造成一定程度的影响，在开采过程中应及时针对下盘制定相应措施提高端部围岩的稳定性。

3.2 上下盘围岩应变分析

每次开挖结束，取两组应变稳定状态下的应变值作为监测结果。剔除试验过程中的损坏应变片，将剩余应变片划分为4个区域。CH2～CH7为A区，CH8～CH10为B区，CH13～CH16为C区，CH17～CH19为D区；其中，A和B分别表示上盘和下盘近地表围岩应变监测，C和D分别表示上盘和下盘远地表围岩应变监测，监测结果如图6所示，横轴代表试验开挖进度工况。

由图6可知：在开采初期各应变片读数变化相对较小，随着后续开挖的进行，各应变片数值呈现出不同的增长趋势。4个区域应变值以正数为主，塌陷坑边缘为负数，依据“拉正压负”特征可知，深部开采在竖直方向上对近地表围岩和远地表围岩造成的应变以拉应力为主。对比A区和C区、B区和D区可以看出深部开采条件下，崩落开采引起的应力重分布对近地表区域围岩影响较大，对远地表区域围岩影响较弱。

从应变值变化规律来看，在-552.5 m水平之前上盘应变值呈现出距离塌陷坑越近应变越大的趋势；随着开采逐渐往上盘转移，应变值逐渐呈现出距离塌陷坑越远应变值越大的趋势。下盘距离塌陷坑越近应变值越大，在-587.5 m水平以后随着开采的进行，下盘应变不再产生强烈波动，并逐渐趋于稳定，表明随着开采的进行，下盘所受影响逐渐减弱，这与千分表地表沉降监测结果呈现一致性。

4 数值模拟

为检验相似模拟结果的可靠性，采用FLAC3D软件进行数值模拟分析，结合程潮铁矿地质资料进行参数折减［20］，得到的矿岩物理力学参数见表2。

4.1 模型构建

根据开采范围构建的数值模型尺寸为1 650 m×20 m×1 023 m（长×宽×高），采用Ansys软件划分成尺寸为20 m×20 m的四面体网格，总计34 211个单元，11 179个节点，模型效果如图7所示。模型上边界为自由边界，左右边界和下边界均采用位移约束条件，模型整体受垂直向下的重力，矿体及所涉岩体采用Mohr-Coulomb本构模型。

4.2 数值模拟对比分析

在模型上下盘布设与室内试验相对应的地表监测点，整理模型开挖至-552.5、-587.5、-622.5、-657.5 m分段地表监测数值，得到相应上盘地表移动角和下盘沉降值随开采深度的变化情况，数值模拟与相似模拟试验结果对比见图8和图9。

由图8和图9可知：就上盘而言，数值模拟与相似模拟结果均显示上盘移动角随开采增大的趋势，且大于初期设计值52°。从工程实际来讲，移动角大小与地表移动范围成反比，由此表明，开采对上盘设计范围外地表建筑物的影响有限。对于下盘，从沉降数值来看，数值模拟计算结果偏小于相似模拟，新副井区域最大沉降值为6.54 mm，地表倾斜值为0.012 mm/m，以上结果均显示-657.5 m水平以上矿体开采会对新副井造成一定程度的影响。从变化趋势来看，-587.5 m水平以上矿体开采对下盘地表沉降影响较大，随着开采深度的增加对下盘影响逐步减弱，这与相似模拟得出的规律一致。

综上所述，程潮铁矿-500 m水平以下矿体开采对下盘影响主要集中在-587.5 m水平之前，因此有必要针对下盘制定有效的围岩稳固措施，以降低开采对下盘以及地表新副井的影响，如在新副井附近垂直勘探线方向200 m范围内减少爆破频率，降低爆破振动对边坡岩体的影响；增大崩落采场结构参数、优化开采顺序、采用锚杆联系链支护技术等。