山东某铁矿保安矿柱开采对地表构筑物的影响分析

吴振雨王 靖刘培正李志杰陈 虎

（1.莱芜莱新铁矿有限责任公司；2.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司；3.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司）

为保证矿山持续发展，山东某矿山拟对矿区内的保安矿柱进行安全开采论证，在确保安全可靠的前期下，有效提升矿山的服务年限，减少资源浪费，为类似矿山保安矿柱开采提供实践经验。

1 现场调查

1.1 矿山现状

山东某铁矿为缓倾斜、倾斜的中厚至厚大矿体，矿体主要埋深为-100～-600 m。地表标高为180 m，地形平坦，主要分布着采选工业设施、道路及民房等。为了保护地表建（构）筑物，共圈定保安矿柱矿量686.4 万t，其中西区保安矿柱矿量为322.75 万t，东区保安矿柱矿量为363.65 万t。目前，东区-255 m中段的矿体除保安矿柱区域外，已基本开采结束，正在开采-205 m 中段矿体。西区主要集中开采-455和-355 m中段。

1.2 岩体综合调查

为评价该矿山岩体质量和岩体力学参数，进行现场节理裂隙调查。通过调查，井下矿岩节理较发育，一般为2～4 条/m，发育程度为上盘大于下盘，下盘大于矿体。节理基本为同一组，倾向为75°～85°，倾角为55°～90°，矿体内节理倾角较大，节理张开度较小，且有胶结充填；上盘岩石结构面潮湿，岩体较完整，整体质量较好。

1.3 矿区地表踏勘

研究人员对矿区地表保护对象主要分布区域进行了调查，结合建（构）筑物保护等级划分表，矿区地表分布有竖井、提升机房和空压机房等，属于较高等级的I类保护等级。

2 开采方案

2.1 开采技术条件

西区矿体主要为原生磁铁矿，稳定性一般较好；东区矿体为原生磁铁矿和氧化矿，整体稳定性较差。矿体围岩主要为大理岩、蚀变闪长岩等，岩体完整，顶底板围岩较为稳固。矿体工程地质条件为中等类型。

矿山水文地质条件复杂，矿山采取了近矿体注浆帷幕工程，矿山平均封堵率为92.96%，目前井下总涌水量控制在7 000 m3/d 左右。矿山主要环境地质问题为对地下水环境及地质地貌景观的影响与破坏，环境地质综合评价中等。

2.2 保安矿柱开采方案

2.2.1 采矿方法

根据国内类似矿山开采实例，结合矿山一期开采情况，设计保安矿柱采用空场嗣后充填法开采［1］。

采场沿走向布置，局部采场厚度小于30 m，垂直走向方向交替布置矿房采场和矿柱采场，采场跨度为10～12 m。当矿体厚度小于60 m 时，采场长度为矿体厚度，当矿体厚度大于60 m 时，垂直走向方向划分盘区，盘区长度为40～60 m，盘区间柱为6 m，盘区内间隔划分为一步矿房和二步矿房，采用间隔回采，分步充填。分段高度的确定结合现有工程，由1 个20 m分段和2个15 m分段组成。

保安矿柱开采采取与主矿体一致的开采顺序。西区依次开采-405，-355，-505 m 水平；东区依次开采-205，-155，-305 m水平。

2.2.2 治水方案

根据现场踏勘及现有治水资料，保安矿柱开采采用巷道超前探水注浆与近矿体顶板帷幕注浆治水相结合的方案［2］。

2.2.3 充填方案

矿山充填效果、充填体检测及实验数据表明，现有的矿房接顶及充填效果较好。本次开采保安矿柱采用矿山现有充填及接顶方案，即一步骤采场灰砂比为1∶5，二步骤采场灰砂比为1∶7，高压注浆分次充填接顶方案。

3 数值模拟分析

本次论证采用FLAC3D软件模拟矿体开采对地表建（构）筑物的影响。

3.1 模型建立

根据矿体的分布情况以及回采盘区的尺寸，模型上部为矿区地表，其余各边界距盘区达到3倍以上采空区的距离［3］。模型南北方向尺寸为1 800 m，Y轴范围为4 005 600～4 007 400 m；东西方向尺寸为2 200 m，X轴范围为20 548 400～20 550 600 m；下部边界水平Z=-800 m。

根据开采情况及保安矿柱留设情况，将矿体划分成3 个类别，包括已开采矿体（kc）、未开采矿体（wc）和保安矿柱（ba），总计83个回采单元。

3.2 力学参数选取

岩体的物理力学参数通过对岩石力学参数折减而获得。其中，弹性模量采用霍克-布朗改进经验公式进行折减，黏聚力采用M.Georgi 公式进行折减，抗压及抗拉强度采用龟裂系数折减［4-6］，其余参照《工程岩体分级标准》和《工程地质勘察规范》对矿山岩石力学参数进行弱化折减［7］。充填体强度测试来自对矿山尾砂的取样，在室内配比成浓度1∶5 和1∶7 的2种充填体，分别测试7和28 d强度。确定岩体力学参数见表1。

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3.3 开采模拟方案

（1）在开采现状基础上，建立模型计算分析已开采区域造成的地表位移值，结合现场实测数据，分析模型及参数设计的合理性。

（2）按初步设计开采范围和开采顺序进行模拟，暂不开采保安矿柱，西区依次开采-455，-405，-355，-505 m 中段；东区依次开采-255，-205，-155，-305 m中段。中段内自两端向中间后退式回采。

（3）按以上初步设计推荐的开采顺序模拟计算，并统筹本中段留设的保安矿柱开采。具体为按设计开采相应中段，中段开采结束后，再对本中段保安矿柱进行回采。

3.4 计算结果分析

3.4.1 开采现状模拟分析

图1 为开采现状模拟地表位移等值线图。受开采影响，地表位移以开采区域为中线向外呈等值线拱，开采区域中部位移最大，远离开采中线，位移等值线拱径变大，位移值逐渐变小。

由图1可知，地表位移最大值不超过4.5 mm。根据矿山10 余年的实时观测资料，各监测点累计沉降值维持在10 mm以下，与上述模拟计算结果及规律基本一致，模拟计算较实测结果平均小2 mm，矿山开采现状对地表及井筒的影响很小。对比现场实测值与模拟计算值，本次论证的数值模型及力学参数较为合理，可继续进行后续回采计算。

3.4.2 保安矿柱开采模拟分析

3.4.2.1 计算监测线选取

为了清晰地反映矿体开采过程中位移发展规律，本次论证结合模型平面和剖面结果进行分析。平面图选择计算模型表面，剖面图根据保护对象相应位置，共设计了3 条计算监测线，见图2。1#监测线为南北方向贯穿西尚庄（X=20 548 593 m）；2#监测线为南北方向贯穿地表工业场地（X=20 549 513.5 m）；3#监测线为东西方向，自西向东贯穿西尚庄北侧、地表工业场地和原第二水泥厂（Y=4 006 876 m）。

3.4.2.2 按原设计开采矿体影响分析

图3～图6为按照原设计开采范围开采结束后各剖面的位移值，可以看出，1#监测线地表最大位移值为2.6 mm，2#监测线最大位移值为4 mm，3#监测线地表最大位移值为14.1 mm，矿区地表最大位移值为14.5 mm。

3.4.2.3 统筹保安矿柱开采影响分析

图7～图10 为统筹保安矿柱开采结束后位移等值线云图，可以看出，保安矿柱开采结束后，1#监测线 地表最大位移值为3.5 mm，2#监测线地表最大位移值为4.5 mm，3#监测线地表最大位移值为14.2 mm。矿区地表最大位移值为14.6 mm，出现在东区；西区地表最大位移值约为9.5 mm。

与按原设计开采相比，1#监测线地表位移值增长约1.4 mm，2#监测线地表位移值增加约0.5 mm，3#监测线地表位移值增加约0.1 mm，见图11～图13。矿柱开采后，矿区地表位移最大值增大了0.1 mm。

数据表明，按照初步设计开采与统筹保安矿柱开采对地表位移影响很小，最大位移增量为1.4 mm。

3.4.3 安全评判

由地表变形引起的建（构）筑物的破坏主要由地面倾斜和变形导致，所以，评判矿体开采对建筑物破坏等级的标准一般是倾斜、曲率及水平变形值，需根据位移与变形相互关系进行转化计算［8］。

为寻求矿区产生的地表最大倾斜、曲率及水平变形值，结合上述数值模拟计算结果，在模型表面保护对象及位移变化明显的区域布置监测点，分4个区域共布置85个虚拟监测点。地表位移监测点布置见图14。

通过计算，整个矿区地表最大变形及曲率出现在区域Ⅲ，最大倾斜为0.04 mm/m，最大曲率为0.000 52×10-3/m，最大水平变形为-0.042 mm/m，均远小于Ⅰ类保护等级允许值（倾斜为±3 mm/m、曲率为±0.2×10-3/m、水平变形为±2 mm/m），该矿山保安矿柱开采引起的地表变形符合安全规范要求。

4 结 论

（1）通过模拟计算，与按原设计开采相比，统筹保安矿柱开采后地表最大位移增加值仅为1.4 mm，增加幅度不大；矿区地表最大倾斜为0.04 mm/m，最大曲率为0.000 52×10-3/m，最大水平变形为-0.042 mm/m，均符合相关规范，保安矿柱的开采对地表的影响较小。

（2）在确保充填质量和帷幕注浆防治水的前提下，空场嗣后充填法能够安全可靠地开采保安矿柱。