某铁矿地下开采对地表设施的稳定性影响分析

刘明宇 王荣林 刘发平

（安徽马钢矿业资源集团姑山矿业有限公司）

某地下铁矿周边环境较为复杂，通过矿区的道路为一条双车道的乡村柏油硬化路，宽度约为7 m；河流在地表穿越矿体，属于典型的“三下开采”矿山。为确保矿区上部乡村道路、河流等地表设施的安全稳定性，矿山设计留设保安矿柱及隔离顶柱，设计采用预控顶水平分层充填法（自上而下）。

为避免矿山地下开采对周边地表设施产生一定的影响，龚青龙等［1］利用FLAC3D软件建立数值模拟模型，对矿区地表移动范围进行分析研究；程立年等［2］基于FLAC3D数值模拟对矿山“三下开采”移动范围内典型剖面的地表沉降进行了分析；雷明等［3］基于理论分析及数值模拟开展了矿山地下开采对地表公路的影响分析；张智博等［4］利用多种地表变形预测法、数值模拟手段对某地下铜矿在开采过程中对地表的影响进行分析，并得到开采过程中地表建筑物的变形规律。

1 工程概况

某铁矿位于白象山背斜黄马青组砂页岩与闪长岩接触带和岩体内侧，矿区地层主要有三叠系上统黄马青组（T3h）、侏罗系中下统象山群（J1-2xn）、白垩系下统上火山岩组（K12）以及第四系（Q）冲、坡积层。

矿床主要矿体赋存在闪长岩与砂页岩接触带的内带，其形态受矿区背斜构造控制。横向呈平缓拱形，产状与围岩基本一致，两翼倾角为5～35°，在挠曲部位达35～55°，一般为10～30°。纵向大致以4B线为界，南部向南倾，倾角为15～35°，一般25°左右；4B线以北向北倾，倾角为0～35°，一般为5～25°，与背斜倾伏角大致相同。矿体厚度及变化特征：横向呈平缓拱形，产状与围岩基本一致，主矿体呈似层状，局部有膨大现象。矿体厚度变化较大，一般为5～40 m，平均厚度为34.41 m，最大厚度为121.72 m。沿走向及倾向均有分枝现象，尤其南部分枝更为明显，主矿体一般呈2～3层，少数地段矿体连续厚度可达60～70 m。

该铁矿为地下开采，设计采用预控顶水平分层充填法（自上而下），设计回采中段高度为40 m，划分-390、-430、-470 m中段，矿块沿走向布置，矿块内的采场（矿房）垂直走向布置。采区东翼矿块长70 m，西翼矿块长60 m，中段顶部留6 m顶柱，保安矿柱宽15 m，上下中段留设的矿柱应垂直对齐。

2 三维数值模型的建立

2.1 岩体力学参数

根据工程地质特征及室内岩石的物理力学参数，本次研究主要考虑了4种力学介质，粉砂岩（矿体顶板）、铁矿体（矿体）、硅化粉砂岩（矿体底板）和充填体。数值模拟中所用岩体力学参数见表1。

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2.2 模拟步骤

影响地下矿山回采过程中采场稳定和地表设施安全性的因素较多，主要有矿岩赋存环境、采场结构参数、开采方式、开采顺序以及开采扰动等。为尽可能真实地反映矿体开采及充填的实际情况，并使数值模型的地应力接近实际，本次数值模拟计算按以下几个步骤进行。

（1）构建初始应力场。根据岩体所处的环境，构建自重应力形成初始应力场，使构建模型达到初始应力状态。

（2）构建采场开采模型。在采场模型达到初始应力平衡状态后，进行采场开采模型的构建。

（3）根据回采顺序模拟地下采场开采，分析计算地表道路和河流周边动态响应。上述每个步骤的计算均在前一步开采计算基础上连续进行，从而客观地反映了前步开采对下一步开采的叠加效应，同时记录开采时的围岩应力和位移状态，用于分析地下开采对地表道路和河流的影响。

3 地下开采数值模拟

3.1 回采数值模拟

根据矿山隔离顶柱留设情况与矿体实际赋存条件，方案采用预控顶上向水平充填采矿法（自上而下）进行矿体地下开采时的动态数值模拟，矿房沿矿体走向布置，宽度为矿体厚度，平均厚度为34.41 m，采场上盘顶板暴露面积均控制在800 m以内。另外，结合矿山前期研究报告对中段的划分，对比分析了各中段回采后的围岩应力、塑性区变化、位移、地表变形等，探究矿山地下开采是否对地表设施产生影响，为确保后续矿山安全、高效回采提供一定的指导建议。

各中段回采及充填数值模拟分析结果详见表2，矿体回采后对地表最大主应力出现在-390 m中段，其值为6.21×104Pa；回采时道路和河流最大位移在-390 m中段，最大位移值为1.85 mm；矿房回采结束后，针对矿房采空区采用尾砂胶结充填，充填结束后地表最大主应力出现在-390 m中段，其值为6.09×104Pa；矿房采空区充填后，对地表产生最大位移在-390 m中段，最大位移值为1.82 mm。本次设计矿山自上而下顺序开采，矿房回采结束后，及时针对采空区进行充填；因后续中段开采过程中在爆破荷载等作用下影响上中段采空区充填体强度，继而造成矿区地表道路及河流受到错动。矿山正常生产过程中应加强充填体质量，充填过程中确保采空区与上部顶板接顶效果，避免采空区充填效果不佳，降低对矿区地表道路及河流的影响，确保井下正常生产安全。

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由于篇幅有限，仅列出-430 m中段回采矿体数值模拟结果，见图1～图4。

3.2 道路和河流下沉分析

根据上述数值模拟结果分析，在采用的预控顶上向水平充填采矿方法下，矿体回采过程中上覆岩层应力分布状态整体呈层状分布，但在矿体上下盘呈现异差。矿体回采和采空区充填的重复循环过程中，围岩弹性比能在回采过程中释放，造成上覆岩层下沉。由于回采位置距离地表较近，因此上覆岩层下沉逐渐至地表，在道路和河流位置产生下沉。

井下开采将造成地表道路和河流位移监测点的震荡式下沉，随着开采时间增长，回采过程下沉速度较快；矿房充填过程中，地表道路和河流位移将基本趋于稳定。由于未充填之前，上下盘围岩处于无外力支撑状态，并且间柱为径向临空，进行充填之后由于充填体自重引起对矿柱的侧压致使矿柱处于充填体部分的受力状态由单向变为三维受力状态。在及时进行采场充填后，在控制地压及覆岩下沉方面能起到很好的作用，同时，矿柱的承载能力也随着充填体的密实程度和强度的提高而提高。整个回采过程中，各中段采空区在充填之后地表运输道路及河流的位移值均趋于定值，表现稳定。井下各中段回采结束后，各中段围岩塑性区情况见图5。

由图5可知，在数值模拟计算过程中，河流底部产生了2 m左右的拉伸屈服区域，在道路和河流下部围岩中未见破坏裂隙发展趋势线。

3.3 道路和河流变形分析

为进一步分析地下开采引起的地表道路和河流变形情况，根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》［5］中急倾斜矿体回采引起的变形计算公式，具体计算如下。

（1）倾斜为

（2）曲率为

（3）水平变形为

上述式中，q为下沉系数，为下沉盆地体积与开采矿体体积的比值；r（z）为深度为z处的主要影响半径，m；b为水平移动系数，为走向主断面上地表最大水平移动值与地表最大下沉值得比值；θ0为开采移动传播角，θ0=arctan( )WmaxUmax，为地表最大下沉降值与该点水平位移值比的反正切值;η为x向变形，m；ζ为y向变形，m。

对于矿区上部地表道路，进行-470 m中段矿体回采时，道路倾斜值为0.98 mm/m，曲率为0.011 3×10-3m-1，水平变形值为0.393 5 mm/m。-430 m中段矿体回采时，道路变形值在上一中段回采基础上略有减小，此时倾斜值为0.96 mm/m，曲率为0.011 3×10-3m-1，水平变形值为0.393 0 mm/m。-390 m中段矿体回采结束后，道路变形值达到最大，倾斜值为1.13 mm/m，曲率为0.014 3×10-3m-1，水平变形值为0.421 4 mm/m，趋于一定值，表现稳定，满足《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》［5］要求。

对于地表河流，-470 m中段矿体回采时，地表河流倾斜值为1.57 mm/m，曲率为0.016 1×10-3m-1，水平变形值为0.752 0 mm/m。-430 m中段矿体回采时，倾斜值为1.26 mm/m，曲率为0.016 6×10-3m-1，水平变形值为0.752 0 mm/m。-390 m中段矿体回采结束后，河流变形值达到最大，倾斜值为1.65 mm/m，曲率为0.018 6×10-3/m，水平变形值为0.932 6 mm/m，后续也趋于定值，表现稳定。矿山开采对上部地表道路及地表河流产生的变形理论计算结果见表3。

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根据数值模拟及理论分析结果，矿山地下回采对矿区地表道路和河流产生的最大变形值均出现在-390 m中段，均满足《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》［5］和《有色金属采矿设计规范》（GB 50771—2012）［6］允许值（倾斜i=±3 mm/m；曲率K=±0.2×10-3m-1；水平变形ε=±2 mm/m）要求范围内，矿山开采满足安全要求，对地表乡村道路、河流产生的影响在安全范围内。

4 结 论

（1）井下采场宽度在5 m内时，考虑在道路和河流下开采的特殊性与一定的安全系数，为确保矿山开采对地表河流和道路影响在安全的情况下，地下开采暴露面积控制在800 m2以下。另外，在岩体揭露之后，若发现节理裂隙发育地段，需结合现场实际情况，减小顶板暴露面积。

（2）井下开采将造成地表道路和河流位移监测点的震荡式下沉，随着开采时间增长，回采过程下沉速度较快；矿房充填过程中，地表道路和河流位移将基本趋于稳定。在及时进行采场充填后，在控制地压及覆岩下沉方面能起到很好的作用，同时，矿柱的承载能力也随着充填体的密实程度和强度的提高而提高。整个回采过程中，地表最大位移为1.68 cm，-470 m矿房充填之后位移值趋于定值，表现稳定。

（3）回采过程中道路和河流的变形值均小于《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》（安监总煤装〔2017〕66号）和《有色金属采矿设计规范》（GB 50771—2012）所允许变形值。

（4）为减少地下开采对地表河流和道路的影响，必须留设至少20 m的隔离顶柱。回采产生的应力峰值仍然由留设的矿柱承担，充填体只是改善了矿柱的承载能力。矿房回采过程中应采用强采、强出、强充等方式，尽量缩短各工序间的衔接时间，并确保采空区充填质量。