崩落法深部开采岩移及地表塌陷规律分析研究

王运敏 ?陆玉根 孙国权

(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司，安徽 马鞍山243000;2.金属矿山安全与健康国家重点实验室，安徽 马鞍山243000)

1 崩落法岩移及塌陷理论

崩落法开采引发上覆岩层冒落是一个复杂的空间与时间问题，当前对于煤矿开采顶板岩层冒落研究已较为成熟，学术界提出了多种理论和假说，上覆岩层破断规律已被基本掌握，代表性的有砌体梁理论、关键层理论、铰接岩块假说和压力拱假说等。地下金属矿山在地层结构、矿体形态、赋存条件、应力状态及开采方法等多方面与煤矿截然不同，使得地下采矿过程中围岩体应力分布较为复杂，崩落过程中具有其特殊性。所以，地下金属矿山的岩移及地表塌陷研究不能简单地套用煤矿的相关理论。

当前，地表塌陷研究主要采用现场实测分析、数值模拟和相似模拟等，其中，现场实测分析是最为准确的研究方法，可真实和精确地反映出岩层移动特性及地表的塌陷沉降规律。

地下金属矿床地层结构复杂、采场边界条件多变、开采因素影响大，导致岩层的变形破坏连续及非连续性并存，拉压及剪切破坏共在;在复杂多变的采矿因素影响下，其介质的岩体力学性质、变形破坏机理以及采空区、结构面等，会随着时间发生相应的变化。井下崩落开采引起岩层变形和移动，并导致地表出现开裂下沉，描述地表开裂下沉最重要的参数就是岩层陷落角，岩层陷落角受上覆岩层岩性、开采深度、开采厚度、采矿方法及岩石的流变特性等因素影响，较难准确计算，因此采用实测法分析岩层移动规律，及时总结修正适合矿山的岩层陷落角具有重要意义。

2 井下开采及地表沉降分析

大红山铁矿集露天开采和井下开采2 种开采方式，是国内露天地下协同开采的典型矿山之一，也属国内最大的地下矿山，综合生产能力约1 100 万t/a。

井下一期大规模无底柱崩落法开采标高为+380～+500 m，最大开采深度距离地表800 多m，目前，主采区400 m 以上水平已开采完毕。

井下大规模开采使得大红山铁矿地压活动极为复杂，深部巷道冒顶片帮现象严重。2011 年8 月，地表1 220 m 标高附近出现裂缝。为解除高应力地压隐患，2012 年4 月9 日，矿山在位于主采空区上部1 090 m平巷进行了硐室爆破强制落顶。

为掌握地表开裂及沉降规律，早期矿山在地表建成2 个沉降观测点，利用全站仪通过地表导线点进行观察。图1 为2 测点的观测数据，测点1 位于硐室爆破正上方，为目前地表沉降位移最大处，可见沉降与水平移动规律较为一致，受硐室爆破强制落顶影响，测点1 沉降与水平移动在之后几月内几乎没有发展，这表明上覆岩层强制冒落后延缓了地表沉降及变形。而后1 a 多时间内2 测点的水平移动几乎保持不变，只有沉降一直处于平稳缓慢增加的状态中，增速约为25 mm/月。

图1 测点累计沉降与水平移动值Fig.1 Cumulative settlement and horizontal movement value of measuring point

地表塌陷与沉降最先出现在主采空区平面范围上的东北角区域，如图2，截至目前，地表开裂区域已经连接形成闭合圈。其中，2012 年11 月地表开裂范围的面积约为6.9 万m2，空间上几乎与480 m 采空区范围重合。随着开采深度的增加，采空区范围的扩大，地表开裂呈现沿着480 m 水平采空区的边界向四周发展的趋势，2013 年10 月裂缝的面积达到28.3万m2，其开裂范围较2012 年11 月地表开裂范围扩大了约4 倍，目前2014 年4 月实测地表开裂面积已达30.2 万m2。未来主采区的主要开采方向为400水平向西南方向发展，未来地表开裂的范围也会主要向西南方向发展。

3 岩层移动规律分析

图2 井下开采及地表塌陷开裂范围Fig.2 Underground mining and surface subsidence cracking range

根据各采区空间地理位置关系及开采情况推断，对目前地表塌陷及开裂造成主要影响的是井下主采区，综合分析对比各分段地下空区分布及地表开裂实测现状，如图3中A38＇横剖面地表裂缝发展情况可以看出，地表裂缝在逐步扩大。根据采空区的剖面及地表裂缝发展范围，可推导出地下空区影响到地表出现裂缝该区域的角度，即地下开采岩移形成的陷落角，经测量其上盘裂缝角度为81°，下盘裂缝角度为82°，同理分析其他各剖面上岩层的陷落角，其中最小为76°，位于纵Ⅱ剖面上盘，如图4。

图3 A38＇横剖面地表裂缝发展情况Fig.3 Surface cracks development of A38 ＇cross-section

图4 纵Ⅱ剖面地表裂缝发展情况Fig.4 Current and future cracking range

可见大红山铁矿井下深部主采区大规模开采崩落围岩充填采空区后，地表形成了较大规模的塌陷开裂区，总结实测地表塌陷及岩层移动范围，可得出大红山铁矿井下深部开采的岩层陷落角≥76°。

4 地压监测记录分析

目前大红山铁矿地压监测包括钻孔应力计监测、围岩变形自动监测及微震监测系统等，自2012 年4月主采空区上部实施硐室爆破强制落顶以来，各监测系统陆续完成了设计安装工作，并监测得到了各月地压监测记录。

井下钻孔应力计涵盖目前主采区各水平，从监测数据分析来看，过去2 a 在所布设的监测点附近围岩内应力集中与增加量较小，如图5 每月应力最大值均小于0.35 MPa，说明采空区周围应力集中较小，围岩应力处于较稳定的状态，地压活动相对稳定。

对主采空区上部1 090 m 巷道顶板变形监测数据进行分析，各月顶板最大下沉量均小于3.5 mm。近2 a 来，1 090 m 巷道顶板下沉量表现出总体稳定，阶段性增速的趋势如图6，目前，累计下沉量已达3 500 mm，预测未来围岩沉降还将保持该稳定增长的趋势，塑性变形区域继续扩大。

图5 每月应力增加最大值监测记录Fig.5 Monthly maximum inereased stress monitoring records

图6 每月顶板累计下沉量监测记录Fig.6 Monthly cumulative roof subsidence monitoring records

图7 为主采空区上部硐室大爆破后每月岩层破裂事件的平均次数，可以看出，在硐室大爆破后的几个月里，岩层破裂事件数逐渐下降，2013 年12 月至2014 年6 月几乎都未发生破裂事件。空区上部岩层冒落次数显著下降、消失，表明了采空区逐渐被冒落岩层所覆盖并不断填实，地应力逐步得到相对平衡，预测未来岩层破裂事件将处于较低次数并消失，被覆盖的空区进一步填实，出现较大规模岩层冒落概率很低。

图7 每月平均岩层破裂事件监测记录Fig.7 The average monitoring records value of rock rupture event monthly

从图8 中近2 a 来的微震非定位事件监测数据可以看出，每月的微震非定位事件均远远小于大面积突然垮塌设定的预警值300 个/d，且逐渐降低趋于稳定，呈现显著不断降低趋势，这表明地压趋于逐渐稳定。

图8 每月微震非定位事件平均值监测记录Fig.8 The average monitoring records value of non-locating micro seismic events monthly

5 结 论

(1)综合分析地表塌陷区沉降及裂缝的发展情况，表明沉降与水平移动具有较强的一致性，整体变化趋势具有阶段性的快速增加与趋缓的特点。目前塌陷区地表水平移动保持不变，沉降处于平稳缓慢增加的状态中。

(2)总结地表塌陷区沉降及其裂缝的发展过程，得出本矿深部开采岩层陷落角≥76°。

(3)通过井下各地压监测数据分析，表明目前主采区上部空区已不同程度被填实，岩层冒落事件趋于消失，围岩应力集中较小，变形趋于稳定，预测未来岩层将继续缓慢下沉压实，发生冲击地压、大规模塌陷冒落等地压灾害的概率很低。

(4)分析地表沉降及相关井下地压监测数据，硐室爆破强制冒落上覆顶板岩层后，岩移及地表塌陷沉降均处于较为稳定状态，深部崩落法开采高应力集中的情况得到了明显解除，这充分说明了深部崩落法开采，崩落上覆岩层保证足够的覆盖岩石厚度充填采空区，对于缓解深部开采高应力、控制岩层移动具有重要作用。

［1］ 王运敏，胡杏保，孙国权. 崩落法开采顶板岩层冒落规律研究［J］.金属矿山，2010(8):113-117.

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