丫他金矿地下开采对地表公路的影响分析

李 昊，李祥龙，田举博

(1.昆明理工大学，昆明 650093；2.河南天泰工程技术有限公司，郑州 450018)

1 工程概况

丫他金矿位于贵州省册亨县，矿山采矿权范围内地表有一条乡村公路从矿区穿过，56～96号勘探线之间部分矿体位于此乡村公路的正下方，本矿床的开采属于“三下”开采矿床。丫他金矿采用的是上向进路式分层充填法，本文通过FLAC3D数值模拟来计算论证在该采矿方法条件下，地下开采对地表公路稳定性的影响。

2 矿块和采场结构与尺寸

矿层顶、底板岩性为细砂岩、黏土岩，矿岩稳固性差，选择采矿方法时必须考虑出矿质量及回采安全性[1]，同时应提高采矿效率，实行“三强”(强掘、强采、强出)开采，减少采掘井巷服务年限，减少巷道的支护工作量及支护强度，降低回采成本。因此，经过综合对比最终推荐的采矿方法为上向进路式分层充填法。中段高度40 m，中段内划分3个分段，每个分段内划分4个分层进行回采，每个分层高度约3.33 m，单个矿块长度为100 m，宽度为矿体水平厚度，不留间柱及中段矿柱。矿块及回采进路沿矿体走向布置，矿块内每条进路的回采从矿块中部开始，进路宽3～4 m，高3.3 m，每个分层水平沿矿体走向有多条回采进路，其回采顺序是采用一步骤和二步骤间隔回采，一步骤回采完毕后进行胶结充填，灰砂比为1∶6，待充填体达到开采强度要求即可进行二步骤回采。分层内每条进路长度100 m，每条进路分两个工作面进行开采，每个工作面负责进路长度为50 m。分段、分层内均按由下至上的顺序开采，回采采用YTP26型凿岩机凿岩，在工作面上布置相应炮孔，采用人工装药，非电网络起爆。爆破通风后，采用铲运机出矿，将崩落矿石运至下盘矿石溜井。进路分层布置见图1。

综合工程地质调查、岩体质量评价以及现场围岩实际稳固情况进行分析研究，利用Hoek-Brown准则进行岩石物理力学参数的折减处理[2-3]，所得岩体物理力学参数见表1。

表1 岩体物理力学参数取值表Table 1 Values of physical and mechanical parameters of rock mass

3 地下开采对地表公路影响的数值模拟分析

3.1 计算模型的建立

为了从整体上分析地下开采对地表公路及上部覆岩的影响，保证矿体开采过程的安全性，设计建立了包括地表在内的完整矿岩模型，采用FLAC3D进行了矿床开采的数值模拟计算和分析，对上向进路式充填采矿法分段分层依次开挖进行了稳定性模拟分析，分析论证了地下开采对地表及公路的影响。最终生成的网格和建好的模型如图2所示。

3.2 计算方案

为了显示地下矿体被开挖后采空区围岩的破坏状态，模拟分2种状态计算，由下向上逐层开挖，逐层充填，用FLAC3D模拟围岩在材料特性作用下的变形与应力状态发展趋势。计算模拟采用与设计矿体开采基本一致的顺序进行开挖。

第一状态：为保护地表及公路，对地表以下预留30 m和40 m保安矿柱的稳定性对比分析。

第二状态：矿体由下向上逐层开挖，逐层充填对地表影响的模拟计算。

地表公路标高值1 101 m，矿体开采标高为900～1 071 m。

3.3 保安矿柱的确定

因丫他金矿矿体出露地表，同时地表有一条重要的公路穿过矿区，为保护地表及公路不会冒落塌陷，需要从地表以下留设保安矿柱[4-8]。从模拟结果塑性区分布云图3和4可以得出：

1)保安矿柱为30 m的情况下，地下开采产生的塑性扰动区近乎贯通到地表，地表产生了较多的扰动塑性区，加上近地表岩层岩性差，保安矿柱留设30 m厚不具备安全保障性，有很大风险。

2)保安矿柱为40 m的情况下，地下开采产生的塑性区未贯通到地表，只是在采场顶板产生了少部分塑性区。

3.4 地下矿体逐层开挖逐层充填采场及地表塑性区分布及位移特征

矿体开挖后，形成一定的采场空间，岩体中的原岩应力平衡状态受到破坏，应力重新分布，一些部位应力集中，另一些部位应力降低。维护采场稳定性主要是依靠围岩、充填体强度及上部应力拱来维护采场跨度并支撑采场空间结构。

对保安矿柱为40m时的塑性区和下沉位移进行了模拟分析，从模拟云图5～8可以看出：

1)矿体由下向上逐层开挖，逐层充填，每一分层采场顶板产生的塑性区是有限的，塑性区并未贯通到地表，地表公路是稳定安全的，说明采用上向式进路充填采矿法分两步骤回采方案具有一定的可行性、合理性和安全保障性。

2)从地表塑性区分布云图5～7可以看出：一步骤采用1∶6的灰砂比胶结，二步骤采用尾砂充填后，下部矿体全部开挖被充填后地表只是出现零星的塑性区，影响不大，地表基本未出现塑性扰动区。

3)从图8地表沉降变形云图可以看出：地表最大下沉位移值为1.2 cm，数值很小，对地表基本无影响。说明矿体开挖后，空区及时充填改善了采场围岩的应力状态，以及充填体对顶板的抑制作用，极大地阻止了上覆岩层的下沉变形。因此地表预留40 m保安矿柱再加上空区充填后充填体对围岩的支撑作用，地表及地表公路是稳定的。

4 结论与建议

综合以上分析，可得到如下结论：

1)通过论证分析，留设40 m厚的保安矿柱地表公路是稳定的，待后续岩石力学基础资料和设计研究阶段再进一步落实和明确。

2)保安矿柱为40 m时，矿体由下向上逐层开挖，逐层充填，每一分层采场顶板产生的塑性区是有限的，塑性区未贯通到地表，未对地表产生很大的扰动影响。

3)留设保安矿柱和分层采场空区及时充填，地下开采不会对地表公路设施产生影响，地表公路的稳定安全有保障。

4)多进路回采时，最多两条进路同时回采，减小空区顶板暴露面积。