充填散体作用下采动岩移的预测及其应用

何荣兴，张 晶，宋德林，刘 欢

(1.东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819；2.内蒙古科技大学矿业与煤炭学院，内蒙古 包头 014010)

地表岩移是地下采矿引起的普遍现象，对矿山生产安全影响较大，尤其是倾斜厚矿体的开采所引起的地表岩移，具有变形量大、陷落速度快和岩移陷落范围大等特点，严重制约矿山安全生产，需要采取有效措施予以控制[1]。

金属矿山地质条件复杂多变，地下开采引起的岩层移动和地表变形受采矿方法、埋深、采高等诸多因素影响，规律性较差。很多学者对金属矿山的地表岩移问题进行了大量的研究，如朱家桥[2]总结了程潮铁矿东区采矿不同时期岩体冒落及塌陷坑的发展过程，认为程潮铁矿地表变形破坏形式以倾倒式拉裂破坏为主，岩体水平位移大于沉降位移；席人双等[3]对程潮铁矿东区进行地表岩移的GPS监测，积累近三年的变形数据，从而准确地反映了的地表变形以向采空区的阶梯变形为主等变形规律；蔡美峰等[4]建立金属矿山开采沉陷预计系统MSDAS-GIS，用于模拟预测北洺河铁矿井下连续回采的开采沉陷，对-50 m水平开采后地表沉降进行现场监测，预测结果和监测结果具有较好的相似性；赵淑霞[5]以地理信息系统(GIS)技术为基础，开发建立矿区地表动态三维地质立体模型，实现对段村-雷沟矿区地面地质、地形、地面沉降监测，研究了上覆岩层变形移动规律。这些研究都是建立在地表岩移数据监测和深部岩体地压活动观测的基础上，耗时较长。

近年来，数值模拟软件的更新换代使得模拟结果更加贴近工程实际，且建模多样性及独特的算法使得数值模拟更适用于工程现象的规律研究。众多学者[6-10]选择数值模拟来研究地表岩移的规律和范围，并取得很好的科研成果。本文根据弓长岭铁矿东南区上含铁带、下含铁带的开采现状，利用FLAC3D软件模拟对比分析了不考虑崩落散体作用和考虑散体作用两种工况条件下的采动岩移范围和充填废石散体对岩移的控制作用，提出了剥离上含铁带露天采场的废石来充填下含铁带地采塌陷坑的岩移控制措施，并确定了下含铁带的极限开采深度。

1 工程概况

弓长岭铁矿东南区矿体由多条平行矿带组成，如图1所示，矿体倾角为65°～85°，平均厚度为15 m，属于急倾斜中厚矿体。上含铁带(图1)为赤铁矿，应用露天采矿的方法进行开采，露天开采台阶为+448～+388 m。下含铁带(图1)为磁铁矿，采用无底柱崩落法进行开采，开采水平为192 m，已经冒透地表，形成地表塌陷坑。因开采规划不合理，上含铁带、下含铁带的高差约300 m，最小水平距离约150 m，下含铁带的超深开采使得近露天采场一侧的围岩发生岩移及塌陷，严重威胁露天采场的安全生产。该矿区采矿生产设计中，地采极限开采深度为152 m，极限开采深度以下矿体待露天开采闭坑后再行开采。此生产设计将导致该矿区下含铁带152 m水平开采结束后产能接替失衡，影响矿山生产效益。

图1 弓长岭铁矿东南区开采现状图Fig.1 Current mining situation of southeast area of Gongchangling Iron Mine

为保障露天采场和地下采场持续生产以满足矿区产能需求，提出剥离上含铁带露天采场的废石来充填下含铁带地采塌陷坑的技术方案，以期控制塌陷坑上盘围岩移动。因此，有必要探讨充填废石散体作用下的采动岩移范围和不影响上含铁带露天开采的地采极限采深。

2 计算模型和计算方案

2.1 数值模型建立

目前弓长岭铁矿东南区下含铁带地采塌陷坑体积较小，对数值模拟结果影响可以忽略，为此直接将矿体上部边界延伸至地表。利用ANSYS软件建立长×宽×高为400 m×100 m×350 m的简化数值模型，其中矿体水平厚度为15 m，矿体倾角为68°，矿体埋深方向取350～0 m，沿矿体走向长度为100 m，沿矿体倾向取400 m，划分网格导入FLAC3D软件数值模型，如图2所示，计算域边界采取位移约束。

图2 下含铁带岩移模拟的FLAC3D模型Fig.2 FLAC3D model of rock movement on the iron-bearing belt mining

模型分五步开挖用以模拟下含铁带回采，第一步开挖至230 m水平模拟目前的塌陷坑，之后每次开挖高度取40 m，至70 m水平时停止开挖。位移监测点布置于地表，按网格划分的节点布置，各监测点距z轴的距离依次为12.75 m、26.02 m、41.48 m、50.93 m、67.38 m、75.02 m、85.57 m、90.08 m、97.60 m、105.11 m、112.63 m、120.15 m、127.63 m、135.15 m、142.66 m、150.18 m、157.68 m、165.21 m、172.76 m、180.39 m、188.24 m、196.78 m、207.55 m、219.12 m、230.32 m、245.70 m、255.00 m。每步开挖后均进行数值求解并记录各监测点的水平位移和沉降位移，用以分析不同采深条件下的岩移规律及范围。模拟下含铁带回采至70 m水平后逐步模拟充填，每次充填高度为40 m，直至地表。每次充填后进行数值求解并记录各监测点的水平位移和沉降位移，用以分析充填散体作用下采动岩移的规律和范围。

2.2 岩体力学参数估算

对弓长岭铁矿东南区进行地质调查和点荷载试验，获得的岩体基本质量指标见表1。为获取数值模拟所需的岩体力学参数，本文基于表1中的参数，结合Hoek-Brown强度准则[11-12]和Mohr-Coulomb准则[13]来估算数值模拟所需的岩体力学参数。

Hoek-Brown岩体破坏准则表达式见式(1)。

σ1=σ3+σc(mσ3/σc+s)0.5

(1)

式中：σ1、σ3为岩体破坏时的最大主应力、最小主应力；m为Hoek-Brown常数，估算见式(2)；s为无量纲系数，估算见式(3)[14]。

(2)

(3)

式中：mi可根据岩体的Hoek-Brown常数表来选取[11-12]；RMR根据岩石的强度、RQD值、节理间距以及地下水影响的综合评价岩体分类指标，对应岩石力学分类表(RMR)[15-16]获得每项指标评分求和得出。

当σ1=0时，由式(1)可知，岩体的单轴抗拉强度σmt可表示为式(4)。

(4)

岩体弹性模量Em与地质强度指标GSI的关系可表示为式(5)[12]。

(5)

地质强度指标GSI取值可以用表1中的RMR值代替[14]，则岩体弹性模量Em可求。

如图2所示，下含铁带岩移数值模型为一般地下开挖问题，可采用Mohr-Coulomb模型作为本构模型，此时数值模拟计算还需明确岩体单轴抗压强度σmc、内摩擦角φ和内凝聚力c等力学参数。

用主应力表述的Mohr-Coulomb准则可表示为式(6)[13]。

(6)

单轴抗压条件下(σ3=0)，可知岩体单轴抗压强度σmc可表示为式(7)。

(7)

令k=(1+sinφ)/(1-sinφ),则式(6)可表示为式(8)。

σ1=σmc+kσ3

(8)

当0<σ3<0.25σc时，岩体的三轴实验结果同时符合Hoek-Brown强度准则与Mohr-Coulomb准则[12]。将通过式(1)计算获得的σ1、σ3数据用式(8)回归，可得到参数k及岩体单轴抗压强度σmc，即可获得岩体内摩擦角φ和内凝聚力c。联立式(7)与参数k的表达式，由三角函数关系可知，内凝聚力c可表示为式(9)。

(9)

将表1中数据代入各式进行计算，最终获得的矿岩力学参数见表2，塌陷坑回填废石简化为强度较低的岩体[17]，其力学参数可按弓长岭铁矿东南矿区现场调查资料获取。

表1 岩体基本质量指标及计算参数Table 1 Index and calculated parameters for basic quality of rock mass

表2 Hoek-Brown准则估算的矿岩力学参数Table 2 Mechanical parameters of ore and rock estimated by Hoek-Brown criterion

3 塌陷坑上盘岩体的岩移规律分析

3.1 塌陷坑上盘岩体位移特征和破坏模式

由图3可知，在地表靠近空区位移等值线为逆倾向微凸曲线，等值线由近空区到近地表倾角减小；在地表远离空区的位移等值线近似直线或折线，采深越大倾角变化越大，靠近地表等值线倾角越大(近似垂直)、越密集，表明随着采深的增加，靠近空区的上盘岩体竖向位移的增加越大，远离空区的近地表岩体主要是以横向位移为主，初期地表塌陷坑上盘岩体发生直线型滑移，随着采深的增加，形成折线型破坏滑移，并在近地表处会形成近似竖直的裂缝，即随着采深的增加，在没有充填散体作用下，塌陷坑边壁岩体会向坑内片落，塌陷范围逐渐扩大，为上盘渐进的破坏模式[18]。

图3 上盘岩体位移等值线图Fig.3 Displacement contour of the rock of hanging wall

3.2 水平变形和倾斜度分析

各监测点的水平位移(图4(a))变化，按横坐标112 m为分界线可划分2个区段：0～112 m间的监测点位移曲线上升，称为上升区，112～260 m间的监测点位移近乎一条水平直线，近似收敛于某一固定值，称为收敛区。采深在280 m时，即开采至70 m水平，位移急剧增加，水平位移最大值达778 mm。对应各采深条件下的水平变形最大值分别为0.12 mm、0.27 mm、0.56 mm、1.13 mm、24.80 mm。随着采深的增加，水平变形的最大值呈指数增加，当采深达280 m，水平变形最大值骤增。借鉴煤矿中对地表移动变形指标[19](倾斜3 mm/m，水平变形2 mm/m)和陷落变形指标(倾斜10 mm/m，水平变形6 mm/m)，由采深为280 m时的水平位移曲线可见，第3监测点和第4监测点间的水平变形为3.1 mm/m，超过了危险移动变形临界值，第5监测点和第4监测点间的水平变形为6.9 mm/m，超过了陷落的临界值，因此，可以第4监测点作为陷落范围的边界，其距离开采矿体205 m(模型横坐标为50 m)，已经进入到上含铁带的露天采场范围。综上，在没有考虑充填散体作用条件下，要确保露天采场不受岩移影响，下含铁带的极限采深宜为240 m，即回采至110 m水平。

监测点下沉曲线(图4(b))也可以近似分为2个区段，第一个区段近似一条直线，而且下沉值都很小，称为稳定区，第二个区段为一条下倾的曲线，采深越大，下倾程度越大，称为下沉区。当采深280 m(即开采至70 m水平)时，下沉最大值达-668 mm；各采深条件下的倾斜度最大值分别为0.17 mm/m、0.24 mm/m、0.37 mm/m、0.60 mm/m、4.29 mm/m。随着采深的增加，倾斜度最大值是指数增加的过程，当采深达280 m即开采至70 m水平时，倾斜最大值增加到4.3 mm/m，还未达到塌陷临界变形值。对比开采过程中水平位移变化曲线可知，在形成塌陷后的急倾斜中厚矿体后续开采过程中，地表岩移破坏以水平移动为主。

图4 无充填散体作用下监测点位移变化曲线图Fig.4 Displacement curves of monitoring point without the action of granular rock

3.3 充填散体对岩移作用分析

在采深为280 m的模型条件下，逐渐增加散体高度进行模拟。图5为不同监测点位移随散体充填高度的变化曲线，随着散体充填高度的增加，地表水平位移和下沉值都随之减小，当散体充填高度从40 m增加至280 m过程中，对应最大水平位移值分别为473.3 mm、210.9 mm、168.8 mm、136.5 mm、106.2 mm、79.7 mm、55.3 mm，对应最大下沉值分别为-399.3 mm、-211.5 mm、-178.5 mm、-154.9 mm、-132.7 mm、-111.7 mm、-89.9 mm，表明散体对控制地表岩移具有显著作用，随散体充填高度继续增加，地表位移减小幅度逐渐降低。

图5 不同充填散体高度下监测点位移变化曲线图Fig.5 Displacement curves of monitoring point at different heights of granular rock

图6为地表水平变形和倾斜变形的极大值随散体充填量的变化曲线。由图6可知，充填散体控制倾斜变形的作用要优于控制水平变形，当充填散体高度超过80 m后，继续充填散体对控制倾斜和水平变形的作用不明显，表明利用废石充填对控制围岩塌陷具有临界值[20]。当充填散体量为160 m时，监测点最大倾斜变形为0.64 mm/m，最大水平变形为1.77 mm/m，也就是说，下含铁带开采到70 m水平，要保证露天采场不受影响，至少要保证下含铁带塌陷坑中充填有160 m高的废石散体。当散体充填量为280 m时，与无充填条件的位移相比分别下降92.9%、86.5%，再次说明充填散体对控制水平移动的作用要优于控制地表下沉。地表水平位移和下沉最大值仍高达55.3 mm、-89.9 mm，表明充填散体对控制岩体大变形具有重要作用，但对地表岩体连续小变形移动的控制作用不明显。这是因为，充填散体颗粒之间存在较多的孔隙而导致散体具有可压缩性，随着岩体移动，充填散体被压密，当充填散体具有足够的承压能力后，岩体进一步移动将受到抑制，从而起到控制岩体大变形或者塌陷的作用[21-22]。

图6 不同充填散体高度下的监测点移动变形曲线图Fig.6 Movement deformation curves of monitoring points at different heights of granular rock

4 现场监测及应用效果

根据数值模拟结果，在不考虑散体作用时，下含铁带开采岩移不影响露天采场的极限开采水平为110 m水平，考虑充填散体作用时，可开采至70 m水平，但至少要充填160 m以上的散体。综合考虑，为了确保上含铁带露天采场的安全，确定下含铁带的极限开采水平为110 m，并且需要及时向下含铁带塌陷坑充填废石散体。

为观察方案实施过程中弓长岭东南矿区地表裂缝的新生位置和发展范围，在25#勘探线上设置A1、A2两个位移监测点(图7)，监测点分别距地采塌陷坑30 m和66 m，监测周期为4个月。

图7 地表位移监测点布置图Fig.7 Layout of the surface displacement monitoring points

25#勘探线上的地表监测点的水平位移和垂直位移变化曲线如图8所示。由图8可知，下含铁带继续向下开采时，A1监测点和A2监测点的水平位移和垂直位移均有较大增长，通过及时向下含铁带塌陷坑充填废石散体，使得水平位移和垂直位移的增长率逐步减小，特别是2016年11月1日之后，位移的增大率均明显降低，此时废石散体充填高度为108 m，这表明塌陷坑内的充填散体可抑制上盘围岩的采动岩移。

图8 25#勘探线上地表监测点位移变化曲线Fig.8 Displacement curve of surface monitoring point on the 25# exploration line

根据现场调查可知，因塌陷坑上盘围岩移动新生的地表裂缝主要集中在A1监测点和近A1侧的塌陷坑边缘之间，且近塌陷坑上盘侧存在较浅深度的张裂缝，其裂缝深度和张开程度远小于充填前。在A1监测点和近A2侧的露天采场边缘之间，未出现张裂缝和突然沉降的现象。这表明在充填废石散体作用下，地表岩移未对露天采场造成影响，下含铁带可开采至110 m水平。

截至2017年底，该矿区累积向塌陷坑安全排放废石总量5 040万t。下含铁带开采至110 m水平的过程中，上含铁带露天采场持续安全生产。相较原采矿生产设计中地采极限开采水平为152 m而言，剥离上含铁带露天采场的废石来充填下含铁带地采塌陷坑的技术方案延长了地下开采的年限和深度，缓解了生产衔接的难题，保障了露天地下的协同安全开采。

5 结 论

1)随着采深的增加，越靠近空区岩体的沉降位移的增加量越大，远离空区的岩体主要是以横向位移为主，初期地表塌陷坑上盘岩体发生直线滑移，随着采深的增加，形成折线型破坏滑移，并在地表会形成竖直的裂缝，符合上盘渐进的破坏模式。

2)地表位移曲线存在分区的特征，随着采深的增加，地表水平变形和倾斜变形值增加，水平变形增加量远大于倾斜变形增加量，表明在形成塌陷后的急倾斜中厚矿体后续开采过程中，地表岩移破坏以水平变形为主。

3)在不考虑散体作用条件下，当开采到70 m水平时，露天采场内将出现危险移动变形；开采到70 m水平，保证塌陷坑内填散体高度高于160 m时，可避免露天采场内出现危险移动变形。

4)充填散体对控制地表岩移，尤其是水平移动作用明显。充填散体控制岩移作用具有临界值，当充填散体高度达临界值之后，控制岩移作用减弱。散体的充填对于控制地表移动范围作用不明显，也说明充填散体的主要作用在于控制岩体的大变形。