北洺河铁矿地表岩移特性与控制技术

王荣军

(五矿邯邢矿业有限公司北洺河铁矿)

引 言

在金属矿床地下崩落采矿法开采中，岩移范围的确定对矿山开采的安全与经济效益影响重大。通常按错动角圈定地表岩移范围，给出的地表岩移范围随采深的增大而直线增大[1-2]。有关地表岩移范围随采深变化规律的研究众多[3-4]，而弓长岭铁矿的实测结果表明，按错动角圈定的岩移范围与实际严重不符，且其误差随采深的增大而增大，李海英等[5]据此分析提出：这是由于塌陷区冒落散体对实体边壁具有支撑作用，当支撑力限制边壁围岩片落与破裂的扩容空间致使边壁破坏不能继续进行时，地表岩移便会停止。因此，提出了临界散体柱支撑技术，为地表岩移合理控制开辟了新途径。依据散体柱支撑作用,利用废石充填塌陷坑的岩移控制技术，已在众多矿山成功应用[6-7]，弓长岭铁矿东南区与小汪沟铁矿利用废石回填塌陷坑，有效控制了采动岩移的进一步扩展[8-9]。然而利用废石回填整个塌陷坑控制岩移范围，需要大量的废石，往往只有具有露天采场的矿山才具备该条件。为解决废石充填量不足的问题，曹建立等[10]根据临界散体柱支撑原理，试验研究了尾砂替代废石充填地表塌陷坑的岩移控制新方法，该方法尚在试验阶段且不够经济。对于没有露天采场或废石较少的矿山，如何利用少量的废石，且安全又经济地控制地表岩移，是矿山需要攻克的生产难题。研究经济安全的地表岩移控制方法，对于开采矿山的地表构筑物保护与土地占用时空确定亦具有重大意义。

五矿邯邢矿业有限公司北洺河铁矿(下称“北洺河铁矿”)位于河北省邯郸市，是一座集采选于一体的现代化大型矿山。北洺河铁矿床为接触交代矽卡岩型磁铁矿床，矿岩稳定性差、易冒落，地表厚层第四系岩层极易快速塌冒，厚度较大的散体层贯穿了采空区冒透地表及引起地表岩移的整个过程，为研究地表岩移与散体层相互作用关系提供了有利条件。该矿山采用大结构参数的无底柱分段崩落采矿法开采，开采前对地表季节性河流进行了改道处理，设计中在河道与错动边界保留50 m的“安全带”。为确保河道安全，对地表裂缝出露范围进行了多年监测。根据监测结果，针对采空区大冒落到地表塌陷岩移的整个实际物理过程，基于散体支撑作用及临界散体柱的支撑原理[11]，进一步研究地表岩移范围随采深的变化规律，揭示松散体在采空区大冒落前后的作用机理，用以开发最为经济实用的岩移控制方法，以实现北洺河铁矿地表岩移危害经济安全治理的目的。

1 地表裂缝出露范围

自2014年起对北洺河铁矿地表裂缝与错动面出露位置进行监测，并对监测数据进行整理，发现地表裂缝出露的范围及其随采深的变化均与地表第四系厚度密切相关。矿体靠近河道一侧的地表第四系厚度较大，早期地表裂缝出露位置较远，随后一些较小裂缝经风雨闭合，较大裂缝持续开裂、错动，形成错动面。但是，随着采深的增大，裂缝的出露范围并不总是等比例增大。

将地表出露裂缝的边界与地下采空区边界的连线与水平面的夹角称为视在岩移角，则在第四系厚度较大的部位，视在岩移角随采深的增大而增大；第四系的厚度不同，视在岩移角的增大速度不同。以位于矿体中部的6勘探线剖面为例，在地表移动范围内，靠近河道左侧的第四系厚度116 m，左侧采深从388 m增大到448 m时，视在岩移角从63°增大到76°(见图1)，随采深增大的平均值为0.22°/m。而右侧第四系厚度较小，为37 m，采深从412 m增大到427 m时，视在岩移角从75°下降到70°；从427 m增大到472 m时，视在岩移角从70°增大到72°(见图1)。分析右侧前期视在岩移角较大的原因，主要是冒落拱从实体岩层进入第四系松散岩层时，交界面较低的左侧第四系先获得冒落空间而较早发生冒落，冒落散体阻挡了右侧岩移，使塌冒区向左侧偏移；而右侧后期因塌陷坑沉降而引起的地表裂缝范围增大，视为不受左侧岩移影响正常变化，即右侧视在岩移角也随采深的增大而增大，增大的平均值为0.04°/m。在岩移范围内，左侧第四系厚度是右侧的3.14倍，视在岩移角随采深增大的速率是右侧的5.5倍，可见地表第四系厚度对地表岩移影响之大。

图1 北洺河铁矿地表裂缝实测范围

2 地表岩移特征成因分析

根据北洺河铁矿地表岩移监测数据，发现北洺河铁矿后期呈现出视在岩移角随采深增大而增大的岩移特征。为分析这一特征形成的原因，将拱顶承受的水平应力简化为均布载荷，分析采空区临近大冒落时冒落拱的受力状态(见图2)。

将冒落拱简化为半椭圆，根据图2的力学平衡关系可得：

图2 采空区冒落拱受力示意图

(1)

整理得：

(2)

式中：σ为冒落拱顶承受的水平应力(t/m2)；hd为采空区顶板冒落高度(m)；hm为采空区底板埋深(m)；ρ为上覆岩体平均密度(t/m3)；b为采空区半跨度(m)；k为岩体侧压力系数。

由式(2)可知，冒落拱顶部的水平应力σ随采空区顶板冒落高度hd的增大而增大；在采空区冒透地表的前一时刻，hd→hm，hm-hd→0，σ趋于无穷大。

在北洺河铁矿地表含厚层第四系条件下，在冒落拱进入地表松散岩层的瞬间，实体冒落拱围岩承受的巨大水平应力传递到地表松散岩层上，瞬间作用于较大范围；在采空区冒透地表使巨大压应力突然释放时，地表松散岩层从受压状态转变为受拉状态，由于松散岩体抗拉强度极低，从而在较远的位置形成裂缝与错动线；而在采空区冒透地表形成塌陷坑过程中，地表松散岩层快速塌落形成塌陷坑内散体，这些散体在向岩石边壁施加主动侧压力的同时，承受边壁变形与位移施加给支撑散体的被动侧压力，在散体主动与被动侧压力的共同作用下，边壁岩体的片落活动与破裂扩容空间被限制，从而限制了塌落边壁片落与裂缝出露范围的外扩，这是北洺河铁矿后期地表视在岩移角随采深增大而增大的根本原因。

3 散体坝支撑岩移控制技术

前述分析表明，低抗拉强度的第四系松散岩层及其塌冒后形成散体的支撑作用，支配地表裂缝出露范围的时空演化，尤其是塌冒散体的支撑作用，使视在岩移角随采深增大而增大，因此，利用散体充填塌陷区，是控制地表岩移的有效方法。用废石散体充填塌陷区，是控制地表裂缝出露范围的有效方法，但北洺河铁矿没有露天采场可提供足够充填量的废石，在此条件下，提出采用在错动区边缘堆置废石坝的方法，使之在塌陷区散体下移时，保持散体柱对塌陷区边壁的侧向支撑力不降低，由此限制塌陷区边界的扩展，进而限制地表错动与裂缝区的扩展。

根据矿体赋存深度与河道位置关系，北洺河铁矿地表岩移可能影响河道的部位位于6勘探线—8勘探线，该区段的矿体厚度大、底板埋深大，此后还需开采5～6个分段，开采深度增大75～90 m，由此引起的塌陷区采动岩移量大，将导致地表塌陷坑内散体大幅度下降。为使实际开裂范围不超过按照监测值推断的范围，需要控制与消除塌陷区的沉降影响，为此需要在地表错动区内设置足够高的散体坝，保持塌陷区散体对边壁的恒定侧压力，由此控制塌陷区边壁向外扩展。

北洺河铁矿采深接近400 m，根据深部矿体开采可能引起塌陷区散体下降的规模，设计岩移控制坝(控制坝)尺寸为：高30 m、顶宽30 m(见图3)。控制坝采用井下掘进废石和地表磁滑轮甩弃废石堆置建成，根据塌陷区岩移特点，在错动落差达到6 m时施工岩移控制坝为宜。随着相邻塌陷区散体的沉降，控制坝的整体或部分将发生不同程度的沉降，为保持控制坝下散体柱对岩壁支撑力的稳定，需要保持控制坝的高度与规模不变，散体坝建成后要定期维护，需定期补填废石，保持控制坝的初始高度与顶部宽度。根据矿山开采速度，借鉴小汪沟铁矿的经验，按初始控制坝的高度与顶部宽度每年对控制坝进行2～3次补填废石为宜。

图3 岩移控制坝设置方法示意图(8勘探线地质剖面图)

按上述剖面图推断的裂缝、错动线与所确定的岩移控制坝，投影到地表地形图上，将各投影点用光滑曲线连接，同时考虑塌陷区横向(垂直剖面方向)的影响，绘制出深部矿体开采后地表可控裂缝范围及控制坝的堆置位置(见图4)。采取散体坝控制措施后，深部与边缘矿体开采引起地表裂缝的范围，距离北洺河河床不小于135 m，远大于设计的50 m，因此可保障地下开采不受河道威胁。

基于矿山测绘的裂缝位置与采空区边界关系推测的地表可控开裂范围见图4。地表塌陷坑出露后，经过后续采矿的扩展，呈现出塌陷区、错动区、断裂区、裂缝区、裂纹区与变形区。北洺河铁矿由于地表存在厚层第四系，地表目测到的裂缝疑似为塌陷边界之外的断裂线，可能与采空区直接连通，如果这些裂缝遇水，可能直接渗流到采空区。因此，图4的可控裂缝范围，可理解为断裂的边界位置，严禁河水进入，否则可直接渗流入采空区的位置。

在断裂区之外的裂缝与裂纹，遇到适宜条件，也可能出露地表，即在图4的可控裂缝区之外，可能局部出现小裂缝，为避免河水威胁，应给小裂缝与裂纹的出露留出余地。但即使小裂缝出露，其规模不会大，对地表的破坏不大。基于小汪沟铁矿的监测结果，结合北洺河铁矿深部矿体条件，预计出露小裂缝的范围不会超过图4所圈定的范围。因此，适时施工岩移控制坝，保障河道至少70 m的安全距离，可保障地下采场不受河水威胁。

图4 岩移控制坝与深部矿体开采后可控裂缝范围示意图

4 结 论

1)北洺河铁矿的顶板围岩节理裂隙发育，地表第四系厚度大，在采空区冒透地表时，因厚层第四系的抗拉强度极低，导致地表错动范围较大，但快速冒落与塌落散体的侧压力对塌陷边壁的支撑作用，使后续塌陷区边界扩展受阻，地表错动区扩展速度呈现出不断减缓的岩移特征。

2)地表塌陷区形成后，在塌陷坑周边出现错动区与裂缝区，其中错动区边界是对岩移影响敏感部位。利用少量废石在错动区边界堆置与维持足够高度散体坝的岩移控制措施，保持散体对塌陷区边界的侧向支撑力不降低，消除塌陷坑散体下降对边壁稳定性的影响，由此有效控制地表岩移范围。

3)根据北洺河铁矿监测分析结果，采取岩移控制坝措施后，深部与边角矿体开采的地表裂缝范围不会波及改道后的河床，采用散体坝措施可保障地下开采不受河道威胁。