北洺河铁矿开采深度与地表岩移时空演变规律研究

　　北洺河铁矿开采深度与地表岩移时空演变规律研究

　　    引言

　　    矿体开采破坏上覆岩体的初始应力平衡状态，不受开挖扰动后，上覆岩体内部因应力的重新分布可达到二次应力平衡。大规模持续开采条件下，上覆岩体二次应力平衡状态持续被破坏，次生应力平衡状态无法维持岩体自身结构，逐步发生失稳破坏。当上覆岩体内部裂隙相互贯穿至地表时，极易引起地表的突然沉降、塌陷等，故针对矿山地表岩移的研究具有重要的现实意义。

　　    地下矿体开采形成的空区规模是引起地表岩移的重要因素之一，袁海平等结合数值模拟与形态分析法研究了隐伏空区形态对地表塌陷的影响程度，认为地表塌陷形状总是趋于圆形，但不能表明空区规模不影响地表塌陷范围。陆玉根等利用物理相似试验及现场观测揭示了深部大规模开采引起岩层移动与地表塌陷的变化过程，认为地表塌陷范围与空区规模呈正相关。大规模地表岩移严重威胁地表建（构）筑物的安全，不少学者研究地下矿体开采与回填条件下地表岩移规律，均认为直接充填空区可有效缩小地表岩移范围，但该方法限制了地下开采的生产效率。当矿山需要释放生产产能时，可应用临界散体柱理论，利用地表废石充填塌陷区，此时地下开采引起的地表岩移范围也能得到有效控制。

　　    北洺河铁矿采用大结构无底柱分段崩落法开采，上下矿体不连续，且沿走向分布较广，伴随地下矿体的持续开采，地表岩移逐步扩大，并形成局部大规模塌陷，严重威胁地表建筑物及北洺河河道等。基于此，本文利用矿山各生产水平平面图矿岩分布，在三维建模软件Rhino进行精细化数值模型构建，然后将该模型导入FLAC3D中在自重应力和采动应力作用下进行有限差分计算，通过模拟矿体多水平多步骤的逐次开采，研究开采深度与地表岩移的时空演变规律，用以预测不同开采深度对应的地表岩移范围，并通过对比北洺河铁矿地表岩移现状，确定深部开采引起的地表岩移范围。

　　    1、矿山概况与地表岩移现状

　　    北洺河铁矿为接触交代矽卡岩型磁铁矿床，工程地质与水文地质条件复杂，地表含厚层第四纪地层。矿体最大走向长度为1620m，最大厚度为160.68m，平均厚度为44.91m，倾角在6°～60°不等。矿体采用大结构参数无底柱分段崩落法开采，中段高度为120m，副中段高度60m，分段高度15m，进路间距18m，崩矿步距1.7m。近年来，随矿体开采逐步向深部延伸，地表岩移范围逐步扩大。由地表裂缝监测结果可知，2014年9月在108勘探线附近出现长约100m的地表裂缝；2017年2月在2＃至6＃勘探线之间出现长约400m的地表断裂线；2020年6月在2＃至8＃勘探线之间出现“U”形的大规模地表塌陷，且存在持续扩大的隐患。为确保地下生产不对地表建筑物以及北洺河河道等造成危害，本文基于Rhino＋FLAC3D开展地下开采深度与地表岩移时空演变规律研究，用以预测北洺河铁矿地表错动范围，为矿山的合理开采与地表岩移控制提供理论依据。

　　    2、地表岩移时空演变规律

　　    2.1模型建立

　　    为尽可能真实反映矿体与围岩的位置关系，矿岩模型依据北洺河铁矿-45～-230m水平平面设计图建立，共选取13个水平，利用Rhino建立的矿岩模型。地表模型依据地表地形按实际高程点在Rhino中建立，根据北洺河的河道位置及圣维南原理，选取数值模型外部框架尺寸为1750m×1350m×800m（长×宽×高）。

　　    2.2数值模拟方案及力学参数

　　    为研究开采深度与地表岩移的时空演变规律，数值模拟方案按无底柱分段崩落法的分段高度15m（-45～-60m除外）从上往下依次开采，因模型较大，每一水平矿体开采步距定为l0m,每步开采后进行数值计算，至最大不平衡力收敛后结束，如此循环，直至-230m水平矿体开采完毕，期间记录每一水平矿体开采完毕后地表岩移范围。数值模拟仅考虑自重应力与采动应力的影响，采用Mohr-Coulomb塑性破坏准则，边界条件为位移约束。根据矿山地质报告及现场调查可知，该矿岩层主要分为第四系表土、奥陶系中统、闪长岩、灰岩及矽卡岩，矿体为磁铁矿。

　　    2.3结果分析

　　    按数值模拟方案得到的不同开采深度对应的水平切面垂直位移云图，不同开采水平对应的矿体形态各异，随开采深度的增加，各开采水平切面的垂直位移范围呈增大的趋势。为更直观表明开采深度与地表岩移的时空演变关系。

　　    3、地表岩移范围对比分析

　　    由开采深度与地表岩移的时空演变规律可知，随开采深度的增加，地表岩移按持续平稳、缓慢增加与显著增加3个阶段逐步扩大，当开采至-140m水平时，地表发生塌陷的可能性较大。因此，可根据不同深度开采引起的地表岩移，预测北洺河铁矿地表错动边界。开采至-230m水平时，不同勘探线对应的垂直位移云图。l＃勘探线因距矿体较远，其对应的地表岩移范围较小，其他勘探线对应的地表岩移范围较大，其岩移范围基本超过北洺河河道北岸。

　　    为更清晰地表征地表岩移范围与北洺河的位置关系，将数值模拟结果中开采至-155m和-230m水平预测的地表错动范围，开采至-230m水平预测的地表错动边界距离河道较远，对河道北岸不造成影响。但开采至-230m水平时，数值模拟预测的地表错动边界南侧已基本到达北洺河河道北岸，其对河道的影响颇大。

　　    由前述可知，地表产生明显裂缝始于2014年9月，其后在2017年2月发生较大沉降，在2020年6月发生大规模地表塌陷。北洺河铁矿-155m水平以上矿体于2016年2月开采完毕，开采至-155m水平预测的地表错动边界基本覆盖了北洺河铁矿2020年6月之前的地表塌陷范围，可见不同开采深度引起的地表岩移具有一定的滞后性，自-155m水平开采完毕之时（2016年2月），大约4年后地表发生大规模塌陷，但塌陷范围基本限定于本文预测的地表错动边界内。由此可以得出，开采至-230m水平时，地表错动边界虽已基本到达北洺河河道北岸，但具有一定的缓冲期来实施地表岩移控制措施，保障开采至-230m水平时，不影响北洺河河道的安全。

　　    4、结论

　　    (1)基于矿山各生产水平平面图矿岩分布，可在三维建模软件Rhino中构建符合矿山实际的精细数值模型，通过多水平多步骤矿体开挖形成的采动应力，可较为准确地预测不同开采深度对应的地表岩移范围。

　　    (2)随开采深度的增加，地表岩移范围逐步增大，大致可分为续平稳、缓慢增加与显著增加3个阶段，当开采至-140m水平时，地表发生塌陷的可能性较大。开采至-230m水平时，地表岩移范围已基本到达北洺河河道北岸，对河道的影响颇大，现阶段宜采取一定的地表岩移控制措施以保障河道的安全。

　　    (3)通过构建精准数值模型研究开采深度与地表岩移的时空演变规律，可为矿山的合理开采与地表岩移控制提供理论依据。模型越精细，开挖步骤越多，数值模拟结果越准确。

　　                                        摘自《矿业研究与开发》2022年8期