基于露天地下協(xié)同開采的地表巖移控制技術(shù)研究

曹建立 任鳳玉 丁航行 黃貴臣

（1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧沈陽110819；2.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司，遼寧鞍山114001）

某鐵礦區(qū)主要由上下盤兩條礦脈構(gòu)成，礦石平 均品位約30%，其中下盤礦脈采用淺孔留礦法［1］進(jìn)行地下開采，年產(chǎn)量達(dá)65 萬t 左右，上盤礦脈采用露天開采，年產(chǎn)量約300 萬t。兩條礦脈相距較近，實(shí)際開采中下盤井下開采深度超過了原設(shè)計(jì)允許的最大深度值，導(dǎo)致地表形成的塌陷坑周邊巖移范圍擴(kuò)大，對露天采場構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。為實(shí)現(xiàn)礦山在未來開采中的穩(wěn)產(chǎn)目標(biāo)，兩條礦脈必須進(jìn)行協(xié)同開采。上盤礦脈實(shí)現(xiàn)露天安全開采的必要條件則是下盤礦脈地下開采引起的巖移得到有效控制。因此，針對該礦山露天與井下大規(guī)模開采中所面臨的巖移威脅難題，亟需研發(fā)相關(guān)的技術(shù)方法，確保礦山安全高效開采。

在巖移預(yù)測及控制研究中，錢鳴高等［2］提出了關(guān)鍵層理論；李欣等［3］采用數(shù)值方法分析了司家營鐵礦地表巖移發(fā)展規(guī)律；趙雨薇等［4］利用拉張破壞有限元模型，研究了掛幫礦地下開采中上部坡體應(yīng)力及裂紋演化過程；李春意等［5］通過理論分析與數(shù)值模擬研究了煤礦條帶開采地表動(dòng)態(tài)與靜態(tài)沉降特征；袁海平等［6］利用數(shù)值方法研究了空區(qū)形狀與巖移之間的變化關(guān)系，得出地表塌陷形態(tài)呈類圓形且不受空區(qū)形狀影響；夏開宗等［7］利用現(xiàn)場監(jiān)測手段分析了不同采礦分段下巖體冒落及巖移發(fā)展特征，得出巖移受開采分段影響具有突變性；付俊等［8］利用礦山三維模型，研究了急傾斜礦體開采對地表巖移發(fā)展的影響；王啟春等［9］通過現(xiàn)場巖移監(jiān)測，分析了傾斜煤層開采地表巖移發(fā)展特征；李海英等［10］通過優(yōu)化掛幫礦開采順序和高度調(diào)整了邊坡巖體的滾落方式，消除了掛幫礦開采的巖移威脅；馬鳳山等［11］采用數(shù)值模擬方法研究了節(jié)理影響下的地表巖移特性；常帥等［12］針對分區(qū)開采中出現(xiàn)的巖移危害問題，從分區(qū)界限確定、采礦優(yōu)化及施工調(diào)整等方面進(jìn)行了研究，取得了理想成效；宋衛(wèi)東等［13］利用相似試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究了高陡邊坡破壞及變形特征；趙永等［14］基于微震監(jiān)測手段研究了露天轉(zhuǎn)地下開采中的巖移發(fā)展機(jī)理。

綜上所述，學(xué)術(shù)界針對不同礦巖條件的巖移預(yù)測與機(jī)理研究取得了顯著進(jìn)展，但對于多礦體分布及協(xié)同開采條件下的巖移控制方法的研究相對薄弱。因此，針對該鐵礦山露天及地下多礦體協(xié)同開采情況，本研究重點(diǎn)分析地表塌陷及巖移控制方法，為確保礦山露天與地下協(xié)同安全開采提供有益參考。

1 塌陷坑內(nèi)散體流動(dòng)特性研究

該礦山下盤礦脈應(yīng)用淺孔留礦法開采，上盤礦脈進(jìn)行露天開采，下盤超深開采致使露天采區(qū)處于巖移范圍內(nèi)（圖1）。目前在下盤地表已形成了一定規(guī)模的塌陷坑，塌陷及巖移范圍不斷擴(kuò)展，嚴(yán)重制約了露天采區(qū)的開采進(jìn)度。根據(jù)臨界散體柱支撐理論［15-17］，塌陷坑內(nèi)散體產(chǎn)生的側(cè)壓力可以提高邊壁圍巖的穩(wěn)定性，如果散體在下移過程中出現(xiàn)結(jié)拱情況，隨著井下采礦的進(jìn)行，一旦散體拱突然垮落，必將導(dǎo)致其上部散體發(fā)生整體大規(guī)模下移，使邊壁圍巖失去散體的側(cè)向支撐，致使地表巖移范圍擴(kuò)大。因此，為有效限制下盤地下開采引起的巖移朝向上盤露天采場發(fā)展，首先需要研究塌陷坑內(nèi)散體的流動(dòng)特性，以此為依據(jù)提出安全可行的巖移控制方法。

1.1 塌陷坑散體塊度估算

塌陷坑內(nèi)廢石散體流動(dòng)特性主要取決于散體塊度大小及組成，廢石散體主要來源于邊幫片落及采空區(qū)頂板冒落巖塊。受現(xiàn)實(shí)條件制約，尚無法對塌陷坑內(nèi)的散體進(jìn)行詳細(xì)的塊度估算，但是可以對放礦結(jié)束后出礦口出露的廢石散體利用照相法進(jìn)行估算，是因?yàn)榉诺V口出露的廢石一般來源于塌陷坑內(nèi)的覆蓋層散體，具有很好的代表性，可直接利用方格網(wǎng)來測定散體堆的組成。

如圖2 所示，根據(jù)表面散體的塊度構(gòu)成，制作一方形格網(wǎng)（每一小格邊長為35 cm），將格網(wǎng)平整放置于廢石散體堆上，利用相機(jī)拍照記錄，并進(jìn)行圖像繪制。根據(jù)繪制的圖像統(tǒng)計(jì)計(jì)算不同粒徑所占面積與總面積的比值，以此確定散體塊度百分比，計(jì)算公式為

式中，θm為某一粒級散體塊度所占百分比，%；Sm為某一粒級散體塊度總面積，m2；Sn為整個(gè)測量范圍內(nèi)的散體堆總面積，m2。

根據(jù)式（1）分析計(jì)算，得到不同粒級范圍的散體塊度所占百分比見表1。

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結(jié)合圖2 與表1 可知：5～30 cm 粒徑約占總粒徑范圍的53%，大塊約占6%，大塊主要出現(xiàn)在散體堆中間部位，小塊則分布于兩側(cè)，小塊占主要成分的內(nèi)在原因?yàn)閲鷰r節(jié)理裂隙發(fā)育，塌陷坑內(nèi)冒落及片幫散體在下移過程中，受到相互擠壓作用的影響，較大的塊度也會沿著節(jié)理產(chǎn)生二次破碎，形成較小塊體；部分大塊的存在則是源于井下爆破震動(dòng)崩落的邊壁巖體，由于距離出礦口較近，受到的擠壓作用要比近地表的覆蓋層小很多，并且率先抵達(dá)出礦口，以較大塊度的形式存在。因此，在估算塌陷坑內(nèi)散體塊度組成時(shí)，需綜合考慮上述影響因素，最終確定的塌陷坑內(nèi)散體塊度組成見表2。

注：百分比總計(jì)為100%。

1.2 塌陷坑散體流動(dòng)特性相似試驗(yàn)

本研究結(jié)合現(xiàn)場塌陷坑內(nèi)散體粒度實(shí)際分布情況進(jìn)行相似試驗(yàn)分析，為保證相似試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，試驗(yàn)中所用的散體顆粒來源于現(xiàn)場礦巖散體，經(jīng)篩分配比后得到。研究中將模型寬度（模擬塌陷坑寬度）與散體較大平均粒徑的比值稱為跨徑比，用于表征散體的結(jié)拱特性。通過改變模型寬度來模擬現(xiàn)場塌陷坑的寬度，試驗(yàn)按照1∶100相似比選取的模型寬度值分別為15、20、25、30 mm。為保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，共進(jìn)行了3 次試驗(yàn)，對試驗(yàn)中的散體流動(dòng)及結(jié)拱現(xiàn)象進(jìn)行了詳細(xì)記錄。散體顆粒級配如表3所示。

注：百分比總計(jì)為100%。

不同模擬塌陷坑寬度下的散體結(jié)拱情況分別如圖3 與表4 所示。試驗(yàn)選取占散體總量10%的較大顆粒組的平均粒徑作為分析跨徑比的主要參數(shù)，通過稱重計(jì)算，平均散體粒徑約11.35 mm，據(jù)此計(jì)算出的跨徑比與散體結(jié)拱的關(guān)系見表5。

根據(jù)表5 統(tǒng)計(jì)結(jié)果，當(dāng)跨徑比大于2.64 時(shí)，散體流動(dòng)性良好，沒有結(jié)拱情況發(fā)生；當(dāng)跨徑比為2.2～1.76 時(shí)，散體放出過程中卡塊現(xiàn)象比較明顯，偶爾發(fā)生結(jié)拱情況；當(dāng)跨徑比小于1.76 時(shí)，會出現(xiàn)明顯的結(jié)拱情況，不同跨徑比下的散體結(jié)拱情況如圖4所示。

據(jù)現(xiàn)場調(diào)研，該礦山地下開采形成的塌陷坑中廢石散體的最大粒徑一般不超過1.2 m，由于無法觀測塌陷坑內(nèi)部散體的最大粒度，因此考慮1.3 的安全系數(shù)，則散體粒徑的最大值為1.56 m，通過圖4 得出礦山廢石散體的臨界跨徑比為2.64，由此計(jì)算得出該礦山能夠保證散體順利流動(dòng)而不發(fā)生結(jié)拱的最小塌陷坑寬度值為4.2 m，目前塌陷坑寬度為20～60 m，為滿足散體連續(xù)流動(dòng)的最小塌陷坑寬度值的4.76～14.28 倍。分析表明：該礦山塌陷坑內(nèi)散體隨著井下放礦的進(jìn)行能夠保持連續(xù)流動(dòng)，不會出現(xiàn)結(jié)拱情況。

2 塌陷坑內(nèi)散體對地表巖移控制作用分析

礦山生產(chǎn)實(shí)踐表明，巖體側(cè)向片落形式取決于巖層的暴露條件，隨著井下礦石的崩落與放出，暴露于空區(qū)邊幫的不穩(wěn)巖塊發(fā)生片幫冒落而形成覆蓋層，隨著覆蓋層的整體下移，近地表塌陷坑邊壁圍巖失去支撐，受優(yōu)勢節(jié)理面與地質(zhì)風(fēng)化條件的影響，地表塌陷范圍不斷擴(kuò)大，威脅位于其上盤側(cè)的露天采區(qū)（圖5）。

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根據(jù)臨界散體柱支撐理論，塌陷坑邊壁圍巖發(fā)生片落的條件主要取決于邊壁巖體是否受到側(cè)向支撐作用，即散體的側(cè)壓力。當(dāng)塌陷坑內(nèi)散體堆積到一定高度后，隨著底部散體的逐漸沉實(shí)，位于某一散體堆高度之上的散體柱提供的側(cè)壓力足以使當(dāng)下的塌陷坑處于穩(wěn)定狀態(tài)，巖移發(fā)展由此終止。由地表最外側(cè)的明顯斷裂線位置按巖移角向上盤側(cè)礦巖接觸帶劃線，該位置之上的散體柱可稱為臨界散體柱（圖6）。臨界散體柱對于限制塌陷坑擴(kuò)展及周邊地表巖移的發(fā)展起著關(guān)鍵作用，即巖體強(qiáng)度一定時(shí)，塌陷坑底部散體的支撐作用成為影響圍巖片落程度及巖移范圍的主要因素。

角差是影響MWD測量系統(tǒng)的一個(gè)重要參數(shù)，在一口井的施工過程中，如果施工人員所測量的角差值出錯(cuò)或偏差較大，將會嚴(yán)重影響該井的正常施工，情況嚴(yán)重的甚至?xí)?dǎo)致填井重鉆或井眼報(bào)廢［7-9］。

為研究臨界散體柱與散體高度及礦體傾角之間的變化關(guān)系，對該礦山臨界散體柱的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表6。

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由表6 可知：通過統(tǒng)計(jì)塌陷坑的4 個(gè)地質(zhì)勘探線所在剖面，臨界散體柱占整個(gè)塌陷坑內(nèi)散體堆積高度的22.98%～25.31%，其下部的密實(shí)散體柱占整個(gè)散體堆的74.69%～77.02%，這部分散體柱提供的側(cè)壓力足以使所在部位的邊壁圍巖處于近似原位條件的穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)前述散體結(jié)拱特性的試驗(yàn)結(jié)果，散體在塌陷坑中能夠保持整體連續(xù)下移，及時(shí)向塌陷坑中補(bǔ)充充填廢石散體，始終保持邊幫圍巖自穩(wěn)所需的散體高度值，則臨界散體柱可對地表塌陷及巖移發(fā)展進(jìn)行有效控制。

為直觀觀察塌陷坑邊壁片落時(shí)的裂隙發(fā)展情況，利用PFC 軟件［18-19］對散體柱支撐作用進(jìn)行分析，選擇過塌陷坑的11 號線、12 號線與13 號線所在剖面的礦體傾角作為研究對象，塌陷坑內(nèi)散體的相關(guān)參數(shù)取值見表7。為對模型進(jìn)行適當(dāng)簡化，假定塌陷坑內(nèi)散體堆積高度相同，模型長270 m，高450 m，塌陷坑寬度取55 m，模型總顆粒數(shù)達(dá)121 500 個(gè)，顆粒隨機(jī)分布級配參照表3，數(shù)值分析模型見圖7。

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塌陷坑上下盤邊壁圍巖的裂隙擴(kuò)展情況見圖8，圖中顆粒點(diǎn)代表拉伸裂隙，可以看出上盤側(cè)的裂隙明顯多于下盤，說明隨著塌陷坑暴露時(shí)間的增加，巖移主要朝向上盤側(cè)發(fā)展，這與現(xiàn)實(shí)情況相一致。根據(jù)礦山設(shè)定的70°巖移角進(jìn)行臨界散體柱圈定，得到不同礦體傾角下的臨界散體柱高度值，其中78°傾角的臨界散體柱高度為121 m，82°傾角的臨界散體柱高度為116 m，85°傾角的臨界散體柱高度為101 m，在塌陷坑散體高度與寬度一定的條件下，臨界散體柱高度隨著礦體傾角的增加而減小，這與現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果基本一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了臨界散體柱的支撐作用。值得注意的是，裂隙主要存在于臨界散體柱上方的上盤邊壁圍巖中，而其下方裂隙相對較少，表明臨界散體柱下方的密實(shí)散體柱可以最大程度地限制邊幫圍巖變形的發(fā)展，即地表巖移程度主要由臨界散體柱控制。

3 地表塌陷坑邊壁巖移控制方法

由圖5 可以看出，塌陷坑邊壁陡立，周邊斷裂線發(fā)育，由于上盤側(cè)露天采區(qū)與下盤側(cè)地下采區(qū)的最近距離不足50 m，一旦巖移擴(kuò)展得不到有效控制，必然會對露天采區(qū)構(gòu)成極大威脅。目前，塌落坑寬度已達(dá)20～60 m，受井下放礦及邊壁圍巖片落的影響，塌陷坑內(nèi)兩幫散體賦存較高，中間較低，未被充填的高度達(dá)到20～50 m。根據(jù)表6 可知臨界散體柱高度范圍為106.3～117.5 m，通過對塌陷坑進(jìn)行充分充填，保證各勘探線所在的塌陷坑剖面滿足其臨界散體柱的有效作用高度值，使得邊壁巖體不發(fā)生片落。因此，可利用露天采場剝離的廢石及井下采出的廢石對地表塌陷坑進(jìn)行大規(guī)模充填，保證臨界散體柱高度，以此來控制塌陷坑周邊巖移發(fā)展，保障露天與井下采場協(xié)同安全開采。

在對塌陷坑進(jìn)行廢石充填時(shí)，一般存在兩種風(fēng)險(xiǎn)：①散體下移過程中出現(xiàn)大的結(jié)拱，造成突然陷落危害；②隨著井下放礦的進(jìn)行，覆蓋層下移造成地表陷落危害。前述散體流動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)散體下移過程中不會發(fā)生結(jié)拱，因此第一種風(fēng)險(xiǎn)可以排除；對于第二種陷落危害，需要進(jìn)行計(jì)算分析來評估其風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的可能性。根據(jù)隨機(jī)介質(zhì)放礦理論［20］，散體一次最大下移量Vz與散體覆蓋層厚度h的變化關(guān)系為

塌陷坑內(nèi)散體覆蓋層平均厚度約460 m，用淺孔留礦法開采井下礦體過程中，崩落礦柱時(shí)采場頂部散體的下移量最大，根據(jù)礦房與礦柱的體積量估算，采場頂部礦柱崩落后可引起其上方散體的下移量約20 m，則等價(jià)放出量q的計(jì)算公式為

試驗(yàn)測得的散體流動(dòng)參數(shù)α=1.193 7，β=0.395 9，h=20 m 代入式（3），得到等價(jià)放出量不超過404.95 m3。將q=404.95 m3，h=460 m 和α、β 值代入式（2），可得塌陷坑散體覆蓋層一次下移量的最大值約0.27 m，下移量較小不會對充填作業(yè)人員及設(shè)備構(gòu)成威脅，即向塌陷坑充填廢石散體是安全可行的。

由于塌陷坑分布范圍較大，沿塌陷坑軸向（走向）在未塌落的地表之下可能存在隱蔽空區(qū)，因此不能將走向方向作為第一充填方位，垂直于塌陷坑走向（沿塌陷坑邊幫）上盤側(cè)為露天采區(qū)，受巖移威脅較大，下盤側(cè)相對穩(wěn)定，可以作為第一排巖方位，據(jù)此研究提出兩步三向協(xié)同充填塌陷坑的巖移控制新方法。即第一步沿塌陷坑邊幫下盤側(cè)進(jìn)行第一向大規(guī)模充填（圖9中“①”），利用充填散體對上盤側(cè)及走向兩幫提供側(cè)向支撐，上盤邊壁圍巖受散體支撐作用趨于穩(wěn)定后，沿上盤側(cè)對塌陷坑進(jìn)行第二向充填排巖（圖9“②”），利用兩向充填散體的相互擠壓對沿走向方向形成穩(wěn)定的支撐作用，隨后，第二步沿走向方向?qū)λ菘舆M(jìn)行第三向充填（圖9“③”），最終實(shí)現(xiàn)兩步三向協(xié)同充填排巖，充填作業(yè)更加安全，邊壁巖移控制效果也更加明顯。

現(xiàn)場充填實(shí)施情況見圖10。利用卡車將井下采出的廢石及露天礦區(qū)剝離的廢石按照所設(shè)計(jì)的充填方法傾倒至塌陷坑中，目前排巖總量達(dá)4 000 萬t 左右，同時(shí)直接將露天采區(qū)剝離廢石排入其下盤側(cè)塌陷坑中，減小了排巖運(yùn)距，節(jié)省運(yùn)輸總費(fèi)用約1 300萬元，減少了廢石占地面積，有效降低了對地表環(huán)境的污染。兩步三向協(xié)同充填地表塌陷坑巖移控制方法實(shí)施以來，塌陷坑表面出現(xiàn)過緩慢沉降現(xiàn)象，但沉降幅度很小，在安全施工允許范圍內(nèi)?？梢?，針對急傾斜多層位礦體露天與地下協(xié)同開采現(xiàn)實(shí)條件，本研究基于臨界散體柱支撐原理提出的地表巖移控制方法是安全可行的，經(jīng)濟(jì)和社會效益顯著。

4 結(jié) 論

（1）基于散體流動(dòng)特性試驗(yàn)，該礦山塌陷坑內(nèi)散體結(jié)拱的臨界跨徑比為2.64，塌陷坑實(shí)際寬度為滿足散體連續(xù)流動(dòng)的最小塌陷坑寬度值的4.76～14.28倍，表明塌陷坑內(nèi)散體具有很好的流動(dòng)性，不會出現(xiàn)結(jié)拱情況。

（2）理論分析與數(shù)值模擬結(jié)果表明，上盤側(cè)邊壁圍巖損傷的發(fā)展要明顯多于下盤，并且損傷主要分布于臨界散體柱作用區(qū)的上盤邊壁圍巖中。向塌陷坑充填廢石散體，保持臨界散體柱的有效作用高度，可控制地表巖移及塌陷范圍擴(kuò)展。

（3）提出了沿地表塌陷坑邊幫和走向方向的兩步三向協(xié)同充填巖移控制新方法，可節(jié)省排巖運(yùn)輸費(fèi)用約1 300 萬元，減小廢石占地面積，排巖充填作業(yè)安全，巖移控制效果良好，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益顯著。