丫他金礦地下開采對地表公路的影響分析

李 昊，李祥龍，田舉博

(1.昆明理工大學(xué)，昆明 650093；2.河南天泰工程技術(shù)有限公司，鄭州 450018)

1 工程概況

丫他金礦位于貴州省冊亨縣，礦山采礦權(quán)范圍內(nèi)地表有一條鄉(xiāng)村公路從礦區(qū)穿過，56～96號勘探線之間部分礦體位于此鄉(xiāng)村公路的正下方，本礦床的開采屬于“三下”開采礦床。丫他金礦采用的是上向進路式分層充填法，本文通過FLAC3D數(shù)值模擬來計算論證在該采礦方法條件下，地下開采對地表公路穩(wěn)定性的影響。

2 礦塊和采場結(jié)構(gòu)與尺寸

礦層頂、底板巖性為細砂巖、黏土巖，礦巖穩(wěn)固性差，選擇采礦方法時必須考慮出礦質(zhì)量及回采安全性[1]，同時應(yīng)提高采礦效率，實行“三強”(強掘、強采、強出)開采，減少采掘井巷服務(wù)年限，減少巷道的支護工作量及支護強度，降低回采成本。因此，經(jīng)過綜合對比最終推薦的采礦方法為上向進路式分層充填法。中段高度40 m，中段內(nèi)劃分3個分段，每個分段內(nèi)劃分4個分層進行回采，每個分層高度約3.33 m，單個礦塊長度為100 m，寬度為礦體水平厚度，不留間柱及中段礦柱。礦塊及回采進路沿礦體走向布置，礦塊內(nèi)每條進路的回采從礦塊中部開始，進路寬3～4 m，高3.3 m，每個分層水平沿礦體走向有多條回采進路，其回采順序是采用一步驟和二步驟間隔回采，一步驟回采完畢后進行膠結(jié)充填，灰砂比為1∶6，待充填體達到開采強度要求即可進行二步驟回采。分層內(nèi)每條進路長度100 m，每條進路分兩個工作面進行開采，每個工作面負責進路長度為50 m。分段、分層內(nèi)均按由下至上的順序開采，回采采用YTP26型鑿巖機鑿巖，在工作面上布置相應(yīng)炮孔，采用人工裝藥，非電網(wǎng)絡(luò)起爆。爆破通風(fēng)后，采用鏟運機出礦，將崩落礦石運至下盤礦石溜井。進路分層布置見圖1。

綜合工程地質(zhì)調(diào)查、巖體質(zhì)量評價以及現(xiàn)場圍巖實際穩(wěn)固情況進行分析研究，利用Hoek-Brown準則進行巖石物理力學(xué)參數(shù)的折減處理[2-3]，所得巖體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)取值表Table 1 Values of physical and mechanical parameters of rock mass

3 地下開采對地表公路影響的數(shù)值模擬分析

3.1 計算模型的建立

為了從整體上分析地下開采對地表公路及上部覆巖的影響，保證礦體開采過程的安全性，設(shè)計建立了包括地表在內(nèi)的完整礦巖模型，采用FLAC3D進行了礦床開采的數(shù)值模擬計算和分析，對上向進路式充填采礦法分段分層依次開挖進行了穩(wěn)定性模擬分析，分析論證了地下開采對地表及公路的影響。最終生成的網(wǎng)格和建好的模型如圖2所示。

3.2 計算方案

為了顯示地下礦體被開挖后采空區(qū)圍巖的破壞狀態(tài)，模擬分2種狀態(tài)計算，由下向上逐層開挖，逐層充填，用FLAC3D模擬圍巖在材料特性作用下的變形與應(yīng)力狀態(tài)發(fā)展趨勢。計算模擬采用與設(shè)計礦體開采基本一致的順序進行開挖。

第一狀態(tài)：為保護地表及公路，對地表以下預(yù)留30 m和40 m保安礦柱的穩(wěn)定性對比分析。

第二狀態(tài)：礦體由下向上逐層開挖，逐層充填對地表影響的模擬計算。

地表公路標高值1 101 m，礦體開采標高為900～1 071 m。

3.3 保安礦柱的確定

因丫他金礦礦體出露地表，同時地表有一條重要的公路穿過礦區(qū)，為保護地表及公路不會冒落塌陷，需要從地表以下留設(shè)保安礦柱[4-8]。從模擬結(jié)果塑性區(qū)分布云圖3和4可以得出：

1)保安礦柱為30 m的情況下，地下開采產(chǎn)生的塑性擾動區(qū)近乎貫通到地表，地表產(chǎn)生了較多的擾動塑性區(qū)，加上近地表巖層巖性差，保安礦柱留設(shè)30 m厚不具備安全保障性，有很大風(fēng)險。

2)保安礦柱為40 m的情況下，地下開采產(chǎn)生的塑性區(qū)未貫通到地表，只是在采場頂板產(chǎn)生了少部分塑性區(qū)。

3.4 地下礦體逐層開挖逐層充填采場及地表塑性區(qū)分布及位移特征

礦體開挖后，形成一定的采場空間，巖體中的原巖應(yīng)力平衡狀態(tài)受到破壞，應(yīng)力重新分布，一些部位應(yīng)力集中，另一些部位應(yīng)力降低。維護采場穩(wěn)定性主要是依靠圍巖、充填體強度及上部應(yīng)力拱來維護采場跨度并支撐采場空間結(jié)構(gòu)。

對保安礦柱為40m時的塑性區(qū)和下沉位移進行了模擬分析，從模擬云圖5～8可以看出：

1)礦體由下向上逐層開挖，逐層充填，每一分層采場頂板產(chǎn)生的塑性區(qū)是有限的，塑性區(qū)并未貫通到地表，地表公路是穩(wěn)定安全的，說明采用上向式進路充填采礦法分兩步驟回采方案具有一定的可行性、合理性和安全保障性。

2)從地表塑性區(qū)分布云圖5～7可以看出：一步驟采用1∶6的灰砂比膠結(jié)，二步驟采用尾砂充填后，下部礦體全部開挖被充填后地表只是出現(xiàn)零星的塑性區(qū)，影響不大，地表基本未出現(xiàn)塑性擾動區(qū)。

3)從圖8地表沉降變形云圖可以看出：地表最大下沉位移值為1.2 cm，數(shù)值很小，對地表基本無影響。說明礦體開挖后，空區(qū)及時充填改善了采場圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，以及充填體對頂板的抑制作用，極大地阻止了上覆巖層的下沉變形。因此地表預(yù)留40 m保安礦柱再加上空區(qū)充填后充填體對圍巖的支撐作用，地表及地表公路是穩(wěn)定的。

4 結(jié)論與建議

綜合以上分析，可得到如下結(jié)論：

1)通過論證分析，留設(shè)40 m厚的保安礦柱地表公路是穩(wěn)定的，待后續(xù)巖石力學(xué)基礎(chǔ)資料和設(shè)計研究階段再進一步落實和明確。

2)保安礦柱為40 m時，礦體由下向上逐層開挖，逐層充填，每一分層采場頂板產(chǎn)生的塑性區(qū)是有限的，塑性區(qū)未貫通到地表，未對地表產(chǎn)生很大的擾動影響。

3)留設(shè)保安礦柱和分層采場空區(qū)及時充填，地下開采不會對地表公路設(shè)施產(chǎn)生影響，地表公路的穩(wěn)定安全有保障。

4)多進路回采時，最多兩條進路同時回采，減小空區(qū)頂板暴露面積。