大紅山鐵礦深部開采F2斷層對巖層移動控制研究

余正方

(玉溪大紅山礦業(yè)有限公司， 云南 玉溪市 653100)

在礦山開采過程中，斷層的存在對礦山生產(chǎn)有著顯著影響，許多國內(nèi)外專家學(xué)者發(fā)現(xiàn)在采動過程中，斷層等結(jié)構(gòu)面容易產(chǎn)生“活化”現(xiàn)象。當開采區(qū)域斷層比較發(fā)育時，斷層對采場上覆巖層破壞規(guī)律、地壓分布規(guī)律的影響十分明顯，在這種情況下開采礦石就必須考慮斷層的影響[1]。根據(jù)大紅山鐵礦露天開采和深部開采的空間位置關(guān)系，深部開采采用無底柱分段崩落法，開采產(chǎn)生的巖石崩塌和移動可能會對上部的露天采場邊坡帶來危害，因此地下開采引起的巖石移動對露天邊坡穩(wěn)定性具有極為重要的影響。

1 工程概況

大紅山鐵礦是一座露天開采與地下開采同時并存的礦山。礦區(qū)主要構(gòu)造有2組，分別為東西向和北西向，其中東西向構(gòu)造為礦區(qū)的成礦構(gòu)造。東西向主干斷層有F1和F2斷層，F(xiàn)2斷層位于大紅山向斜北側(cè)向近東西，延長1.1 km以上，傾向南，傾角為80°左右，沿斷層帶輝長輝綠巖呈巖墻貫入，是淺部鐵礦與深部鐵礦的自然分界。傾向斜斷距為50m～600m，初期斷距不大，后被巖體侵入充填破壞，反映在沿走向各剖面上斷距變化大，A32到A34線距離僅170m，但斷距減小到180m，而到A40線則基本上沒有斷距，斷層帶寬度為50m～100m，為輝長輝綠巖巖墻所占（如圖1～圖2所示）。

圖1 礦段劃分及斷層投影平面示意

圖2 礦體劃分及F2斷層典型剖面示意

目前主采區(qū)上覆巖層的崩落帶已經(jīng)與地表貫通，形成了主采區(qū)井下與地表相互聯(lián)動的良好局面，原有閉合開裂區(qū)域內(nèi)崩落巖體的較大下沉（平均約1m）導(dǎo)致原有閉合開裂沉降區(qū)域周邊圍巖體受到的支撐力有所下降，在原生裂隙等抗拉強度較低的局部區(qū)域產(chǎn)生了張拉裂縫。從現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)來看，巖體開裂下沉等地壓現(xiàn)象均位于F2斷層以內(nèi)或附近，沒有越過F2斷層，1090巷道內(nèi)發(fā)現(xiàn)的新增開裂縫雖然越過了F2斷層，但規(guī)模小，沒有發(fā)生閉合，所以影響范圍小。

通過現(xiàn)場巖體結(jié)構(gòu)面調(diào)查、巖石力學(xué)實驗及巖體質(zhì)量分級等工作確定了宏觀巖體力學(xué)參數(shù)，見表1。

2 基于臨界散體柱理論的陷落角計算

本文采用東北大學(xué)任鳳玉教授等專家提出的“臨界散體柱理論”來計算陷落角[2?4]。將采空區(qū)底板邊緣到地表陷落區(qū)邊界的連線與水平面的夾角稱為巖體的陷落角，將臨界散體柱與其上陷落坑的高度之和稱為臨界深度，陷落角與采深的關(guān)系式如下：

式中，β為陷落角，°；h0為臨界深度，m；α為礦體傾角，°；β0為錯動角，°；H為開采深度，m。在大紅山鐵礦條件下，取β0為70°，將各剖面相關(guān)參數(shù)值代入式（1）計算，計算值見表2，陷落角保持在80°以上，最終陷落范圍對淺部鐵礦的露天采場邊坡影響較小。

由式（1）可以看出，陷落角隨開采深度的增大而增大，在礦體傾角與采深一定的條件下，陷落角越大，地表陷落范圍就越??；當H與α一定時，β隨h0減小而單調(diào)遞增。也就是說減小臨界深度，可有效增大陷落角。為此，礦體繼續(xù)向深部開采后，用廢石充填地表塌陷坑，人為減小臨界深度，可有效控制地表陷落范圍。

表1 礦巖體宏觀巖體力學(xué)參數(shù)

表2 不同剖面陷落角計算值

3 數(shù)值模擬

3.1 FLAC3D數(shù)值模擬

采用FLAC3D軟件建立大紅山鐵礦研究區(qū)域的三維幾何模型，模擬工作面推進過程中頂板或上覆巖層變形和破壞的演化過程。模型共計3285100個單元和3357780個節(jié)點，如圖3～圖4所示。深部礦體回采后，提取典型剖切面云圖（見圖5～圖7）。

圖3 整體模型

圖4 模型典型剖面

圖5 地表Z方向位移圖

由圖5可知，塌陷區(qū)中心部分的沉降值最大，向外逐步減小，地表沉降范圍到達F2斷層后，沒有明顯再繼續(xù)擴大的趨勢。由圖6可知，距離空區(qū)越近，Z方向位移量越大，沉降范圍并沒有按照一般移動角規(guī)律擴大到地表上，影響淺部鐵礦露天邊坡開采，說明斷層可以對巖石的移動存在一定的割斷作用，從而減小地下開采對露天邊坡的影響。巖體受到拉應(yīng)力或剪應(yīng)力造成拉伸或剪切破壞，形成塑性區(qū)（見圖7），塑性區(qū)采用直接觀察的方法，圖7中紅色范圍表示塑性區(qū)，塑性區(qū)范圍越大，表示相應(yīng)區(qū)域的穩(wěn)定性越差。深部開采后，塑性區(qū)主要集中于采空區(qū)正上方的覆蓋巖層，形成大面積貫穿，F(xiàn)2斷層的存在對塑性區(qū)的擴展起到一定的隔斷作用。

圖6 剖面Z方向位移圖

圖7 剖面塑性區(qū)云圖

綜合分析認為：地表的破壞形式為空區(qū)上覆巖層在重力作用下形成垂直塌陷坑，斷層靠近露天邊坡一側(cè)是地表沉降變形的明顯界限，斷層的存在對露天邊坡的穩(wěn)定性起到了重要作用。

3.2 離散元（2D-Block）數(shù)值模擬

根據(jù)大紅山鐵礦地下礦體、地表的實際形態(tài)和圍巖特征，模擬地下礦體開采后，采空區(qū)上部圍巖在自重應(yīng)力作用下發(fā)生冒落時對地表穩(wěn)定性的影響。本次模擬選擇了代表性較強的33#、34#、36#、37#、CZ1#、縱Ⅱ#剖面進行模擬。模擬過程中，允許圍巖依照自身的力學(xué)機制發(fā)生一定的位移或破壞作為前提。33#、37#剖面開采體周邊的圍巖發(fā)生了一定程度的冒落和滑移，塊體沒有直接垮落至地表，地表出現(xiàn)裂縫和位移，隨著時間的推移，有直接冒落至地表的可能性。通過地表圈定巖石移動范圍，33#剖面塊體開采后上、下盤圍巖移動角分別為81°和78°；37#剖面塊體開采后上、下盤圍巖移動角分別為77°和71°；通過對34#、36#、CZ1#剖面不同階段開挖的模擬分析，認為礦體開采后圍巖上盤冒落主要沿輝長輝綠巖所處的F2斷層移動。

4 移動界線及陷落界線的圈定

通過上述臨界散體柱理論分析計算、FLAC3D數(shù)值模擬分析結(jié)果以及離散元（2D-Block）數(shù)值模擬研究，分別在平、剖面圖上圈定出地表移動界線，與現(xiàn)狀錯動界線進行比較分析，如圖8所示。由FLAC3D數(shù)值模擬和臨界散體柱理論得出的地表陷落范圍與地表現(xiàn)狀塌陷坑回填區(qū)域的邊界基本重合，可作為開采結(jié)束后的地表陷落范圍；離散元（2D-Block）數(shù)值模擬研究圈定的最大離層位置作為開采結(jié)束后的地表移動范圍。

圖8 地表移動及陷落界線的圈定

5 結(jié)論

（1）現(xiàn)狀塌陷區(qū)的范圍與礦體全部開采完畢后預(yù)測的陷落范圍基本重合，因此只要積極充填陷落區(qū)域，降低散體柱臨界深度，地下開采引發(fā)的巖層移動對上部的露天采場邊坡影響較小。

（2）在未來的開采中，裂隙范圍還可能繼續(xù)向外擴張，這是由于原有閉合開裂區(qū)域內(nèi)巖體下沉導(dǎo)致沉降區(qū)域周邊圍巖體受到的支撐力有所下降，在原生裂隙等抗拉強度較低的局部區(qū)域產(chǎn)生了張拉裂縫，裂隙不斷擴張的情況會隨著充填體的逐漸密實而有所減緩，最后趨于穩(wěn)定，這一過程可能會持續(xù)較長時間。在加強地表移動變形監(jiān)測工作的前提下，露天采場邊坡的穩(wěn)定性處于可控范圍內(nèi)。