基于露天地下協同開采的地表巖移控制技術研究

曹建立 任鳳玉 丁航行 黃貴臣

（1.東北大學資源與土木工程學院，遼寧沈陽110819；2.鞍鋼集團礦業有限公司，遼寧鞍山114001）

某鐵礦區主要由上下盤兩條礦脈構成，礦石平 均品位約30%，其中下盤礦脈采用淺孔留礦法［1］進行地下開采，年產量達65 萬t 左右，上盤礦脈采用露天開采，年產量約300 萬t。兩條礦脈相距較近，實際開采中下盤井下開采深度超過了原設計允許的最大深度值，導致地表形成的塌陷坑周邊巖移范圍擴大，對露天采場構成了嚴重威脅。為實現礦山在未來開采中的穩產目標，兩條礦脈必須進行協同開采。上盤礦脈實現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模開采中所面臨的巖移威脅難題，亟需研發相關的技術方法，確保礦山安全高效開采。

在巖移預測及控制研究中，錢鳴高等［2］提出了關鍵層理論；李欣等［3］采用數值方法分析了司家營鐵礦地表巖移發展規律；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力及裂紋演化過程；李春意等［5］通過理論分析與數值模擬研究了煤礦條帶開采地表動態與靜態沉降特征；袁海平等［6］利用數值方法研究了空區形狀與巖移之間的變化關系，得出地表塌陷形態呈類圓形且不受空區形狀影響；夏開宗等［7］利用現場監測手段分析了不同采礦分段下巖體冒落及巖移發展特征，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展的影響；王啟春等［9］通過現場巖移監測，分析了傾斜煤層開采地表巖移發展特征；李海英等［10］通過優化掛幫礦開采順序和高度調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］采用數值模擬方法研究了節理影響下的地表巖移特性；常帥等［12］針對分區開采中出現的巖移危害問題，從分區界限確定、采礦優化及施工調整等方面進行了研究，取得了理想成效；宋衛東等［13］利用相似試驗與數值模擬相結合的方法研究了高陡邊坡破壞及變形特征；趙永等［14］基于微震監測手段研究了露天轉地下開采中的巖移發展機理。

綜上所述，學術界針對不同礦巖條件的巖移預測與機理研究取得了顯著進展，但對于多礦體分布及協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同開采情況，本研究重點分析地表塌陷及巖移控制方法，為確保礦山露天與地下協同安全開采提供有益參考。

1 塌陷坑內散體流動特性研究

該礦山下盤礦脈應用淺孔留礦法開采，上盤礦脈進行露天開采，下盤超深開采致使露天采區處于巖移范圍內（圖1）。目前在下盤地表已形成了一定規模的塌陷坑，塌陷及巖移范圍不斷擴展，嚴重制約了露天采區的開采進度。根據臨界散體柱支撐理論［15-17］，塌陷坑內散體產生的側壓力可以提高邊壁圍巖的穩定性，如果散體在下移過程中出現結拱情況，隨著井下采礦的進行，一旦散體拱突然垮落，必將導致其上部散體發生整體大規模下移，使邊壁圍巖失去散體的側向支撐，致使地表巖移范圍擴大。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展，首先需要研究塌陷坑內散體的流動特性，以此為依據提出安全可行的巖移控制方法。

1.1 塌陷坑散體塊度估算

塌陷坑內廢石散體流動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頂板冒落巖塊。受現實條件制約，尚無法對塌陷坑內的散體進行詳細的塊度估算，但是可以對放礦結束后出礦口出露的廢石散體利用照相法進行估算，是因為放礦口出露的廢石一般來源于塌陷坑內的覆蓋層散體，具有很好的代表性，可直接利用方格網來測定散體堆的組成。

如圖2 所示，根據表面散體的塊度構成，制作一方形格網（每一小格邊長為35 cm），將格網平整放置于廢石散體堆上，利用相機拍照記錄，并進行圖像繪制。根據繪制的圖像統計計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為整個測量范圍內的散體堆總面積，m2。

根據式（1）分析計算，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%，大塊主要出現在散體堆中間部位，小塊則分布于兩側，小塊占主要成分的內在原因為圍巖節理裂隙發育，塌陷坑內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理產生二次破碎，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，并且率先抵達出礦口，以較大塊度的形式存在。因此，在估算塌陷坑內散體塊度組成時，需綜合考慮上述影響因素，最終確定的塌陷坑內散體塊度組成見表2。

注：百分比總計為100%。

1.2 塌陷坑散體流動特性相似試驗

本研究結合現場塌陷坑內散體粒度實際分布情況進行相似試驗分析，為保證相似試驗結果的可靠性，試驗中所用的散體顆粒來源于現場礦巖散體，經篩分配比后得到。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，用于表征散體的結拱特性。通過改變模型寬度來模擬現場塌陷坑的寬度，試驗按照1∶100相似比選取的模型寬度值分別為15、20、25、30 mm。為保證試驗結果的可靠性，共進行了3 次試驗，對試驗中的散體流動及結拱現象進行了詳細記錄。散體顆粒級配如表3所示。

注：百分比總計為100%。

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

根據表5 統計結果，當跨徑比大于2.64 時，散體流動性良好，沒有結拱情況發生；當跨徑比為2.2～1.76 時，散體放出過程中卡塊現象比較明顯，偶爾發生結拱情況；當跨徑比小于1.76 時，會出現明顯的結拱情況，不同跨徑比下的散體結拱情況如圖4所示。

據現場調研，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部散體的最大粒度，因此考慮1.3 的安全系數，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，由此計算得出該礦山能夠保證散體順利流動而不發生結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，為滿足散體連續流動的最小塌陷坑寬度值的4.76～14.28 倍。分析表明：該礦山塌陷坑內散體隨著井下放礦的進行能夠保持連續流動，不會出現結拱情況。

2 塌陷坑內散體對地表巖移控制作用分析

礦山生產實踐表明，巖體側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，暴露于空區邊幫的不穩巖塊發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，受優勢節理面與地質風化條件的影響，地表塌陷范圍不斷擴大，威脅位于其上盤側的露天采區（圖5）。

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根據臨界散體柱支撐理論，塌陷坑邊壁圍巖發生片落的條件主要取決于邊壁巖體是否受到側向支撐作用，即散體的側壓力。當塌陷坑內散體堆積到一定高度后，隨著底部散體的逐漸沉實，位于某一散體堆高度之上的散體柱提供的側壓力足以使當下的塌陷坑處于穩定狀態，巖移發展由此終止。由地表最外側的明顯斷裂線位置按巖移角向上盤側礦巖接觸帶劃線，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展及周邊地表巖移的發展起著關鍵作用，即巖體強度一定時，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測量系統的一個重要參數，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或偏差較大，將會嚴重影響該井的正常施工，情況嚴重的甚至會導致填井重鉆或井眼報廢［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系，對該礦山臨界散體柱的相關參數進行了統計，結果見表6。

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由表6 可知：通過統計塌陷坑的4 個地質勘探線所在剖面，臨界散體柱占整個塌陷坑內散體堆積高度的22.98%～25.31%，其下部的密實散體柱占整個散體堆的74.69%～77.02%，這部分散體柱提供的側壓力足以使所在部位的邊壁圍巖處于近似原位條件的穩定狀態。根據前述散體結拱特性的試驗結果，散體在塌陷坑中能夠保持整體連續下移，及時向塌陷坑中補充充填廢石散體，始終保持邊幫圍巖自穩所需的散體高度值，則臨界散體柱可對地表塌陷及巖移發展進行有效控制。

為直觀觀察塌陷坑邊壁片落時的裂隙發展情況，利用PFC 軟件［18-19］對散體柱支撐作用進行分析，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，塌陷坑內散體的相關參數取值見表7。為對模型進行適當簡化，假定塌陷坑內散體堆積高度相同，模型長270 m，高450 m，塌陷坑寬度取55 m，模型總顆粒數達121 500 個，顆粒隨機分布級配參照表3，數值分析模型見圖7。

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塌陷坑上下盤邊壁圍巖的裂隙擴展情況見圖8，圖中顆粒點代表拉伸裂隙，可以看出上盤側的裂隙明顯多于下盤，說明隨著塌陷坑暴露時間的增加，巖移主要朝向上盤側發展，這與現實情況相一致。根據礦山設定的70°巖移角進行臨界散體柱圈定，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，這與現場統計分析結果基本一致，進一步驗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散體柱可以最大程度地限制邊幫圍巖變形的發展，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，周邊斷裂線發育，由于上盤側露天采區與下盤側地下采區的最近距離不足50 m，一旦巖移擴展得不到有效控制，必然會對露天采區構成極大威脅。目前，塌落坑寬度已達20～60 m，受井下放礦及邊壁圍巖片落的影響，塌陷坑內兩幫散體賦存較高，中間較低，未被充填的高度達到20～50 m。根據表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行大規模充填，保證臨界散體柱高度，以此來控制塌陷坑周邊巖移發展，保障露天與井下采場協同安全開采。

在對塌陷坑進行廢石充填時，一般存在兩種風險：①散體下移過程中出現大的結拱，造成突然陷落危害；②隨著井下放礦的進行，覆蓋層下移造成地表陷落危害。前述散體流動試驗結果證實散體下移過程中不會發生結拱，因此第一種風險可以排除；對于第二種陷落危害，需要進行計算分析來評估其風險發生的可能性。根據隨機介質放礦理論［20］，散體一次最大下移量Vz與散體覆蓋層厚度h的變化關系為

塌陷坑內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，崩落礦柱時采場頂部散體的下移量最大，根據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，則等價放出量q的計算公式為

試驗測得的散體流動參數α=1.193 7，β=0.395 9，h=20 m 代入式（3），得到等價放出量不超過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人員及設備構成威脅，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，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）上盤側為露天采區，受巖移威脅較大，下盤側相對穩定，可以作為第一排巖方位，據此研究提出兩步三向協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進行第一向大規模充填（圖9中“①”），利用充填散體對上盤側及走向兩幫提供側向支撐，上盤邊壁圍巖受散體支撐作用趨于穩定后，沿上盤側對塌陷坑進行第二向充填排巖（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定的支撐作用，隨后，第二步沿走向方向對塌陷坑進行第三向充填（圖9“③”），最終實現兩步三向協同充填排巖，充填作業更加安全，邊壁巖移控制效果也更加明顯。

現場充填實施情況見圖10。利用卡車將井下采出的廢石及露天礦區剝離的廢石按照所設計的充填方法傾倒至塌陷坑中，目前排巖總量達4 000 萬t 左右，同時直接將露天采區剝離廢石排入其下盤側塌陷坑中，減小了排巖運距，節省運輸總費用約1 300萬元，減少了廢石占地面積，有效降低了對地表環境的污染。兩步三向協同充填地表塌陷坑巖移控制方法實施以來，塌陷坑表面出現過緩慢沉降現象，但沉降幅度很小，在安全施工允許范圍內?？梢?，針對急傾斜多層位礦體露天與地下協同開采現實條件，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，經濟和社會效益顯著。

4 結 論

（1）基于散體流動特性試驗，該礦山塌陷坑內散體結拱的臨界跨徑比為2.64，塌陷坑實際寬度為滿足散體連續流動的最小塌陷坑寬度值的4.76～14.28倍，表明塌陷坑內散體具有很好的流動性，不會出現結拱情況。

（2）理論分析與數值模擬結果表明，上盤側邊壁圍巖損傷的發展要明顯多于下盤，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展。

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