王運敏 ?陸玉根 孫國權

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽 馬鞍山243000;2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室，安徽 馬鞍山243000)

1 崩落法巖移及塌陷理論

崩落法開采引發(fā)上覆巖層冒落是一個復雜的空間與時間問題，當前對于煤礦開采頂板巖層冒落研究已較為成熟，學術界提出了多種理論和假說，上覆巖層破斷規(guī)律已被基本掌握，代表性的有砌體梁理論、關鍵層理論、鉸接巖塊假說和壓力拱假說等。地下金屬礦山在地層結構、礦體形態(tài)、賦存條件、應力狀態(tài)及開采方法等多方面與煤礦截然不同，使得地下采礦過程中圍巖體應力分布較為復雜，崩落過程中具有其特殊性。所以，地下金屬礦山的巖移及地表塌陷研究不能簡單地套用煤礦的相關理論。

當前，地表塌陷研究主要采用現場實測分析、數值模擬和相似模擬等，其中，現場實測分析是最為準確的研究方法，可真實和精確地反映出巖層移動特性及地表的塌陷沉降規(guī)律。

地下金屬礦床地層結構復雜、采場邊界條件多變、開采因素影響大，導致巖層的變形破壞連續(xù)及非連續(xù)性并存，拉壓及剪切破壞共在;在復雜多變的采礦因素影響下，其介質的巖體力學性質、變形破壞機理以及采空區(qū)、結構面等，會隨著時間發(fā)生相應的變化。井下崩落開采引起巖層變形和移動，并導致地表出現開裂下沉，描述地表開裂下沉最重要的參數就是巖層陷落角，巖層陷落角受上覆巖層巖性、開采深度、開采厚度、采礦方法及巖石的流變特性等因素影響，較難準確計算，因此采用實測法分析巖層移動規(guī)律，及時總結修正適合礦山的巖層陷落角具有重要意義。

2 井下開采及地表沉降分析

大紅山鐵礦集露天開采和井下開采2 種開采方式，是國內露天地下協(xié)同開采的典型礦山之一，也屬國內最大的地下礦山，綜合生產能力約1 100 萬t/a。

井下一期大規(guī)模無底柱崩落法開采標高為+380～+500 m，最大開采深度距離地表800 多m，目前，主采區(qū)400 m 以上水平已開采完畢。

井下大規(guī)模開采使得大紅山鐵礦地壓活動極為復雜，深部巷道冒頂片幫現象嚴重。2011 年8 月，地表1 220 m 標高附近出現裂縫。為解除高應力地壓隱患，2012 年4 月9 日，礦山在位于主采空區(qū)上部1 090 m平巷進行了硐室爆破強制落頂。

為掌握地表開裂及沉降規(guī)律，早期礦山在地表建成2 個沉降觀測點，利用全站儀通過地表導線點進行觀察。圖1 為2 測點的觀測數據，測點1 位于硐室爆破正上方，為目前地表沉降位移最大處，可見沉降與水平移動規(guī)律較為一致，受硐室爆破強制落頂影響，測點1 沉降與水平移動在之后幾月內幾乎沒有發(fā)展，這表明上覆巖層強制冒落后延緩了地表沉降及變形。而后1 a 多時間內2 測點的水平移動幾乎保持不變，只有沉降一直處于平穩(wěn)緩慢增加的狀態(tài)中，增速約為25 mm/月。

圖1 測點累計沉降與水平移動值Fig.1 Cumulative settlement and horizontal movement value of measuring point

地表塌陷與沉降最先出現在主采空區(qū)平面范圍上的東北角區(qū)域，如圖2，截至目前，地表開裂區(qū)域已經連接形成閉合圈。其中，2012 年11 月地表開裂范圍的面積約為6.9 萬m2，空間上幾乎與480 m 采空區(qū)范圍重合。隨著開采深度的增加，采空區(qū)范圍的擴大，地表開裂呈現沿著480 m 水平采空區(qū)的邊界向四周發(fā)展的趨勢，2013 年10 月裂縫的面積達到28.3萬m2，其開裂范圍較2012 年11 月地表開裂范圍擴大了約4 倍，目前2014 年4 月實測地表開裂面積已達30.2 萬m2。未來主采區(qū)的主要開采方向為400水平向西南方向發(fā)展，未來地表開裂的范圍也會主要向西南方向發(fā)展。

3 巖層移動規(guī)律分析

圖2 井下開采及地表塌陷開裂范圍Fig.2 Underground mining and surface subsidence cracking range

根據各采區(qū)空間地理位置關系及開采情況推斷，對目前地表塌陷及開裂造成主要影響的是井下主采區(qū)，綜合分析對比各分段地下空區(qū)分布及地表開裂實測現狀，如圖3中A38＇橫剖面地表裂縫發(fā)展情況可以看出，地表裂縫在逐步擴大。根據采空區(qū)的剖面及地表裂縫發(fā)展范圍，可推導出地下空區(qū)影響到地表出現裂縫該區(qū)域的角度，即地下開采巖移形成的陷落角，經測量其上盤裂縫角度為81°，下盤裂縫角度為82°，同理分析其他各剖面上巖層的陷落角，其中最小為76°，位于縱Ⅱ剖面上盤，如圖4。

圖3 A38＇橫剖面地表裂縫發(fā)展情況Fig.3 Surface cracks development of A38 ＇cross-section

圖4 縱Ⅱ剖面地表裂縫發(fā)展情況Fig.4 Current and future cracking range

可見大紅山鐵礦井下深部主采區(qū)大規(guī)模開采崩落圍巖充填采空區(qū)后，地表形成了較大規(guī)模的塌陷開裂區(qū)，總結實測地表塌陷及巖層移動范圍，可得出大紅山鐵礦井下深部開采的巖層陷落角≥76°。

4 地壓監(jiān)測記錄分析

目前大紅山鐵礦地壓監(jiān)測包括鉆孔應力計監(jiān)測、圍巖變形自動監(jiān)測及微震監(jiān)測系統(tǒng)等，自2012 年4月主采空區(qū)上部實施硐室爆破強制落頂以來，各監(jiān)測系統(tǒng)陸續(xù)完成了設計安裝工作，并監(jiān)測得到了各月地壓監(jiān)測記錄。

井下鉆孔應力計涵蓋目前主采區(qū)各水平，從監(jiān)測數據分析來看，過去2 a 在所布設的監(jiān)測點附近圍巖內應力集中與增加量較小，如圖5 每月應力最大值均小于0.35 MPa，說明采空區(qū)周圍應力集中較小，圍巖應力處于較穩(wěn)定的狀態(tài)，地壓活動相對穩(wěn)定。

對主采空區(qū)上部1 090 m 巷道頂板變形監(jiān)測數據進行分析，各月頂板最大下沉量均小于3.5 mm。近2 a 來，1 090 m 巷道頂板下沉量表現出總體穩(wěn)定，階段性增速的趨勢如圖6，目前，累計下沉量已達3 500 mm，預測未來圍巖沉降還將保持該穩(wěn)定增長的趨勢，塑性變形區(qū)域繼續(xù)擴大。

圖5 每月應力增加最大值監(jiān)測記錄Fig.5 Monthly maximum inereased stress monitoring records

圖6 每月頂板累計下沉量監(jiān)測記錄Fig.6 Monthly cumulative roof subsidence monitoring records

圖7 為主采空區(qū)上部硐室大爆破后每月巖層破裂事件的平均次數，可以看出，在硐室大爆破后的幾個月里，巖層破裂事件數逐漸下降，2013 年12 月至2014 年6 月幾乎都未發(fā)生破裂事件。空區(qū)上部巖層冒落次數顯著下降、消失，表明了采空區(qū)逐漸被冒落巖層所覆蓋并不斷填實，地應力逐步得到相對平衡，預測未來巖層破裂事件將處于較低次數并消失，被覆蓋的空區(qū)進一步填實，出現較大規(guī)模巖層冒落概率很低。

圖7 每月平均巖層破裂事件監(jiān)測記錄Fig.7 The average monitoring records value of rock rupture event monthly

從圖8 中近2 a 來的微震非定位事件監(jiān)測數據可以看出，每月的微震非定位事件均遠遠小于大面積突然垮塌設定的預警值300 個/d，且逐漸降低趨于穩(wěn)定，呈現顯著不斷降低趨勢，這表明地壓趨于逐漸穩(wěn)定。

圖8 每月微震非定位事件平均值監(jiān)測記錄Fig.8 The average monitoring records value of non-locating micro seismic events monthly

5 結 論

(1)綜合分析地表塌陷區(qū)沉降及裂縫的發(fā)展情況，表明沉降與水平移動具有較強的一致性，整體變化趨勢具有階段性的快速增加與趨緩的特點。目前塌陷區(qū)地表水平移動保持不變，沉降處于平穩(wěn)緩慢增加的狀態(tài)中。

(2)總結地表塌陷區(qū)沉降及其裂縫的發(fā)展過程，得出本礦深部開采巖層陷落角≥76°。

(3)通過井下各地壓監(jiān)測數據分析，表明目前主采區(qū)上部空區(qū)已不同程度被填實，巖層冒落事件趨于消失，圍巖應力集中較小，變形趨于穩(wěn)定，預測未來巖層將繼續(xù)緩慢下沉壓實，發(fā)生沖擊地壓、大規(guī)模塌陷冒落等地壓災害的概率很低。

(4)分析地表沉降及相關井下地壓監(jiān)測數據，硐室爆破強制冒落上覆頂板巖層后，巖移及地表塌陷沉降均處于較為穩(wěn)定狀態(tài)，深部崩落法開采高應力集中的情況得到了明顯解除，這充分說明了深部崩落法開采，崩落上覆巖層保證足夠的覆蓋巖石厚度充填采空區(qū)，對于緩解深部開采高應力、控制巖層移動具有重要作用。

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