肖云濤 姚高輝 胡 崴 楊強勝

（1.中色盧安夏銅業(yè)有限公司；2.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司；3.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；4.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司）

合理確定采空區(qū)上方露天采礦作業(yè)的安全隔離層厚度，對于保障礦山安全生產(chǎn)和提高礦山經(jīng)濟效益具有重要意義［1-2］。近年來，許多專家學(xué)者對采空區(qū)安全隔離層厚度進(jìn)行了研究，常用的理論計算方法主要包括荷載傳遞交匯線法、厚跨比法、結(jié)構(gòu)力學(xué)梁理論和K.B.魯別涅依他公式等，利用數(shù)值模擬軟件進(jìn)行模擬分析的方法［3］。以巴魯巴礦區(qū)地下轉(zhuǎn)露天開采工程為例，在對礦山前期形成的采空區(qū)進(jìn)行調(diào)查的基礎(chǔ)上，采用理論計算和FLAC3D數(shù)值模擬對采空區(qū)安全隔離層厚度進(jìn)行研究，為礦山地下轉(zhuǎn)露天開采工程設(shè)計提供技術(shù)支持。

1 工程概況

巴魯巴礦區(qū)位于贊比亞北部銅帶省盧安夏市，礦床發(fā)現(xiàn)于1928年，1973年投產(chǎn)，經(jīng)過近50 a的地下開采，在井下形成了大量采空區(qū)。目前礦區(qū)深部礦體已基本開采結(jié)束，但近地表仍存在大量氧化礦石。為推進(jìn)巴魯巴礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展，中色盧安夏銅業(yè)有限公司（CLM）對盧安夏盆地的巴魯巴礦區(qū)開展了補充勘查工作，核實了礦區(qū)近地表采空區(qū)和地表塌陷情況，大致查明了巴魯巴殘留礦體分布情況。礦體埋藏深度主要集中于+1 260~+1 080 m水平范圍內(nèi)，殘留礦體埋藏淺，礦山計劃采用露天開采方式進(jìn)行開采。由于礦山前期地下開采在井下形成了大量采空區(qū)，且采空區(qū)坍塌造成了采空區(qū)上部一定范圍內(nèi)的圍巖破壞，形成了冒落帶和裂隙帶，使上覆巖體強度降低，對未來礦山露天開采安全造成了威脅。

2 采空區(qū)調(diào)查分析

2.1 礦山前期開采形成的采空區(qū)分布調(diào)查

2.1.1 采空區(qū)分布情況

巴魯巴礦生產(chǎn)開采時，對近地表采空區(qū)邊界進(jìn)行了系統(tǒng)的整理，基本掌握了近地表區(qū)域的采空區(qū)分布情況。通過礦區(qū)勘探線剖面圖，建立了礦區(qū)前期開采形成的近地表采空區(qū)三維模型，采空區(qū)主要集中于中部SS29線~SS69線，沿走向長度約為3 000 m，賦存標(biāo)高為900~1 250 m，跨度為2.4~41.4 m，鉆孔勘察資料表明，目前采空區(qū)大部分已發(fā)生垮塌，并造成其上部地表塌陷變形。但局部地段可能由于坍塌不完全仍存在部分小規(guī)模的采空區(qū)，近地表采空區(qū)及礦體模型見圖1。

2.1.2 地表塌陷現(xiàn)狀

巴魯巴礦地下礦體經(jīng)過多年的開采，前期形成的大部分采空區(qū)頂板圍巖已發(fā)生崩落塌陷，采空區(qū)上方地表產(chǎn)生了塌陷變形。塌陷區(qū)域主要位于SS35線~SS69線，塌陷區(qū)沿北西方向直線長度約為2 700 m，沿北東方向?qū)挾葹?0~200 m，最大塌陷深度約23 m（圖2）。

2.2 地下采空區(qū)鉆孔調(diào)查

對巴魯巴近地表區(qū)域開展了補充鉆孔勘查工作，在已有勘探資料的基礎(chǔ)上，對其原有勘探資料及采空區(qū)進(jìn)行了驗證。礦區(qū)地質(zhì)資料、采空區(qū)鉆探資料和地表塌陷現(xiàn)狀，表明巴魯巴礦區(qū)近地表采空區(qū)頂板已經(jīng)發(fā)生冒落、坍塌，采空區(qū)大部分已被碎石和砂土充填。但不排除局部地段可能由于未發(fā)生冒落、坍塌或坍塌不完全，仍存在少量空區(qū)。另外，采空區(qū)頂板坍塌造成采空區(qū)上部圍巖破壞，形成了冒落帶，使圍巖呈松散破碎狀，同時也造成了采空區(qū)上部地表塌陷。

3 采空區(qū)安全隔離層厚度研究

3.1 數(shù)值模型建立及模擬計算方案

3.1.1 數(shù)值模型

根據(jù)礦區(qū)各勘探線剖面中采空區(qū)跨度和上覆巖層厚度情況，本項目在巴魯巴礦區(qū)選取了6個典型勘探線剖面（采空區(qū)跨度分別為5，10，15，20，25和40 m），并參考巴魯巴東露天開采技術(shù)參數(shù)劃定各計算剖面露天開采境界，安全隔離層厚度按照臺階高度8 m的整數(shù)倍選取。根據(jù)研究結(jié)果，主要以SS50和SS31勘探線剖面（采空區(qū)跨度分別為10 m和15 m）為例（圖3），對安全隔離層厚度模擬分析過程進(jìn)行闡述。

3.1.2 模擬計算方案

通過荷載傳遞交匯線法、厚跨比法和結(jié)構(gòu)力學(xué)梁理論計算方法，得出了采空區(qū)跨度為10 m和15 m時的安全隔離層厚度范圍，并在此基礎(chǔ)上確定了安全隔離層厚度數(shù)值模擬對比方案，詳見表1。

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3.2 巖體力學(xué)參數(shù)取值

根據(jù)巖石單軸抗壓強度（石英巖73.85 MPa，片巖39.43 MPa，泥巖16.33 MPa）、圍巖鉆孔勘察資料以及基于地質(zhì)強度指標(biāo)GSI的Hoek-Brown強度準(zhǔn)則巖體力學(xué)參數(shù)估算公式，得到各工程巖組的巖體力學(xué)參數(shù)［4-5］，見表2。

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3.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.3.1 應(yīng)力分析

采空區(qū)跨度為10 m，隔離層留設(shè)厚度為8 m時，模型中產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力值為0.45 MPa，位于地表附近，小于圍巖抗拉強度0.51 MPa，采空區(qū)頂板附近最大拉應(yīng)力值約0.29 MPa，接近采空區(qū)頂板（含礦泥巖）的抗拉強度0.3 MPa，采空區(qū)頂板穩(wěn)定性較差；隔離層留設(shè)厚度為16 m時，地表和采空區(qū)頂板附近拉應(yīng)力值均有所降低，地表區(qū)域拉應(yīng)力最大值為0.40 MPa，采空區(qū)頂板附近最大拉應(yīng)力值約0.26 MPa，小于礦體和圍巖的抗拉強度，采空區(qū)頂板較為穩(wěn)定性（圖4）。

采空區(qū)跨度為15 m，隔離層留設(shè)厚度為24 m和16 m時，隔離層中地表附近和采空區(qū)頂板附近應(yīng)力值均達(dá)到了巖體的極限抗拉強度0.51 MPa和0.3 MPa，采空區(qū)頂板穩(wěn)定性較差，將發(fā)生頂板冒落或坍塌（圖5）。

3.3.2 塑性區(qū)分析

采空區(qū)跨度10 m，安全隔離層留設(shè)厚度為8 m時，采空區(qū)頂板至地表出現(xiàn)了塑性區(qū)貫通，采空區(qū)頂板將發(fā)生整體坍塌并導(dǎo)致隔離層破壞，對礦山露天開采安全造成威脅；隔離層留設(shè)厚度為16 m時，塑性區(qū)僅出現(xiàn)在地表附近，采空區(qū)頂板附近未出現(xiàn)塑性破壞，隔離層較為穩(wěn)定，不會對礦山生產(chǎn)安全造成威脅（圖6）。

采空區(qū)跨度為15 m，安全隔離層留設(shè)厚度為16 m時，采空區(qū)頂板至地表出現(xiàn)了塑性區(qū)貫通，采空區(qū)頂板將發(fā)生冒落或坍塌并導(dǎo)致隔離層破壞，對礦山露天開采安全造成威脅；隔離層留設(shè)厚度為24 m時，采空區(qū)頂板附近和地表附近均出現(xiàn)了塑性破壞區(qū)，采空區(qū)頂板將發(fā)生冒落或垮塌，但隔離層中塑性區(qū)未完全貫通，隔離層整體仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，不會對礦山露天生產(chǎn)安全造成威脅（圖7）。

4 結(jié) 論

（1）通過對巴魯巴礦區(qū)前期生產(chǎn)資料和鉆孔勘察資料進(jìn)行整理研究，建立了礦區(qū)前期開采形成的近地表采空區(qū)及殘留礦體三維模型，得出了礦區(qū)前期開采形成的采空區(qū)與近地表殘留礦體的位置關(guān)系。地表塌陷現(xiàn)狀及鉆孔勘察資料分析結(jié)果表明，礦區(qū)近地表采空區(qū)頂板已經(jīng)基本發(fā)生冒落、坍塌，采空區(qū)大部分已被碎石和砂土充填，但不排除局部地段可能由于未發(fā)生冒落、坍塌或坍塌不完全，仍存在少量空區(qū)。

（2）采用理論計算和數(shù)值模擬手段對隔離層安全厚度進(jìn)行了研究分析。分析結(jié)果表明，采空區(qū)跨度在10 m以內(nèi)時，安全隔離層最優(yōu)厚度為16 m；采空區(qū)跨度在10~15 m時，安全隔離層最優(yōu)厚度為24 m；跨度在15 m及以上時，采空區(qū)無法保持自穩(wěn)，即認(rèn)為目前巴魯巴礦區(qū)內(nèi)跨度達(dá)到15 m的采空區(qū)已發(fā)生冒落或坍塌。

（3）建議礦山在實際開采過程中，根據(jù)研究結(jié)果，在預(yù)留足夠厚度的采空區(qū)安全隔離層的基礎(chǔ)上，采用超前探測手段，對采空區(qū)位置和形態(tài)參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)探測，并采取必要的工程措施，及時對采空區(qū)進(jìn)行處理，確保礦山露天開采安全。