掛幫礦開采的相似模擬試驗與安全性分析

王 平 張開新 徐 釗

(武漢科技大學資源與環境工程學院，湖北 武漢430081)

隨著經濟的快速發展，全球對礦產資源的需求量日益高漲，礦產資源被大量地開采，與此同時礦山開采所帶來的地表沉陷問題逐漸地顯現出來，對人民的生命財產安全帶來了巨大的挑戰［1-2］。武鋼集團程潮鐵礦經過多年回采，目前，采礦作業場地和開拓工程已經進入深部開采，隨著礦石價格的不斷高漲，前期開采遺留在－75 ～－150 m 水平的掛幫礦就成為了新的開采對象，為了實現安全高效回采工作，有必要對掛幫礦開采所引起的地表和覆巖移動變形情況進行研究，以確保掛幫礦安全回采和井下生產的安全進行，為礦山取得良好的經濟效益和社會效益。本研究以程潮鐵礦東區掛幫礦安全高效回采為研究背景，通過實驗室相似模擬試驗，模擬掛幫礦充填開采的全過程，然后分析掛幫礦的開采對地表變形和攔洪壩的影響以及覆巖移動變形情況，以此指導礦山對掛幫礦的安全回采工作。

1 掛幫礦概況

武鋼集團程潮鐵礦采用無底柱分段崩落采礦法。經過多年回采，在礦區地表范圍內形成了大量的塌陷坑，在其礦區東區－75 ～－150 m 水平由于歷史原因殘留部分零星小礦體未回采，由于該部分礦體存在于塌陷坑的邊緣并和攔洪壩臨近，因此我們將這部分零星礦體稱之為“掛幫礦”。該零星礦體總共分為3 部分，將其命名為掛幫礦V1號礦體、掛幫礦V2號礦體和掛幫礦V3號礦體，礦體均為急傾斜礦體，沿走向方向長度約為150 m，厚度約為20 m，礦體規模不大，其中掛幫礦V3號礦體位于地表攔洪壩水庫的下方。根據相關研究資料［3］，地表攔洪壩水庫已經進入地表變形區域，且在水庫的東西兩岸已經產生了地表裂縫，礦山采取了注漿填堵的方式進行了治理。因此有必要對掛幫礦開采的安全性進行分析，確保地表攔洪壩區域的安全和礦體安全高效回采的進行。

2 掛幫礦開采的物理相似模型試驗

2.1 物理相似試驗模型設計

(1)模型特點及選擇［4］。根據實驗室相似材料模型的特征，結合程潮鐵礦東區掛幫礦分布范圍和工程地質特點，綜合比較之后選用相似材料平面應力模型進行試驗研究。

(2)試驗剖面的選擇。通過現場考察和相關資料的查閱，并結合礦山相關工程技術人員的參考意見，研究決定選取的典型試驗剖面如圖1 所示。

圖1 典型剖面圖Fig.1 Typical profile

(3)相似常數及模型尺寸的確定［5］。正確確定模型的相似比是物理相似模擬試驗的重要一步，直接影響到5 個方面:①澆筑模型的工作量和經濟性;②尋找合適的模型材料的難易程度;③實驗室條件，包括模型試驗設備、操作技術和測試技術;④模擬范圍;⑤試驗精度。為此，經過與礦山技術人員商議，結合多方面因素綜合考慮比較分析，最終得到相似比如下:幾何相似比CL=1∶400;應力相似比Cσ=1∶520;容重相似比Cγ=1∶1.3;時間相似比Ct=1∶20。本次相似模擬試驗架全部采用型鋼制作，結合典型剖面圖最終確定試驗的模型尺寸為長180 cm，寬20 cm，高120 cm。

(4)地應力模擬。由于礦體埋藏深度較淺，模型直接模擬至地表，因此不考慮水平構造應力的影響，只模擬自重應力場。

(5)采礦過程模擬。本次相似模擬試驗主要采用平底結構的分段空場嗣后充填采礦法向上進行回采礦體，由于掛幫礦礦體主要賦存范圍為－ 75 ～－150 m水平，因此結合礦山的設計要求和礦山技術人員的參考意見，確定模擬開采具體開采順序是掛幫礦V1號礦體→掛幫礦V2號礦體→掛幫礦V3號礦體，從－150 m 水平高程起采，每個礦體分4 個分段從下往上依次進行回采，開采完1 個分段后，進行該分段的充填工作，充填完成以后再進行下一分段的開采，依次類推，直到最后一個分段的開挖充填完成。

2.2 相似材料的研制

2.2.1 礦體及圍巖物理力學參數

巖體力學參數的選取較為復雜，目前獲取巖體力學參數的方法主要有現場或實驗室試驗、工程類比法和經驗系數折減法等。本研究中，礦巖體的物理力學參數主要通過以下2 個方面獲?。?］:①現場和實驗室試驗，結合礦山提供的有關地質資料，并對所研究區域進行現場地質調查，并取樣進行了實驗室巖石力學試驗;②經驗系數折減法，該法主要是結合實驗室實驗并參照中科院武漢巖土所有關研究經驗將試驗結果通過折減系數對其進行弱化處理。最終得到實驗模擬所需的礦巖體的物理力學參數，見表1 所示。

表1 礦體及圍巖物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of ore body and surrounding rock

2.2.2 相似材料的研制

相似實驗配比過程中，分別將模擬巖石的抗壓強度和容重轉換為相似小試塊的抗壓強度和容重，再進行試塊配比試驗，其中本次實驗參數的確定主要是以單軸抗壓強度和容重作為主要試驗相似配比的標準，為了減小實驗誤差，對于同一配比號，做3 個試件，取3 個試件容重和單軸抗壓強度的平均值分別作為這組試塊的容重和抗壓強度。經過多種不同組分和配比的相似材料物理力學參數的測定，最終選取:①重晶石粉、細砂、石膏、水按67∶55∶4∶20 配比作為花崗巖的相似材料;②重晶石粉、細砂、石膏、水按50∶63∶2∶17 配比作為矽卡巖的相似材料;③重晶石粉、細砂、石膏、水按42∶68∶2∶15 配比作為閃長巖的相似材料;④重晶石粉、細砂、石膏、水按35∶47∶1.5∶13 配比作為大理巖的相似材料;⑤重晶石粉、細砂、石膏、水按42∶68∶2∶15 配比作為亞砂土的相似材料;⑥重晶石粉、鐵礦粉、細砂、石膏、水按21∶78∶40∶8∶16 配比作為磁鐵礦的相似材料。

2.3 監測手段及監測內容

為了分析地表位移隨工作面的推進相應沉降變化情況，結合實驗室現有試驗條件，在地表共放置5個百分表，其中地表攔洪壩由于是本次試驗研究的重點觀察部位，所以該處設置3 個百分表，從左到右依次編號為1、2、3、4、5 號百分表。同時為有效反映隨著工作面的推進礦體上覆巖層的應力應變變化，根據所研究區域的研究重點，盡可能地捕捉地下開挖引起的地表變形特點，因此在地表攔洪壩的下部采用10 cm×15 cm 的網格式布置，布置3 排，且在掛幫礦V1、V2號礦體上方均勻布置7 個監測點，具體監測點編號布置見圖2 所示。在上述編號點位置用502 膠水作為黏接劑相應地黏貼上電阻應變片(規格BF －120 － 40AA)，將電阻應變片通過導線連接上BX2011C1 型力學綜合參數測試儀，同時連接上計算機進行相關調試，為正式測試做準備。

圖2 模型監測點布置Fig.2 Layout of monitoring point in the model

2.4 試驗基本步驟

在布置好觀測點及設備以后，記錄初始讀數，即可開始進行開挖與沖填。本次試驗模擬的開挖充填順序依據圖1 中3 部分礦體依次分為3 步進行回采，開挖先后順序為掛幫礦V1號礦體→掛幫礦V2號礦體→掛幫礦V3號礦體，每個礦體再按照礦山設計參數分為4 個分段進行開采，從下往上，依次分為－130～－150 m，－110 ～－130 m，－90 ～－110 m，－75 ～－90 m 計4 個分段。整個試驗將礦體分為12 個步驟進行開采，第1 ～4 步依次從下向上開采V1號礦體，第5 ～8 步依次從下向上開采V2號礦體，第9 ～12 步依次從下向上開采V3號礦體，每一次開挖和充填完成以后相應地記錄百分表和力學綜合參數測試儀的數據，為后期地表位移和覆巖應力應變分析做好準備。

3 試驗結果與分析

3.1 掛幫礦開采對地表變形的影響分析

根據在模型地表布置的5 個百分表測點的觀測結果，繪制出地表沉降位移隨開采步數的變化曲線如圖3 所示。

圖3 地表沉降位移與開挖步數變化曲線Fig.3 Variation curve of surface subsidence displacement with excavation steps

由圖3 可以看出，在開挖至第4 步即V1號礦體－150 ～－75 m 段開挖完畢之后，地表除了礦體上方的百分表5 測點下沉量明顯以外，其他各測點的下沉位移量很小，其中百分表5 最大測量值為－0.21 mm(相當于工程原型的8.4 cm)。在開挖至第8 步即V2號礦體－150 ～－75 m 段開挖完畢之后，地表布置的百分表4 沉降量有明顯增加，結合圖2 充分說明了礦體地下開采所造成的地表沉陷區域主要位于采空區正上方，并以采空區為中心向外發展。當第12 步即V3號礦體－150 ～－75 m 段開挖完畢之后，發現隨著開挖步次的不斷推進，地表各監測點沉降位移都有增加，其中地表最大沉降位移發生在5 號百分表測點上，最大沉降位移為－0.35 mm(相當于工程原型的14 cm)。由于百分表5 位于V1號礦體上方，從其位移變化數據可以看出，隨著開挖步次的增加，其沉降位移在緩慢地增大，說明地表沉降明顯滯后于采礦，地表沉降的時間效應非常明顯。

3.2 掛幫礦開采對攔洪壩的影響分析

通過圖3 百分表記錄的數據可以看出，隨著掛幫礦的不斷開采，地表的影響范圍在逐漸地增大。其中對攔洪壩區域的監測主要是利用百分表1、2、3 的實時監測，從圖3 中變化曲線趨勢還可以知道，當掛幫礦V1和V2號礦體開采完畢時，攔洪壩區域地表沉降較小，其最大沉降值發生在第8 步開采結束后，此時最大沉降值為－0.05 mm(相當于工程原型的2.0 cm)。當繼續開挖掛幫礦V3號礦體時，百分表1、2、3的數據都有突變，這表明掛幫礦V3號礦體的開采對地表攔洪壩的沉降產生了較大影響，隨著V3號礦體全部開采完畢，地表攔洪壩范圍內最大沉降值達到－0.26 mm(相當于工程原型的10.4 cm)，對地表攔洪壩水庫的安全運行構成了威脅。

3.3 上覆巖層應變變化特征分析

為了監測地下掛幫礦開采對上覆巖層擾動的應變變化規律，在巖層的關鍵位置設置了應變片進行監測，利用應變片可以監測巖層變化的微小應變。隨著礦體的開挖不斷推進，各個測點的相對位置逐漸在變化，各測點的壓力變化不同，測得的應變值也不同，利用力學綜合參數測試儀采集應變數據，各監測點隨開挖步數推進的應變變化規律如圖4 所示。

圖4 各監測點應變變化Fig.4 Strain figure of monitoring points

由圖4(a)可以觀察到當掛幫礦從第1 步開采至第8 步即V1和V2號礦體開采完畢時，攔洪壩區域以下的監測點應變值變化很小，幾乎不變，結合監測點布置圖可知，由于掛幫礦V1和V2號礦體遠離攔洪壩，因此開采掛幫礦V1和V2號礦體對攔洪壩區域的影響較小。從圖4(a)中拐點出現的開挖步數可知，當開采至第9 步即掛幫礦V3號礦體開始回采時，攔洪壩區域以下的監測點應變突然變大，說明掛幫礦V3號礦體的開采對攔洪壩產生了顯著影響，當開挖至第12 步時，位于礦體正上方的最近2 排監測點的應變值從負值變化為正值，即表示其應力變化由壓應力突然轉化為拉應力，拉應力的出現對開采安全產生了影響，容易造成冒頂片幫事故的發生，當拉應力達到巖石的極限抗拉強度時，圍巖會發生破壞，可能造成攔洪壩區域的節理裂隙的不斷發育，最終連通攔洪壩水庫可能造成淹井事故的發生。

由圖4(b)中監測點應變變化曲線可知，當掛幫礦V1號礦體開采過程中也即開挖步次從第1 步至第4 步，均是測點2 －15 的應變值最大，且2 －13、2 －14、2 －15 測點的應變值在同步次監測值里都是較大的，表明礦體開挖主要影響區域是礦體開采周圍擾動區域，離采空區越遠的監測點，受到的擾動越小，應變值越小。當掛幫礦V2號礦體回采過程中開挖至第8步次時，測點2 －12、2 －13 應變值陡然上升，說明隨著礦體開挖越接近地表，其頂板上部會出現急劇的應力集中，在開采過程中，一定要注意對頂板的及時監測和處理。

4 掛幫礦開采安全隱患及防治措施

通過對實驗室相似模擬試驗結果的分析，并綜合考慮礦山地質、掛幫礦礦體特征、開采技術條件等因素，結合現場實際勘察情況分析掛幫礦開采存在的安全隱患主要包括:①水庫發生潰壩事故;②井下淹井事故;③地表突然沉陷災害;④冒頂片幫事故等。根據掛幫礦開采潛在的安全隱患，特制定掛幫礦開采安全防治措施如下:①對掛幫礦采用充填法進行開采;②加強對水庫安全監測和地表裂縫注漿封堵處理;③對掛幫礦采取試探開采的原則并合理控制回采進度;④礦山組織設計應急防水避災線路并定期進行井下避災演習;⑤加強地表移動、變形監測工作，達到提前預防災害的目的。

5 結 論

(1)通過實驗室相似模擬試驗結果可知，隨著掛幫礦礦體的回采，地表變形范圍不斷加大，采空區上方的圍巖產生變形，局部地方由壓應力轉化為拉應力，將對地表攔洪壩的安全運行產生危害。

(2)當掛幫礦V1和V2號礦體開采時，攔洪壩區域地表沉降和應變變化較小，其中掛幫礦V3號礦體的開采會導致攔洪壩的變形以及攔洪壩與V3號礦體之間的圍巖變形急劇增加，使攔洪壩與V3號礦體之間的裂隙進一步擴展，危及程潮鐵礦主采區的安全，因此建議V3號礦體不予開采，V1和V2號礦體應該按照開采技術規范要求安全回采。

(3)礦山應采取合理的安全防范措施保證掛幫礦的安全生產，建議采用充填法對礦體進行回采，平時加強對攔洪壩水庫水位的監測，及時對地裂縫進行注漿封堵處理，并采用試探開采的原則全面保證礦體的安全回采。

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