某金屬礦山充填法開(kāi)采下覆巖塌陷失穩(wěn)機(jī)理研究

陳建新，王堃

(1.貴州錦豐礦業(yè)有限公司， 貴州 黔西南州 562204；2.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院， 北京 100083)

0 引言

充填采礦法因其在環(huán)境保護(hù)、地壓控制、深部資源的開(kāi)發(fā)利用等方面具有良好的效果，現(xiàn)已成為行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。許多專(zhuān)家學(xué)者開(kāi)展了大量的研究工作，普遍認(rèn)為：基于充填法開(kāi)采的礦山將不會(huì)發(fā)生大規(guī)模的巖體移動(dòng)[1-4]。馬鳳山等[5]對(duì)金川二礦區(qū)分層充填體的失穩(wěn)可能性進(jìn)行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)充填體整體上將不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)垮塌，但可能發(fā)生局部的輕微變形。曹帥等[6]利用UDEC研究了程潮鐵礦不同水平礦體開(kāi)采時(shí)位移場(chǎng)的變化規(guī)律，研究表明充填法對(duì)控制副井沉降和地表移動(dòng)具有良好的效果。但某金屬礦山發(fā)生了一起在充填采礦史上比較罕見(jiàn)的采空區(qū)上覆巖體垮塌事故[7]，由此引發(fā)了國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者對(duì)此次事故的關(guān)注，充填采礦法在某些條件下，不僅不能有效控制上覆巖層的變形和移動(dòng)，還存在可能發(fā)生垮塌失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。

本文以該金屬礦山某厚大充填體上覆巖體塌陷失穩(wěn)段為研究對(duì)象，通過(guò)地表GPS巖移監(jiān)測(cè)、理論分析及數(shù)值模擬反演等手段，論證該金屬礦山充填法開(kāi)采中造成覆巖塌陷失穩(wěn)的事故原因及作用機(jī)理。

1 工程概況

1.1 區(qū)域地質(zhì)條件

受晚加里東運(yùn)動(dòng)、印支-燕山運(yùn)動(dòng)等影響，某礦區(qū)構(gòu)造發(fā)展極為復(fù)雜，礦區(qū)位于上升地帶龍首山西側(cè)，主要受F8斷層影響。F8斷層走向EW，傾向S，傾角為60°～75°，斷裂帶全長(zhǎng)近3 km，礦巖破碎，構(gòu)造較為發(fā)育，如圖1所示。

圖1 某金屬礦山礦體分布

1.2 開(kāi)采現(xiàn)狀

某金屬礦山采用雙中段六角形下向進(jìn)路膠結(jié)充填法開(kāi)采，即1430 m中段及1554 m中段。每個(gè)分段劃分為6個(gè)采場(chǎng)，進(jìn)路垂直礦體走向布置。首采標(biāo)高為 1642 m，截止充填體坍塌失穩(wěn)事故發(fā)生時(shí)，1430 m中段已回采至1514 m分段，1554 m中段已回采至 1610 m 分段，在 1610～1640 m以及1514～1554 m 分別形成 27.3 m 及 42.5 m 厚的膠結(jié)充填體，如圖2所示。

圖2 礦區(qū)采場(chǎng)充填體分布

2 充填體塌陷破壞情況

2.1 地表GPS巖移監(jiān)測(cè)

該金屬礦山GPS巖移監(jiān)測(cè)網(wǎng)共有1，3，5，7，9，11，13，15等8條行線(xiàn)，沿每條行線(xiàn)以50 m間距布設(shè)20個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，構(gòu)成了一個(gè)700 m×1000 m的監(jiān)測(cè)網(wǎng)。截止覆巖塌陷發(fā)生前，已經(jīng)進(jìn)行了8個(gè)周期的變形監(jiān)測(cè)工作，監(jiān)測(cè)網(wǎng)及地表塌陷區(qū)如圖3所示。

圖3 監(jiān)測(cè)網(wǎng)及地表塌陷區(qū)示意

2.1.1 GPS水平位移監(jiān)測(cè)

水平位移量較大點(diǎn)位移逐半年時(shí)段累積變化量如圖4所示。在2012—2015年監(jiān)測(cè)期間，其累計(jì)水平位移量近似線(xiàn)性變化，8個(gè)監(jiān)測(cè)周期內(nèi)，累積水平位移量最大為 138 mm。塌陷發(fā)生時(shí)，塌陷范圍內(nèi)的測(cè)點(diǎn)水平位移量呈現(xiàn)出突變，單時(shí)段水平位移量最大為464 mm。測(cè)點(diǎn)7-11的45個(gè)月累積水平位移量最大為545 mm，水平位移最大測(cè)點(diǎn)由5-12變?yōu)?-11。

圖4 監(jiān)測(cè)網(wǎng)水平位移量

2.1.2 GPS垂直位移監(jiān)測(cè)

地表沉降中心的位置與地下開(kāi)采區(qū)域密切相關(guān)，經(jīng)過(guò)分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，發(fā)生塌陷前，沉降中心位于7-11測(cè)點(diǎn)附近，其接近礦體地表投影中心位置。在沉降中心區(qū)域內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降速率較為穩(wěn)定，該沉降中心8個(gè)周期內(nèi)的最大下沉量為208 mm（測(cè)點(diǎn) 7-11）。發(fā)生塌陷后，沉降中心變?yōu)橐詼y(cè)點(diǎn)7-11和測(cè)點(diǎn)5-11連線(xiàn)為長(zhǎng)軸的近似橢圓形區(qū)域，沉降量最大測(cè)點(diǎn)由測(cè)點(diǎn)7-11變?yōu)闇y(cè)點(diǎn)5-11，即沉降中心向F8斷層方向發(fā)生了移動(dòng)。塌陷時(shí)單時(shí)段內(nèi)最大下沉量為1144 mm（測(cè)點(diǎn)5-11），累計(jì)下沉量為1279 mm，如圖5所示。

圖5 監(jiān)測(cè)網(wǎng)垂直位移云圖及垂直位移量

2.2 地表變形情況

充填體塌陷后，經(jīng)地表F8斷層出露區(qū)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)查看和實(shí)地測(cè)量發(fā)現(xiàn)，地表塌陷區(qū)主要位于勘探線(xiàn)5～7行之間，在130 m×170 m的區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)3條明顯的連續(xù)裂縫，最長(zhǎng)的地裂縫約100 m，最大寬度為 1.5 m，深度約 1 m，塌陷區(qū)面積約為19000 m2，主要變形情況如圖6所示。

圖6 塌陷區(qū)地表變形情況

2.3 井下巷道變形破壞情況

經(jīng)過(guò)實(shí)地勘察發(fā)現(xiàn)，巷道破壞最嚴(yán)重的為1610 m分段（見(jiàn)圖7）。1610 m分段5行分層聯(lián)絡(luò)道114 m處起充填體穿脈道兩幫嚴(yán)重破壞，充填體塊狀破碎，喪失支撐能力，進(jìn)而在重力作用下發(fā)生垮塌冒落，堵死采場(chǎng)進(jìn)出口。7行分層聯(lián)絡(luò)道89 m處起巷道兩幫也發(fā)生破壞，充填體脫層冒落。9～11行無(wú)明顯變形，僅支護(hù)層在沖擊地壓的作用下發(fā)生部分脫落現(xiàn)象，這一現(xiàn)象也說(shuō)明了巷道越靠近F8斷層發(fā)生的破壞越嚴(yán)重。

圖7 塌陷區(qū)地下巷道破壞情況

3 基于理論分析的失穩(wěn)機(jī)理研究

當(dāng)1544 m和1610 m雙中段開(kāi)采引起的應(yīng)力疊加共同作用于礦巖接觸帶周邊時(shí)，尤其是上述載荷傳遞至F8斷層時(shí)，由于F8斷層的抗剪切強(qiáng)度較低，在高應(yīng)力集中作用和采礦活動(dòng)的持續(xù)擾動(dòng)下，F(xiàn)8斷層出現(xiàn)活化，并產(chǎn)生緩慢的變形，形成自礦巖接觸帶周邊向回采區(qū)域中心不斷加大的下向位移。隨著采動(dòng)影響的進(jìn)一步擴(kuò)大，F(xiàn)8斷層附近的巖體積聚了大量的變形能，當(dāng)達(dá)到臨界平衡時(shí)，斷層將出現(xiàn)突然滑動(dòng)，并對(duì)1610 m中段和1554 m中段的回采工作面礦巖形成沖擊，造成回采區(qū)域內(nèi)部巷道破壞失穩(wěn)。當(dāng)圍巖系統(tǒng)積聚的能量得以大范圍釋放后，斷層停止滑動(dòng)，圍巖系統(tǒng)趨于靜止。

伴隨著斷層活化作用的發(fā)生，靠近F8斷層一側(cè)圍巖將進(jìn)一步發(fā)生更為劇烈的滑移，故不能再看成固定端而應(yīng)視為自由端。并且在1544 m和1610 m兩個(gè)同時(shí)向下回采的中段之間，存在66 m厚的待開(kāi)采礦體，該礦體可以近似為一個(gè)水平礦柱。由于該礦柱下部厚度超過(guò)30 m的充填體的彈性模量相對(duì)圍巖來(lái)說(shuō)非常小，所以在此處充填體形成了一種“類(lèi)空區(qū)”，因此可將該水平礦柱視做懸臂梁來(lái)進(jìn)行分析，如圖8所示。

圖8 懸臂梁理論分析示意

為了更好地分析礦體懸臂梁的受力及變形，建立坐標(biāo)系如圖8（b）所示，從坐標(biāo)為x的任意截面處截開(kāi)，考慮右側(cè)部分（l-x）的平衡，可得懸臂梁的剪力方程：

式中，F(xiàn)S(x)為懸臂梁所受到的剪力，N；q為均布荷載，N/m2；l為懸臂梁長(zhǎng)度。

而在大多數(shù)工程計(jì)算中，所關(guān)心的不僅是剪力，更多的是考察梁在荷載作用下發(fā)生變形量大小，所以首先推導(dǎo)建立梁的撓曲線(xiàn)方程為：

隨著礦區(qū)的不斷開(kāi)采，懸臂梁受到上覆巖層向下的載荷作用。由式（1）可知，懸臂梁上各截面所受的剪力與臂長(zhǎng)呈線(xiàn)性關(guān)系，即隨著臂長(zhǎng)的增大，其剪力逐漸變小，最大剪力作用在懸臂梁的根部。由式（2）可知，梁發(fā)生的形變隨著懸臂梁長(zhǎng)度的增加而增加，當(dāng)由臂長(zhǎng)增加引起的形變達(dá)到一定程度時(shí)，該狀態(tài)將難以維持，懸臂則會(huì)突然斷裂，釋放出巨大的能量，形成沖擊載荷，并最終導(dǎo)致開(kāi)采區(qū)域及其上覆巖層至地表的失穩(wěn)塌陷，如圖9所示。

圖9 懸臂梁理論失穩(wěn)機(jī)理簡(jiǎn)圖

4 塌陷過(guò)程數(shù)值模擬反演與驗(yàn)證

本文借助數(shù)值模擬方法，對(duì)采礦及破壞的過(guò)程進(jìn)行了反演，通過(guò)對(duì)比模擬和實(shí)際的位移場(chǎng)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證破壞機(jī)理分析的合理性。

4.1 計(jì)算模型與參數(shù)選取

所建模型如圖10所示，長(zhǎng)600 m，水平最大寬度為200 m，平均寬為98 m。模型采用四面體單元進(jìn)行剖分，共劃分了7323個(gè)節(jié)點(diǎn)，28894個(gè)單元。模型剖分完畢后，將其導(dǎo)入FLAC3D中進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。模擬中所使用的巖石類(lèi)型及充填的物理力學(xué)參數(shù)來(lái)源于現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)査和相關(guān)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，見(jiàn)表1。

圖10 礦體三維模型

表1 巖石及充填體物理特性參數(shù)

4.2 約束條件和本構(gòu)模型

計(jì)算模型地表為自由邊界，底部固定Z向位移，X=4000和X=5500均固定X向位移，Y=8500和Y=9500均固定Y向位移。在自重作用下生成初始應(yīng)力場(chǎng)，然后位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)清零，按照公式（3）施加構(gòu)造應(yīng)力。

計(jì)算中采用應(yīng)變軟化模型模擬巖體峰后強(qiáng)度逐步降低的性質(zhì)，計(jì)算模型的本構(gòu)關(guān)系選擇 Mohr-Coulomb彈塑性模型。

4.3 計(jì)算方案的選取

在模擬中采用分層開(kāi)挖的方式，按照實(shí)際開(kāi)采進(jìn)度，分1650～1610 m水平中段和1554～1514 m水平中段按照雙中段下向開(kāi)采，每次開(kāi)挖一個(gè)邏輯塊體，隨即將其充填，如此往復(fù)，直至把水平礦柱全部采完。

4.4 位移場(chǎng)變化規(guī)律

圖11為模擬地下礦體開(kāi)采引起的地表豎直位移云圖，其中圖11（a）為仰視角度下的豎直位移云圖，用以觀測(cè)礦體內(nèi)部豎直位移的變化，圖11（b）為俯視角度下的位移云圖，用以觀察地表豎直位移的變化。

圖11 地表豎直位移云圖

由圖11（a）可知，最大變形區(qū)域位于靠近斷層一側(cè)的上部礦體及其上的充填體，最大沉降量為1.69 m。這種巖移矢量傳遞至地表時(shí)會(huì)使地表產(chǎn)生沉降，即在斜上方的礦體投影區(qū)內(nèi)形成地表的沉降中心。采動(dòng)引起的變形會(huì)使斷層部位出現(xiàn)應(yīng)變和應(yīng)力的積累，從而使斷層的臨界平衡狀態(tài)被打破，斷層帶出現(xiàn)滑移，從而使水平礦體靠近斷層的一側(cè)變?yōu)榱俗杂啥恕?/p>

由圖11（b）可知，礦體發(fā)生破壞后，地表即出現(xiàn)明顯的沉降中心，沉降中心位于勘探線(xiàn)7（5）行附近（測(cè)點(diǎn)7-11），沉降范圍為勘探線(xiàn)5～9行之間，其中所采礦體也大致位于此區(qū)域，可知礦體開(kāi)采范圍同沉降范圍具有一致性，同時(shí)也和地表的觀測(cè)和GPS監(jiān)測(cè)結(jié)果具有良好的一致性。

3 結(jié)論

（1）地表GPS巖移監(jiān)測(cè)表明，累積水平位移量最大為138 mm，塌陷發(fā)生時(shí)，塌陷范圍內(nèi)的測(cè)點(diǎn)水平位移量呈現(xiàn)出突變，單時(shí)段水平位移量最大為464 mm；累積垂直位移量最大為208 mm。塌陷發(fā)生時(shí)，沉降中心由測(cè)點(diǎn)7-11變成了靠近F8斷層的測(cè)點(diǎn)5-11，單時(shí)段內(nèi)最大下沉量為1144 mm。地表變形情況表明，地表塌陷區(qū)主要位于勘探線(xiàn)5～7行之間，在130 m×170 m的區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)3條明顯的連續(xù)裂縫。

（2）發(fā)生破壞的主要原因?yàn)閿鄬踊罨蛻冶哿浩茐摹?/p>

（3）多中段開(kāi)采使得應(yīng)力集中轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)力疊加，共同作用于礦巖接觸帶周邊，持續(xù)擾動(dòng)下，F(xiàn)8斷層出現(xiàn)活化，并逐漸積聚大量變形能，直至破壞臨界平衡，斷層發(fā)生滑動(dòng)破壞。結(jié)合懸臂梁理論分析，進(jìn)一步確定由充填體構(gòu)成的懸臂梁，其臂長(zhǎng)與形變成正比例關(guān)系，當(dāng)采礦進(jìn)路充填導(dǎo)致的臂長(zhǎng)逐漸增加，形變累積越快，直至突然發(fā)生破壞。

（4）通過(guò)對(duì)采礦的過(guò)程進(jìn)行反演，得到上覆巖體位移場(chǎng)變化規(guī)律，沉降范圍為勘探線(xiàn) 5～9行之間。模擬計(jì)算結(jié)果和地表的觀測(cè)和GPS監(jiān)測(cè)結(jié)果具有良好的一致性，驗(yàn)證了破壞機(jī)理分析的合理性。