復雜條件下不規則空區圍巖冒落時空演化特征研究

任鳳玉 張 晶 何榮興 李廣輝 鄒開華

(東北大學資源與土木工程學院，遼寧沈陽110819)

采空區圍巖冒落一直是采礦工程領域的研究熱點之一，其一方面威脅礦山生產安全，需采取必要的安全措施進行防護[1-3];另一方面可通過優化采礦工藝等手段來處理礦山安全危害，如誘導冒落法[4-6]，借助相應冒落控制工程誘導采空區頂板冒落[7]，并輔以一定的安全措施[8-9]，可保障礦山安全生產，同時創造較為可觀的經濟效益，故針對采空區圍巖冒落的研究具有非常重要的現實意義。

目前，針對空區圍巖冒落的研究成果主要集中在規則空區頂板巖層的斷裂、失穩及垮冒等的動態演化過程，且空區圍巖巖性大多較為單一。復雜條件下不規則空區圍巖冒落較為特殊，空區的不規則性，尤其是具有一定傾角的不規則空區，極易誘導空區圍巖橫向冒落，其冒落方向不再局限于頂板冒落?？諈^圍巖冒落的研究方法大致可分為理論模型、物理試驗與數值模擬3類。冒落拱力學模型[10-12]可得到采空區臨界冒落跨度與冒落高度的關系式，進而預測采空區圍巖冒落范圍，但不適用于研究不規則空區圍巖冒落的時空演化特征。物理試驗[13-15]可較好地貼近現場實際，但該方法耗時較長，且成本較高。隨著數值模擬軟件的更新換代，多數學者利用離散元數值模擬來研究空區圍巖冒落的動態演化特征。楊忠平等[16]以“8·28普灑特大崩滑災害”為工程背景，基于UDEC研究了采動作用下巖溶坡體冒落帶與裂隙帶的時空發展規律;潘俊鋒等[17]利用3DEC研究了采空區上覆頂板巖層分段垮落形態及采動圍巖中的巖層塊體垂直應力、水平應力的動態演化特征。楊志超[18]利用3DEC研究了采空區裂隙巖體在開采前后冒落帶的變化規律;朱鵬瑞等[19]基于3DEC離散元方法研究了單組結構面以及多組結構面對采空區穩定、塌落及滑移的影響;LANNUZZO等[20]基于3DEC研究了拱形砌體結構大規模失穩破壞機制，并提出大范圍的位移依賴于破壞機制與結構內部應力狀態兩方面。以上研究成果主要考慮了空區圍巖性質、巖體結構面及采動應力等影響因素，但空區圍巖性質較為單一，且多為規則空區開挖，忽略了空區自身形態對圍巖冒落的影響。

為研究復雜條件下不規則空區圍巖冒落的時空演化特征，以石人溝鐵礦不規則、埋深大、規模大、且位于主要生產區域的M2主空區為例，提出集三維探測、三維建模與三維數值模擬于一體的不規則空區圍巖冒落范圍預測方法，基于不規則形態特征與復雜的周邊地質環境，利用離散元軟件3DEC研究周邊空區開挖形成的采動應力影響下的M2主空區圍巖時空演化特征，得到該空區圍巖最大冒落范圍，并據此劃分石人溝鐵礦各生產水平的安全隔離區，確保M2主空區安全治理及其周邊礦體安全生產。

1 不規則M 2主空區形成特點

石人溝鐵礦為鞍山式磁鐵礦床，-60 m以下水平應用分段鑿巖階段空場嗣后充填法開采。-210 m階段為礦山采礦權范圍內最后一個階段，開采M2礦體期間因下部民采空區突然冒透-210m水平10#穿脈，隨后空區冒落高度與寬度不斷增大，并很快冒落至-165 m水平。由冒落形成的主空區，簡稱為M2主空區(高度120 m，沿礦體走向最大寬度約102 m，垂直走向最大寬度約98 m)，該空區埋深大、規模大、不規則且位于主要生產區域，同時其北側還分布4個非法盜采誘發的隱伏空區。

空區三維激光探測結果(圖1)顯示，已探測的采空區大小不等，且均為不規則采空區，其中M2主空區的高度和寬度最大，且不規則程度較大，主要表現為上寬下窄，且局部起伏面較多。鄰近M2主空區的多個采空區主要分布在M2主空區北側，為以示區別，M2主空區的周邊空區以所處穿脈命名。高度較大的周邊空區主要集中分布在7-1#～8-1#穿脈之間，其中8#穿脈盲采空區的高度最大。在-224 m水平，M2主空區出露一向北延伸的采空區(即9#穿脈采空區)。該空區的高度及寬度均相對較小，但該空區在-224 m水平與M2主空區貫通，勢必會引導M2主空區圍巖的冒落方向。

圖1 空區三維激光探測結果Fig.1 3D laser detection results of goaf

不規則M2主空區形成條件的復雜性及周邊空區空間分布的不規律性，嚴重制約了主空區的安全治理及其周邊礦體安全生產。因M2主空區圍巖冒落特征較難表述，在不清楚M2主空區圍巖冒落范圍的前提下，石人溝鐵礦初步劃定的安全隔離區廢置了大量采準巷道和中深孔穿孔工程，同時極大縮減了可回采礦量，使該礦產能無法有效銜接。故有必要研究M2主空區圍巖冒落范圍，重新劃定各生產水平的安全隔離區，保障周邊礦體安全生產。

2 不規則M 2主空區圍巖冒落時空演化特征

為保障M2主空區安全治理與周邊礦體安全生產，本研究提出了集三維探測、三維建模與三維數值模擬于一體的不規則空區圍巖冒落范圍預測方法，其對應的技術流程如圖2所示。首先，利用三維激光掃描技術探測空區形態與位置分布;其次，基于三維探測結果，在Rhino軟件中利用復雜地層條件和空區最大不規則斷面建立三維數值模型;再通過3DEC研究周邊空區開挖形成的采動應力影響下的M2主空區圍巖時空演化特征，得到空區圍巖最大冒落范圍;最后以空區水平截面半徑和橫向最大冒落范圍之和確定安全隔離區半徑，保障空區安全治理與周邊礦體安全生產。

圖2 不規則空區冒落范圍預測技術流程Fig.2 Technical flow of the prediction of irregular caving goaf

2.1 數值模型及力學參數

考慮M2主空區及其周邊空區不規則程度較大，空區模型以主空區最大斷面(圖1(b))為依據，按垂直于礦體走向的最大寬度進行拉伸。如圖3(a)和圖3(b)所示，數值模型尺寸(長×寬×高)為560 m×600 m×553 m，長度方向(x軸)為垂直礦體走向方向，寬度方向(y軸)為沿礦體走向方向，斷層產狀傾向為115°，傾角為 14°。0 m水平以上的礦體為露天轉地下遺留礦體;0～-60 m水平的礦帶因淺孔留礦法遺留大量采空區，且目前因采場封堵無法對該區域進行空區信息收集，數值模擬時，將其簡化為低于充填體力學性質的松散巖體，命名為老窿空區;介于兩條礦體之間的巖層稱為礦巖夾層;-60～-165 m水平的礦體已應用分段空場嗣后充填采礦法開采，命名為充填體。

數值模型中巖體的力學模型采用莫爾-庫倫模型，結構面本構模型采用庫侖-滑移模型。模型進行數值計算的邊界條件為位移邊界條件:①模型左右邊界固定約束在x=0和y=560 m，限制y方向的速度;②前后邊界固定約束在y=-170m和y=430m，限制y方向速度;③底部邊界固定約束在z=-400 m為固定邊界;④頂部邊界為自由面，不施加約束。

巖體物理力學參數如表1、表2所示，礦體、上盤圍巖、下盤圍巖、礦巖夾層及充填體根據地質條件、現場調查和室內試驗獲取，老窿空區根據空區調查資料和模擬經驗取值。如圖3(c)所示，結構面可分為礦巖交界面和斷層兩類，其力學參數均結合礦山相關資料與模擬經驗取值，數值模型中包含了結構面彈性剛度及摩擦特性等，符合巖體的基本特征。

表1 巖體物理力學參數Table 1 Rock mass physical and mechanical parameters

表2 結構面力學參數Table 2 Mechanical parameters of structural plane

圖3 基于Rhino構建的3DEC數值模型Fig.3 3DEC numerical model established by Rhino

石人溝鐵礦礦區水文地質條件較為簡單，周邊水系不發育，斷裂構造多屬壓性斷裂，未形成地下水的良好循環通道，因此模型計算時不考慮孔隙水壓力?？諈^圍巖某一點的運動軌跡主要為水平方向的移動量與豎直方向的下沉量，水平方向的移動與水平構造應力方位大小等因素密切相關，其移動規律較為復雜多變，故本研究數值模型僅考慮自重應力和采動應力。模型在自重應力作用下達到初始應力平衡后進行開挖，空區開挖順序為:①M2主空區→②9#穿脈采空區→③8#穿脈采空區→④8#穿脈盲采空區→⑤7#穿脈采空區。

2.2 數值模擬結果分析

不規則M2主空區規模較大，且同時貫穿多種巖層，按不同截面選取的數值模擬結果略有不同。為觀察按空區開挖順序得到的M2主空區圍巖的冒落及裂隙擴展情況，選擇法向方向為(1，0，0)且過坐標點(250，0，280)的截面(圖4)進行討論。由圖4可知:M2主空區冒落位置主要集中在頂板和北側圍巖，表明該空區將沿高度(z軸)和寬度(y軸)兩個方向同時擴大。

圖4 M 2主空區圍巖沿礦體走向方向的冒落及裂隙擴展Fig.4 Caving and fracture propagation of surrounding rock along orebody strike direction of M 2 main goaf

M2主空區開挖后(圖3(a))，在開挖擾動作用下，受結構面、主空區形態及尺寸等因素影響，主空區圍巖裂隙相互貫通，貫通形成的巖塊在擠壓作用下未發生較大冒落。9#穿脈空區與M2主空區在-224 m水平處貫通，由圖4(b)可知，對主空區圍巖的冒落及裂隙發育影響較大，裂隙擴展邊界線以內，裂隙相互貫穿形成裂縫，冒落巖塊基本脫離主空區圍巖。8#穿脈空區開挖后(圖4(c))，其開挖擾動對M2主空區圍巖內部應力狀態影響較大。在8#穿脈空區開挖的采動應力作用下，伴隨原生裂隙擴展和新生裂隙發育，M2主空區頂板及北側圍巖出現大量巖塊冒落。由圖4(d)及圖3(e)可知，8#穿脈盲空區和7#穿脈空區開挖后，因兩者距離M2主空區較遠，其采動應力對主空區圍巖影響較小，主空區冒落范圍及裂隙擴展邊界未發生明顯變化。

沿礦體走向方向M2主空區圍巖冒落規模最大的截面(圖 5)過點(280，0，280)，此處可見 9#穿脈空區與M2主空區貫通于-224 m水平，因空區的相互貫通極易引導圍巖冒落，使得M2主空區圍巖貫通處產生嚴重破壞。由圖5可知:M2主空區北側圍巖冒落范圍明顯大于南側圍巖，其與主空區下部圍巖的傾斜相關。主空區形態決定了北側圍巖屬于弱面，加之周邊空區全部分布在北側，更加劇了主空區北側圍巖的冒落，使得主空區沿礦體走向方向的跨度明顯增大。

圖5 M 2主空區側向圍巖最大冒落規模截面Fig.5 Section of maxim um caving scale of lateral surrounding rock in M 2 main goaf

M2主空區圍巖在開挖擾動作用下內部應力重新調整，受礦巖交界線及斷層的影響，調整后的應力使周邊圍巖沿層面破壞或者超過自身強度而失穩。M2主空區圍巖破壞后又形成新的應力平衡，在不斷的應力調整、空區開挖、圍巖失穩的循環中，最終達到應力平衡，使M2主空區周邊圍巖趨于穩定。圖5顯示，在自重應力和采動應力影響下，M2主空區圍巖的冒落形態近似于拋物線拱形，在空區跨度不再變化的前提下，主空區圍巖可能趨近于此冒落拱形處于穩定狀態。

經統計，-165～-210 m之間各分段水平沿礦體走向方向M2主空區圍巖的最大冒落范圍如圖6所示。8#穿脈盲空區和7#穿脈空區開挖后不影響M2主空區圍巖冒落范圍。受開挖擾動及斷層影響，8#穿脈空區開挖結束后，-165～-210 m各分段水平沿礦體走向方向M2主空區圍巖的最大冒落范圍分別為48.31、41.23、36.75、45.32 m，其中-165 m水平M2主空區圍巖冒落范圍較大的原因與初始和最終的冒落拱形態相關，由圖5可知，-165 m水平冒落邊界實際位置位于其他分段水平之前。

圖6 M 2主空區側向圍巖最大冒落范圍Fig.6 Maximum caving range of the lateral surrounding rock of M 2 main goaf

3 安全隔離區劃定

對采空區上覆圍巖陷落危害的防治原則是圈定陷落范圍(可稱為安全隔離區)并使之隔離，避免人員與設備遭遇陷落，安全隔離區可按各水平主空區圍巖橫向最大冒落范圍劃定。因-210 m水平以下不在采礦權范圍內，只需針對-165～-210 m水平劃分安全隔離區。由M2主空區圍巖冒落時空演化特征可知，主空區圍巖在-165～-210 m各分段水平沿礦體走向方向的最大冒落范圍分別為 48.31、41.23、36.75、45.32 m。假設主空區上部最終冒落形態為橢球體，則在各水平的截面應為圓形，所以安全隔離區應為包含橫向最大冒落范圍的圓形區域，其半徑為各水平空區截面半徑與橫向最大冒落范圍之和，按此方法重新劃定的安全隔離區如圖7所示。

圖7 生產水平的安全隔離區Fig.7 Safety isolation areas at the production levels

圖7所示的安全隔離區是為了保護空區邊壁穩定性而設置的內部不能開采的區域，隔離區北側礦體因周邊空區的隱伏性暫不開采，可待空區回填后開采，但隔離區南側礦體均可正常投入回采。

石人溝鐵礦在M2主空區形成初期，在未提前掌握M2主空區圍巖冒落規律的前提下，劃定的安全隔離區為:①-210 m水平所有區域;②-195 m水平11-2#穿脈以北M 1以及11-4#穿脈以北M 2所有區域;③-180 m水平9#～12#穿脈之間所有區域;④-165 m中段5#～13#穿脈之間所有區域。相較而言，本研究劃分的安全隔離區在各水平可采礦體范圍均有增加，如:①-210 m水平11#穿脈礦體以南均可開采;②-195 m水平10-4#穿脈以南礦體均可開采;③-180 m水平10-4#穿脈以南礦體均可開采;④-165 m中段10-2#穿脈以南礦體均可開采。增加可采礦量約 112.5 萬 t，且-180 m水平和-195 m水平部分采準巷道和中深孔穿孔工程均可利用，預計產能可達100萬t/a，相較原調整后的60萬t/a增效明顯，且井下回采工序可維持正常。

4 結 論

(1)不規則空區受限于巖性、斷層、節理、空區形態及周邊空區等復雜條件，其圍巖冒落特征難以進行深入分析。本研究提出了集三維探測、三維建模與三維數值模擬于一體的不規則空區圍巖冒落范圍預測方法，可為類似不規則空區圍巖冒落特征分析提供一定的借鑒。

(2)石人溝鐵礦不規則M2主空區圍巖冒落時空演化分析顯示，M2主空區圍巖冒落活動在向上擴展的同時，也在沿礦體走向方向發展，北側圍巖受空區形態及周邊空區影響極易冒落，空區治理應著重防治M2主空區側向圍巖的陷落危害。

(3)M2主空區的最大斷面位于沿礦體走向方向，基于此建立的3DEC數值模型，其數值計算結果可為M2主空區圍巖沿礦體走向方向的冒落特征分析提供依據，但不適用于研究M2主空區垂直走向方向的冒落特征，該部分將在后續工作中進行分析。