Surface Rock Displacement Characteristics and Waste Rock Backfill Scheme of Open Pit under the Underground Mining Disturbance
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摘要:
无底柱分段崩落法常应用于黑色金属露天转地下矿山，该方法易引起露天采场边坡失稳，影响矿区周边建（构）筑物的安全。以地表斜坡坡度较陡且地形切割强烈的李家河铁矿为研究对象，依据地表航拍点云数据和生产平面图建立精细的数值模型，采用数值模拟研究地下持续开采扰动作用下的露天坑地表岩移特征，并结合地势、植被、农作物和公路等因素，对比优选合理可行的地表废石充填方案。结果显示，随着矿体逐步向深部开采，受地形和矿体分布影响，Ⅰ号矿坑呈现局部零星破坏，Ⅱ号矿坑以东北侧区域破坏为主，Ⅰ号矿坑地表沉降变化范围小于Ⅱ号矿坑，最终优选出从侧壁向中间靠拢再向北侧推进的地表废石充填方案。
Abstract:The non−pillar sublevel caving method is often used in the black metal mines with open−pit to underground, which can easily cause instability of open−pit slopes and threaten the safety of surrounding buildings in the mining area. Taking the Lijiahe Iron Mine with steep surface slopes and strong terrain cutting as the research object, a detailed numerical model was constructed based on the surface aerial point cloud data and the production plans. The numerical simulation was used to study the surface rock movement characteristics of open−pit pits under the action of continuous underground mining disturbance. In combination with the factors such as terrain, vegetation, crops, and roads, a feasible surface waste rock filling scheme was compared and selected. The results showed that the No.1 mine pit showed local sporadic damage, while the No.2 mine pit was mainly damaged in the north−eastern area under the deep mining and the terrain and distribution of the ore body. The overall surface subsidence stability of the No.1 mine pit was better than that of the No.2 mine pit. Finally, a surface waste rock filling scheme was selected that moves from the sidewall to the centre and then northwards.
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引言
崩落法或空场法矿山常因地下采空区塌冒引起地表岩移[1-3]，进而引发不同程度的地质灾害，一直是采矿工程领域的研究热点之一[4]。对于露天转地下矿山而言，地下开采扰动的持续作用极易造成上部露天采场边坡失稳[5]。当地下矿体应用无底柱分段崩落法时，露天边坡的滑移风险随地下采深增加逐步增大[6-7]，而塌陷坑废石充填可有效控制塌陷坑地表岩移和延长地下开采服务年限[8]。因此，研究地采扰动下露天坑地表岩移特征及地表废石充填方案具有十分重要的现实意义。
地表岩移的内在原因与地下采空区围岩逐步向上冒落有关，两者的动态关系常利用理论模型或数值模拟予以揭示。理论模型方面，以经典冒落模型[9]为代表，其揭示了采空区上覆岩层逐步冒透地表形成塌陷坑的全过程。数值模拟方面，韩智勇等[10]分析认为矿体倾角对地表垂直最大位移的影响程度较大；邹开华等[11]研究了开采深度与地表岩移的时空演变规律，认为随开采深度增加，地表岩移可分为持续平稳、缓慢增加与显著增加三个阶段；杨宇江等[12]提出，稳定崩落法覆盖岩层标高可有效抑制露天边坡围岩变形；同时，不少学者[13-15]研究了地下开采与露天边坡覆岩高度的动态关系。针对地表岩移范围的控制，阎佳钊等[16]针对露天采场边坡和深部开采区域的联动关系，提出削坡以减小深部采空区应力集中，进而控制边坡稳定性的方案，该方案的缺点在于工程量大且难以彻底消除边坡失稳隐患。曹建立等[17]借助物理相似实验研究了干排尾砂替代废石充填地表塌陷坑的岩移控制方法；任凤玉等[18]研究了端部放矿条件下的干排尾砂穿流特性，但干排尾砂较难精细控制，且面临的环保压力较大。也有学者[19-21]基于临界散体柱原理，分析了塌陷坑充填废石散体的安全可行性，提出利用废石充填塌陷坑的方案，取得了较好的实际应用效果。
在持续利用废石充填地表塌陷坑的前提下，塌陷坑地表岩移可在深部开采过程中得到有效控制。然而，受地表地形、地表建（构）筑物、地下矿岩分布、开采进程、生产能力等因素影响，塌陷坑废石充填方案需要因矿而异。本文针对李家河铁矿井下生产与露天坑地表岩移的协调性和下部矿体持续开采与露天坑周边设施及农田安全等问题，依据地表航拍点云数据和生产平面图建立较为精细的数值模型，采用数值模拟研究地下持续开采扰动作用下的露天坑地表岩移特征，并结合地势、植被、农作物和公路等因素，对比优选切实可行的地表废石充填方案，以期有效控制地表岩移范围，为同类型矿山解决类似问题提供一定的借鉴。
1. 工程背景
李家河铁矿为中小型矿山，矿区内地表斜坡坡度较陡，地形切割强烈，相对高差较大，地表平均标高约为
1200 m。矿体为薄~中厚、倾斜，矿石以磁铁矿为主，矿体顶底板主要为矿化大理岩，两类矿岩较为稳固，但矿体夹层为较为破碎的绿色层（属含绿色碳质物大理岩）。露天采场于2006年形成，开采深度为69 m。地下开采以无底柱分段崩落法为主，开采至970 m水平时（距露天采场坑底约150 m），受地采扰动、露天采场及F2和F3两条主断层等影响（图1a），地下采场冒透地表露天采场区域，形成2个大型露天坑（图1所示，Ⅰ号露天坑投影面积约4.62万m2，Ⅱ号露天坑约2.08万m2），造成原有矿坑附近发生滑坡、崩塌等不同形式破坏，对矿坑附近乡村公路及农田造成一定威胁。由于无底柱崩落法采场已冒透地表，在散体覆盖层的作用下，李家河铁矿地下采空区冒落风险处于可控阶段。然而，地下开采区域接近露天采坑（受矿权限制）。为保障地下开采安全，矿方在主要生产中段沿走向方向布置两个30 m宽的保安矿柱，矿柱1位于Ⅳ号勘探线附近，矿柱2位于Ⅶ号勘探线附近。两个矿柱间隔约300 m。然而，受矿岩条件及开采现状限制，地下开采仍使得地表在临近地表矿坑处发生不同程度滑坡和崩塌。
2. 露天坑地表岩移特征
2.1 数值模型建立
李家河铁矿岩层赋存条件较为复杂，从上至下依次分布有第四系松散岩层、矿化大理岩层、白云大理岩层及绿色层（属大理岩，赋存于断层附近，含绿色碳质物，较破碎）等。考虑以生产平面图为基准建立的数值模型，可较为精准地反映矿岩分布位置及矿体受夹石影响体现的分枝复合特征[10]。其中，地表根据无人机测量获取的点云数据建立，中段矿岩倾角根据不同中段（1060中段、970中段、910中段、850中段）矿体倾角平均值选取，数值模型如图2所示。
2.2 矿岩力学参数及模拟方案
李家河铁矿各类矿岩的物理力学参数如表1所示，其中，第四系、白云大理岩、绿色层、矿化大理岩及矿体等物理力学参数由室内实验确定，废石充填体指地下采场形成后依靠强制崩落和自然冒落而充填采空区的废石堆体，其物理力学参数依据文献[22]选取，如表1所示。
表 1 矿岩物理力学参数Table 1. Physical and mechanical parameters of ore and rock岩组类别 密度/(kg·m−3) 弹性模量/GPa 泊松比 内凝聚力/MPa 内摩擦角/(°) 抗拉强度/MPa 抗压强度/MPa 第四系 1610 0.03 0.28 0.0045 19.21 0.007 0.1 白云大理岩 2870 27.65 0.29 14.79 29.60 1.45 57.52 绿色层 2760 16.56 0.26 11.66 33.40 0.75 38.40 矿化大理岩 2880 29.34 0.27 16.75 30.42 1.62 58.39 磁铁矿 3730 34.80 0.31 6.11 39.95 1.53 55.51 废石充填体 2000 0.20 0.40 0.01 18.00 0.01 0.5 数值模拟利用有限差分的FLAC3D，采用摩尔−库仑塑性破坏准则，应力条件考虑自重应力与采动应力影响。模型进行数值计算的边界条件为位移边界条件：（1）模型左右边界为固定约束，限制 x 方向的速度；（2）模型前后边界为固定约束，限制 y 方向速度；（3）模型底部边界为固定；（4）模型顶部为自由面，不施加约束。模拟计算时，以现状露天坑分布为时间节点，赋予各中段塌陷区及已有采场的矿岩物理力学参数为废石充填体，从上至下逐步开挖，分析地采扰动下露天坑地表岩移特征。
2.3 数值模拟结果分析
李家河铁矿目前采矿权范围为850 m水平以上矿体，开采现状条件下共划分1060中段、970中段、910中段、850中段等四个中段，其中1060中段开采基本接近尾声，因其靠近地表，残留矿体不予开采。在开采现状条件下，随着矿体逐步向深部开挖，受采动应力和自重应力影响，地表与井下发生不同程度的破坏。
如图3所示，现状开采条件下图3a，因李家河铁矿矿区地表斜坡坡度较陡，地形切割强烈，在地表高程差别较大的情形下，受位移边界条件约束，整体模型中地势较低区域呈现出隆起（约10 cm）的现象。因Ⅱ号矿坑相较Ⅰ号矿坑的不规则程度较高，且东北侧边坡角度较大，其垂直位移明显大于Ⅰ号矿坑。随着矿体逐步开采至850中段，Ⅰ号矿坑局部区域垂直位移明显（约40 mm），Ⅱ号矿坑整体垂直位移较大区域（超100 mm）明显增加，由东北侧向西南侧扩大。由此可见，随着矿体逐步向深部开采，Ⅰ号矿坑地表沉降变化范围小于Ⅱ号矿坑。
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图 3 李家河铁矿地表垂直位移云图Figure 3. Vertical displacement nephogram of the surface of Lijiahe Iron Mine由露天坑与地下矿体的开采位置可知，Ⅰ号矿坑位于矿体1的西南侧，Ⅱ号矿坑位于矿柱1和矿柱2之间。因此，Ⅰ号矿坑和Ⅱ号矿坑地表沉降的差异性，除Ⅱ号矿坑自身形态的特殊性外，可能还与井下开采相关。当矿体开采至850中段时，各中段矿岩最大主应力云图如图4所示，最大主应力主要集中在矿柱1和矿柱2附近，最大主应力较大区域以30 MPa为主，临近49 MPa的最大主应力体现在模型尖点的局部零星区域，易引起应力集中现象，但均未超出磁铁矿和主要围岩单轴抗压强度（均超过55 MPa）。与此同时，李家河铁矿井下大部分开采区域正好位于Ⅱ号矿坑下方，导致Ⅱ号矿坑周边矿岩承受的采动应力明显大于Ⅰ号矿坑。
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图 4 矿体开采至850中段时各中段矿岩最大主应力云图Figure 4. Maximum principal stress nephogram of each middle section during mining up to 850 m level此外，矿体开采至850中段时各中段矿岩塑性区云图（图5）也可以说明Ⅱ号矿坑地表沉降较大的内在原因。如图5所示，当矿体开采至850中段时，970中段、910中段及850中段的矿柱1和矿柱2两侧虽未超过单轴抗压强度，但依然发生不同程度的拉伸破坏、剪切破坏和拉伸−剪切混合破坏。1060中段距离地表较近，与Ⅰ号矿坑和Ⅱ号矿坑直接接触，该中段矿柱1临近Ⅰ号矿坑侧并未发生明显塑性破坏，而在矿柱1和矿柱2之间发生较大范围的拉伸破坏、剪切破坏和拉伸−剪切混合破坏，这进一步揭示了Ⅰ号矿坑地表沉降变化范围小于Ⅱ号矿坑的内在原因。
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图 5 矿体开采至850中段时各中段矿岩塑性区云图Figure 5. Plastic zones nephogram of each middle section during mining up to 850 m level3. 地表废石充填方案
数值模拟结果显示，李家河铁矿随地下开采的进行，地表岩层发生不同形式和不同程度的破坏，主要集中在Ⅰ号矿坑和Ⅱ号矿坑内外，其中，Ⅰ号矿坑整体地表沉降稳定性优于Ⅱ号矿坑。在地采扰动和空区顶板持续崩落的前提下，地表岩移范围将进一步加剧，于井下安全生产及地表周边环境不利。因此，有必要针对Ⅰ号矿坑和Ⅱ号矿坑实施地表废石充填，保障地表建（构）筑物、农田及乡村公路等安全。
3.1 地表废石充填的一般步骤
地表塌陷坑内充填废石可有效控制地表岩移范围，其充填过程常利用矿用卡车和铲车交替作业，一般可归纳为5个步骤（图6）：（1）在距离塌陷坑边缘裂缝约20 m的安全距离，利用矿用卡车堆积一定高度的废石散体堆；（2）利用矿用铲车从高至低依次将废石散体堆推入塌陷坑；（3）重复步骤（1）和（2），待塌陷坑边缘裂缝上覆废石层约3 m左右时，散体堆位置前移，利用矿用卡车堆积一定高度的废石散体堆；（4）与步骤（2）类似，利用矿用铲车从高至低依次将废石散体堆推入塌陷坑；（5）重复步骤（1）～（4），当废石散体堆距离塌陷坑中心小于安全距离时，停止充填。在循序渐进的充填步骤下，可保障地表塌陷坑得到有效充填。
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图 6 地表塌陷坑废石充填的一般步骤Figure 6. General steps for filling surface subsidence pits with waste rocks3.2 地表废石充填方案对比分析
塌陷坑边缘充填地点的选择一般遵循以下原则：（1）充填点宜选在塌陷坑附近实体原岩处，且充填点一侧坑底前期积累一定的废石散体，边壁外倾，可保障下部放矿时坑内废石散体不发生大幅度下降，有利于维持边壁的稳定性；（2）充填点宜选择两个及以上，形成相互垂直方向的充填条件，不便于垂直方向充填时，选择相对方向充填，使充填散体流动坡面互为支撑，保障散体流动坡面的稳定性。此外，在满足塌陷坑边缘充填地点选择原则的前提下，还需充分利用矿区地势和已有公路运输系统等。针对李家河铁矿地表矿坑、滑坡及崩塌等现状，根据塌陷坑边缘充填地点选择原则，确定如下废石充填方案：
（1）方案一：如图7a所示，针对Ⅰ号矿坑和Ⅱ号矿坑，在两个矿坑附近设置Ⅰ号、Ⅱ号和Ⅲ号三个废石堆体，其中，Ⅰ号废石堆体位于Ⅰ号矿坑东南侧（或Ⅱ号矿坑西南侧），Ⅱ号废石堆体位于Ⅰ号矿坑正北侧，Ⅲ号废石堆体位于Ⅱ号矿坑北东侧。废石堆体应置于坑边稳定的实体原岩处，利用矿用卡车形成堆体，其中Ⅰ号和Ⅱ号废石堆体用于充填Ⅰ号矿坑，Ⅰ号和Ⅲ号废石堆体用于充填Ⅱ号矿坑，使用矿用铲车将废石堆体从上至下依次充填至目标矿坑。此方案中Ⅰ号废石堆体和Ⅱ号废石堆体虽不能形成两个相互垂直方向的充填条件，但可节省废石堆体场地，且后期随矿坑逐步被充填，可利用铲车改变Ⅰ号废石堆体充填Ⅰ号矿坑的推进方向。
（2）方案二：如图7b所示，针对Ⅰ号矿坑和Ⅱ号矿坑，在两个矿坑附近设置Ⅰ号、Ⅱ号和Ⅲ号三个废石堆体，其中，Ⅰ号废石堆体和Ⅲ号废石堆体设置地点与方案一相同，Ⅱ号废石堆体位于Ⅰ号矿坑西北侧，可形成两个相互垂直方向的充填条件。废石堆体应置于坑边稳定的实体原岩处，利用矿用卡车形成堆体，其中Ⅰ号和Ⅱ号废石堆体用于充填Ⅰ号矿坑，Ⅰ号和Ⅲ号废石堆体用于充填Ⅱ号矿坑，使用矿用铲车将废石堆体从上至下依次充填至目标矿坑。
（3）方案三：针对Ⅰ号矿坑和Ⅱ号矿坑，在两个矿坑附近设置Ⅰ号、Ⅱ号、Ⅲ号和Ⅳ号四个废石堆体（图7c），其中，Ⅰ号废石堆体位于Ⅰ号矿坑正南侧，Ⅱ号废石堆体位于Ⅰ号矿坑正北侧，Ⅲ号废石堆体位于Ⅱ号矿坑西南侧，Ⅳ号废石堆体位于Ⅱ号矿坑北东侧，可形成两个相互垂直方向的充填条件。废石堆体应置于坑边稳定的实体原岩处，利用矿用卡车形成堆体，其中Ⅰ号和Ⅱ号废石堆体用于充填Ⅰ号矿坑，Ⅲ号和Ⅳ号废石堆体用于充填Ⅱ号矿坑，使用矿用铲车将废石堆体从上至下依次充填至目标矿坑。
（4）方案四：如图7d所示，针对Ⅰ号矿坑和Ⅱ号矿坑，在两个矿坑附近设置Ⅰ号、Ⅱ号和Ⅲ号三个废石堆体，其中，Ⅰ号废石堆体位于Ⅰ号矿坑正南侧，Ⅱ号废石堆体位于Ⅰ号矿坑东南侧（或Ⅱ号矿坑西南侧），Ⅲ号废石堆体位于Ⅱ号矿坑北东侧。废石堆体应置于坑边稳定的实体原岩处，利用矿用卡车形成堆体，其中Ⅰ号和Ⅱ号废石堆体用于充填Ⅰ号矿坑，Ⅱ号和Ⅲ号废石堆体用于充填Ⅱ号矿坑，使用矿用铲车将废石堆体从上至下依次充填至目标矿坑。
方案一～四中Ⅱ号矿坑的废石堆体设置位置在满足形成两个相互垂直方向的充填条件的前提下，废石堆体位置可选择的地点不多。前述可知，Ⅱ号矿坑东北侧坡度较大，滑坡风险较高，且伴随矿体开采至850中段时，滑坡风险将覆盖西南侧，但现状条件下仅局限于东北侧。因此，Ⅱ号矿坑废石堆体位置在四个方案中基本保持不变，但该区域宜尽早形成充填所具备的条件，以降低东北侧岩体的滑坡风险。
受地势、植被、农作物和公路等因素影响，方案一和方案三中Ⅱ号废石堆体因左侧公路破坏，矿用卡车和铲车进场施工作业较为困难，可暂不考虑。方案二相较方案一和方案三而言，其将Ⅰ号矿坑北侧废石堆体移至公路破坏区域的左侧，可满足公路运输的便利条件，但该处距离Ⅰ号矿坑相对较远，且向Ⅰ号矿坑排岩时，需经过坡度较缓的植被区域，散体在铲车推动作用下较难全部滚动至坑底，故方案二暂不考虑。综合方案一~三的缺点，推荐李家河铁矿地表废石充填方案采纳方案四，其中充填所用废石来源以矿山地下掘进围岩为主，主要成分为白云大理岩和矿化大理岩，根据地表塌陷坑废石充填工程案例[20]，李家河铁矿充填废石粒径宜小于1.8 m，可保障塌陷坑内废石散体随地下开采进程具有良好的流动性。
方案四初期在Ⅰ号矿坑充填过程中，无法形成两个相互垂直方向的充填条件，但可以通过优化排岩工序（图8），满足两个相互垂直方向的充填条件。如图8所示，Ⅱ号矿坑充填点位置不变，但需要注意的是，Ⅱ号废石堆体相对Ⅲ号废石堆体地势较低，在利用两个废石堆体充填Ⅱ号矿坑时，应优先利用铲车推进Ⅱ号废石堆体，再利用铲车推进Ⅲ号废石堆体。Ⅰ号矿坑废石充填相对较为复杂，Ⅰ号废石堆体和Ⅱ号废石堆体的推进方向近似于相互平行。其中，Ⅰ号废石堆体沿Ⅰ号矿坑左侧壁逐步向中间充填，Ⅱ号废石堆体沿Ⅰ号矿坑右侧壁逐步向中间充填。从Ⅰ号废石堆体和Ⅱ号废石堆体的充填于Ⅰ号矿坑的废石散体层，在整体上逐步从侧壁向中间靠拢。考虑Ⅰ号矿坑西北侧存在植被的缓边坡，Ⅰ号矿坑前期废石充填高度以缓边坡标高为基准，形成如图8所示的废石散体层。后期以已充填的废石散体层为垫层，将Ⅰ号废石堆体和Ⅱ号废石堆体前置，用于充填Ⅰ号矿坑北侧地势较高的边坡。
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图 8 优选的废石充填方案示意图Figure 8. Schematic diagram of the preferred waste rock filling scheme方案四的优点在于：（1） 减少了废石堆体的数量；（2） Ⅰ号和Ⅱ号废石堆体在同向上，缩短了形成废石堆体所需的行车路线；（3） 避开了原乡村公路破坏的影响。缺点在于：（1） 铲车推进废石堆体充填Ⅰ号矿坑的工序要求较高；（2） Ⅰ号矿坑北侧边坡承受散体有效支撑作用的滞后时间较长。
4. 结论
（1）李家河铁矿Ⅱ号矿坑不规则程度较高，且东北侧边坡角度较大，初始平衡迭代计算时该区域垂直位移较大。当矿体开采至850中段时，Ⅰ号矿坑呈现局部零星破坏，Ⅱ号矿坑较大垂直位移区域由东北侧向西南侧扩大，露天边坡大滑移风险较大。
（2）矿体开采至850中段时，最大主应力主要集中在矿柱1和矿柱2附近，但塑性区主要发生在矿柱1和矿柱2两侧，以拉伸破坏、剪切破坏和拉伸−剪切混合破坏为主，其中，1060中段矿柱1和矿柱2之间发生较大范围塑性破坏，这是导致Ⅱ号矿坑整体稳定性劣于Ⅰ号矿坑的内在因素。
（3）结合数值模拟结果和地势、植被、农作物和公路破坏等因素影响，在满足塌陷坑边缘充填地点选址原则的前提下，Ⅱ号矿坑废石充填点位置较为局限，Ⅰ号矿坑内废石散体层宜采取从侧壁向中间靠拢，再向北侧推进的回填方案。
（4）地表塌陷坑废石充填对控制地表岩移和修复土地具有重要现实意义，需结合实际工况制订合理可行的充填方案，目前研究仅针对充填点位置和充填顺序等开展研究，其废石充填量、废石充填高度和充填实施效果将在下一步研究中详细进行。
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图 3 李家河铁矿地表垂直位移云图
Figure 3. Vertical displacement nephogram of the surface of Lijiahe Iron Mine
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图 4 矿体开采至850中段时各中段矿岩最大主应力云图
Figure 4. Maximum principal stress nephogram of each middle section during mining up to 850 m level
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图 5 矿体开采至850中段时各中段矿岩塑性区云图
Figure 5. Plastic zones nephogram of each middle section during mining up to 850 m level
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图 6 地表塌陷坑废石充填的一般步骤
Figure 6. General steps for filling surface subsidence pits with waste rocks
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图 8 优选的废石充填方案示意图
Figure 8. Schematic diagram of the preferred waste rock filling scheme
表 1 矿岩物理力学参数
Table 1 Physical and mechanical parameters of ore and rock
岩组类别 密度/(kg·m−3) 弹性模量/GPa 泊松比 内凝聚力/MPa 内摩擦角/(°) 抗拉强度/MPa 抗压强度/MPa 第四系 1610 0.03 0.28 0.0045 19.21 0.007 0.1 白云大理岩 2870 27.65 0.29 14.79 29.60 1.45 57.52 绿色层 2760 16.56 0.26 11.66 33.40 0.75 38.40 矿化大理岩 2880 29.34 0.27 16.75 30.42 1.62 58.39 磁铁矿 3730 34.80 0.31 6.11 39.95 1.53 55.51 废石充填体 2000 0.20 0.40 0.01 18.00 0.01 0.5 
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