无底柱崩落法是常用的地下金属矿开采技术之一。高效率和低成本，以及满足自然资源日益增长的需求，使得这种采矿方法被广泛应用[1,2,3]。然而，随着地下金属矿体崩落后被采出，上覆岩层在失去支撑作用后会发生冒落。当矿体开采面积与体积不断增大，岩体冒落会不断向上发展，甚至贯通地表，造成地表塌陷与移动沉降[4,5,6]。由覆岩冒落导致的地表沉降是保护矿山地表重要基础设施和地表建(构)筑物所需要考虑的重要问题，处理不当往往会产生巨大的额外资本与经营支出，同时也可能诱发一些地表坍塌与失稳灾害，造成重大财产损失[7,8]。

金属矿地下开采导致的覆岩冒落会产生一些地表灾害，若能对矿岩的这种冒落进行有效控制，则会大幅提高矿产资源的开采效率。自然崩落法就是一种借助矿岩重力与地压作用自然崩落矿石的高效采矿法[9,10]。为此，学者们致力于研究一种矿岩诱导冒落方法以提高地下采矿效率[11]。何荣兴等[12]建立了顶板岩体冒落的“冒落拱”力学模型，分析了和睦山铁矿倾斜厚矿体诱导冒落规律。任凤玉等[13]研究了眼前山铁矿主采区露天转地下诱导冒落法开采方案。张国联等[14]借助RFPA数值模拟方法研究了不同回采深度、节理分布综合作用下采场顶板的冒落过程。钟敏[15]采用颗粒流PFC数值方法研究了复合顶板岩层的诱导冒落过程与破坏特征。目前，诱导冒落法在很多金属矿山得到了应用[11,16],但仍存在很多技术问题有待解决，很大程度上归因于对矿岩冒落规律的认识还不够充分。因此，基于金属矿地下开采矿岩冒落的利、弊影响，开展金属矿地下崩落法开采覆岩冒落规律研究具有重要意义。

为揭示金属矿地下崩落法开采覆岩冒落规律，以大红山铁矿地下主矿体无底柱崩落法开采为例，借助“冒落拱”理论对覆岩冒落进行判别。同时，对不同标高覆岩巷道观测、地表钻孔观测获得的监测数据进行分析，得到了覆岩冒落规律，并获得了用于估算大红山铁矿地下开采岩体冒落至地表滞后时间的经验公式。研究可为大红山铁矿后续露天与地下联合开采时空优化设计提供有益指导。

1、工程背景

玉溪大红山铁矿位于云南玉溪市，矿区内主要赋存有浅部与深部两条矿脉，分别采用露天开采与地下无底柱分段崩落法同时开采。地下矿体呈一轴向近乎东西向延伸的断块向斜产出，总体东高西低、中部厚、边部薄、南北翘起，似船型。矿体东西长1969 m, 南北宽440～640 m, 埋深362.48～988.31 m, 赋存标高为25.72～945.00 m。露采矿体赋存标高为680～1012 m, 走向北西、倾向南西，矿体平均厚度为11～18 m。采用“陡帮剥离，缓帮采矿”工艺进行开采，露天采场上口长1130 m、宽724 m, 底部长523 m、宽172 m。优化设计后的露天开采生产能力为550万t/a。地下主采区生产能力为400万t/a, 按标高划分4个区段同时开采，分别为头部、中部、下部与深部。除头部矿体采用空场法开采外，其余区段均采用无底柱分段崩落法开采，如图1所示。

图1 大红山铁矿露天 - 地下联合开采的空间位置关系   

地下主采区下部矿体(标高400～500 m)崩落法开采的分段面积最大，各分段崩落法开采时易造成覆岩冒落。若岩体冒落发育至地表，则会造成地表由冒落中心向外发生开裂，甚至威胁露天采场边坡的稳定性。下部矿体按20 m的高度划分为多个分段，并根据每个分段的底板标高对各分段命名为480 m、460 m、440 m、420 m、400 m分段，由上至下依次对各分段进行崩落开采。截至2013年底，420 m分段基本全部开采完毕，继而主要开采400 m分段。地下主采区与露天采场的平面位置关系如图2所示。

图2 地下主采区与露天采场的平面位置关系   

2、覆岩冒落条件判别

在描述金属矿崩落法开采岩层冒落机理的研究中，拱形理论得到了广泛认可，认为矿体采出后上覆岩体呈拱形持续向上冒落。岩体冒落与采空区的跨度和暴露面积有关，若岩体持续冒落至地表，采空区必须满足2个条件，一个为初始冒落条件，另一个为持续冒落条件。根据冒落拱理论，顶板岩体发生初始冒落的采空区最小半跨度条件为[12]:

式中，Lt为岩体初始冒落的采空区最小半跨度；λ为侧压力系数；H为采空区顶板埋深；h为空区高度。

通常引入“等价圆面积”判别顶板岩体冒落的有效暴露面积。由初始冒落的采空区最小半跨度确定的等价圆面积St为：

根据工程经验，采空区顶板岩体发生持续冒落的最小半跨度通常为初始冒落最小半跨度的2～2.5倍[17],即持续冒落的最小半跨度为：L=(2～2.5)Lt,对应持续冒落的等价圆面积为：S=(4～6.25)St。当采空区宽度超过2Lt时，无论增大采空区宽度还是长度，均可增大顶板的有效暴露面积。当有效暴露面积超过初始冒落的等价圆面积St时，顶板岩体便会发生冒落。随着矿体开采跨度与高度的增加，当有效暴露面积超过持续冒落的等价圆面积S时，顶板岩体则会持续向上冒落，最终贯通地表。

下部矿体初采分段为480 m分段，同时480 m分段也是下部矿体开采面积最小的分段。以480 m分段采空区判别覆岩初始冒落与持续冒落。480 m分段空区高度h=20 m, 顶板埋深H=670 m。由大红山铁矿实测地应力数据计算得到，侧压力系数λ=0.56。由式(1)计算得到覆岩初始冒落的采空区最小半跨度Lt=15 m, 对应的等价圆面积St=706.5 m2。然而，480 m分段采空区东西方向最小跨度为85 m, 南北最小跨度为160 m, 最小跨度均已超过2Lt,表明顶板岩体会发生初始冒落。同时，以85 m的最小跨度计算等价圆面积约为5672 m2,等于8St,明显超过了(4～6.25)St,表明顶板岩体会持续向上冒落，最终贯通地表。

3、覆岩冒落发展规律分析

3.1 地压观测与覆岩冒落探测

大红山铁矿在2009年利用覆岩+850 m与+920 m标高处的水平回风巷道进行地压观测。随后于2009年11月至2010年3月在地表施工了4个垂直钻孔进行探测，分别为1#～4#孔。从2010年9月开始，在+1070 m、+1090 m与+1115 m标高施工了水平地压观测巷道。之后又于2011年12月在地表与+1070 m观测巷道内分别施工一个垂直深孔(5#孔)和一个倾斜钻孔(6#孔)。探测钻孔参数见表1。以A38剖面为例进行分析，A38剖面位置如图2所示，观测巷道与钻孔在A38剖面上的位置如图3所示。

图3 观测巷道与钻孔在A38剖面上的位置   

表1 探测钻孔参数

在不同标高位置处的巷道观测范围内，可直观标定覆岩冒落发育位置与高度。通过巷道观测到的覆岩冒落如图4所示。

图4 巷道观测到的覆岩冒落   

此外，在地表施工垂直深孔时，若钻孔遇到裂隙带，则会出现卡钻等现象，导致继续钻进困难，并出现冒热气现象，因此可通过探测钻孔确定覆岩裂隙带发育高度。

3.2 覆岩冒落规律分析

大红山铁矿地下主采区480 m首采分段自2006年开始投产。随着地下持续崩落开采，覆岩持续向上冒落，最终于2012年底贯通地表，在地表出现了张拉裂缝，如图5所示。

图5 2012年地表张拉裂缝照片   

经过巷道观测与钻孔探测，得到了2009年1月至2012年12月覆岩冒落过程，如图6所示。将2009年1月冒落位置作为原点，以“月”为单位绘制了2009年1月至2012年12月的“时间 - 累计冒落高度”曲线，如图7所示。

图6 覆岩冒落发展过程与地表开裂范围   

图7 2009年1月至2012年12月时间 - 累计冒落高度曲线   

由图6可以看出，随着地下矿体被崩落采出，覆岩基本呈“拱形”向上持续冒落，至2012年底贯通地表，表明采用“冒落拱”理论判别覆岩自然冒落与持续冒落具有可靠性。在图7中，2009年1月至2012年12月共历时48个月，岩体累计冒落高度基本呈直线型增大，最大冒落高度为229.2 m, 平均每月冒落高度约为4.8 m, 平均每半年冒落高度为28.65 m。然而，2009年1月岩体冒落位置标高为910 m, 以480 m首采分段于2006年投产进行推算，2006年1月至2009年1月的3 a内岩体从标高500 m至910 m累计冒落高度达到410 m, 平均每半年冒落高度达到68.3 m。

2006年至2012年大红山铁矿地下开采的平均出矿量为94万m3/a。在此出矿量条件下，以480 m分段为首采分段，按照覆岩冒落的平均半年速率，大红山铁矿地下崩落法开采造成的覆岩冒落大致可分为以下两个阶段。

(1) 快速冒落阶段(2006—2009年)。

当地下开采跨度与面积满足顶板岩体自然冒落的条件时，顶板岩体随即快速发生冒落，冒落发展形态呈拱形。之后，随着岩体在快速冒落阶段大量冒落，覆岩冒落的平均速度为每半年68.3 m。冒落后的破碎岩石在碎胀作用下不断对采空区与冒落空间进行充填，一方面使得暴露空间不断降低，低于岩体自然冒落的等价圆面积；另一方面破碎岩体对冒落空间侧壁围岩、上覆未冒落岩体产生了支撑作用，导致岩体冒落速度逐渐降低。

(2) 匀低速冒落阶段(2009—2012年)。

虽然冒落破碎的岩体对采空区与冒落空间进行了充填，但随着地下矿岩不断被崩落采出，充填的碎石散体会发生不断下移，暴露面积的再次增大，支撑作用减弱，导致上覆岩体继续冒落。根据散体移动过程[18],由于从地下放矿口至碎石散体顶端仍有一定距离，因此从放矿口至冒落空间顶部散体的向下移动速率减缓，岩体冒落速率也会大幅减缓，进入匀低速冒落阶段。数据显示，该阶段覆岩的冒落速率平均为每半年28.65 m, 近似为快速冒落阶段速率的一半。

根据以上两个冒落阶段，可对大红山铁矿地下崩落法开采地表冒落滞后时间进行估算。大红山铁矿崩落法开采覆岩冒落至地表的滞后时间经验公式为：

式中，T为崩落法开采地表冒落滞后时间，a; H为采空区顶板埋深，m。

值得注意的是，由于首采分段480 m分段于2006年1月投产，因此由式(3)计算得到的地表冒落滞后时间是从所计算分段开始投产算起的。依据式(3),可为大红山铁矿后续露天与地下联合开采动态优化时空开采顺序提供参考。

4、结论

(1) 为揭示金属矿地下崩落法开采覆岩冒落规律，以大红山铁矿地下主矿体无底柱崩落法开采为例，借助“冒落拱”理论对覆岩自然冒落与持续冒落进行了判别。随着地下主采区矿体不断崩落采出，覆岩会发生自然冒落与持续冒落，并最终贯通地表。

(2) 基于大红山铁矿覆岩冒落的巷道观测、钻孔探测数据，得到了该矿的覆岩冒落发展过程与规律。在首采480 m分段，且在年平均出矿量94万m3条件下，按照覆岩的半年冒落速率，覆岩冒落大致可分为快速冒落阶段(每半年冒落高度为68.3 m)和匀低速冒落阶段(每半年冒落高度为28.65 m)。得到了大红山铁矿崩落法开采覆岩冒落至地表的滞后时间经验公式，可为大红山铁矿露天与地下联合开采动态优化时空开采顺序提供参考。

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基金资助:中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(N2201003) 国家自然科学基金资助项目(U1903216);

文章来源:张玮,杨天鸿,马凯.基于现场监测数据的金属矿地下崩落法开采覆岩冒落规律研究[J].矿业研究与开发,2023,43(12):8-12.