陈 何，黄 丹，于世波，秦秀山，王 昌，赵瑶瑶，田维刚，张 升

(1.北京矿冶科技集团有限公司，北京100160；2.山西华兴铝业有限公司， 山西 兴县033603；3.中国铝业集团有限公司，北京100082)

1 概况

山西铝土矿矿床赋存于中奥陶系碳酸盐岩古风化壳侵蚀面之的上古生代晚石炭世早期太原组(湖山段)底部，层位稳定。矿床为古风化壳沉积型[1-2]，矿体呈层状、似层状。矿体厚度总的变化趋势是东厚西薄，中、南部厚北部薄，同时由于奥陶系古侵蚀面凹凸不平，因而矿体厚度在局部地段仍有较大的变化。矿体厚度0.80～8.46 m，平均2.80 m，变异系数48.71%。本区铝土矿覆盖层由本溪组砂岩、黏土岩、砂质黏土岩，太原组、山西组下石盒子组砂岩、泥岩、黏土岩、煤，上第三系、第四系松散层组成。矿体埋深0～351 m，覆盖层厚度大。坚硬岩石以砂岩为主，RQD值平均57%，岩石质量一般为中等；半坚硬岩层，以泥岩为主，RQD值平均41.64%，岩石质量为差。软弱岩层RQD值多小于35%，岩石质量多为极差。

矿山采用房柱法采矿方案。矿块内条带式开采，采后及时处理采空区。条带从矿块一侧向另一侧连续推进，条带回采结束应用切顶协同充填技术，实现采空区隐患治理的同时，控制上覆岩层移动变化[3]。具体方案如图1。

该开发方案主要技术特点：1)切顶协同充填采空区技术。应用黄土胶结充填技术对采空区进行一定采高的回填；然后采用切顶回填剩余采空高度，使矿体上覆岩层接近均匀沉降。2)诱导控制爆破控顶、均匀沉降技术。中深孔诱导爆破技术控制岩体松动范围和沉降速率，实现空间范围内上覆岩层的均匀沉降。

图1 切顶协同充填技术方案示意图Fig.1 Schematic diagram of ground press control by cutting roof cooperate with filling

2 相似模拟试验方案

相似模型试验采用EWM二维模拟试验台[4-5]。根据矿体赋存条件，相似模型试验的模拟范围在420 m×150 m，采用的相似模型试验尺寸为4 200 mm×1 500 mm，在模型厚度方向上(25 cm)模拟范围25 m。模型采用砂子、云母粉和石膏配制的相似模型材料制成[6-7]。

在关键部位布设应变片的方式；移动变形监测采用高精度经纬仪人工监测[5,8]。图中白色标志点为位移监测点，上层黑色材料为模拟煤层，下层黑色材料为分步开挖模拟铝土矿层，竖向短实线为采场开挖界限，竖向长虚线为切顶线。监测线(点)相对位置如图2所示。试验开挖顺序总体而言为“从左到右、开挖和切顶交替进行”；直至模型回采结束。采用经纬仪对模型标志点进行监测，记录开挖及切顶后上覆岩层位移变化情。

图2 模型及监测线(点)位置Fig.2 Model and monitoring line (point) location

3 试验结果与分析

1)沉降变形规律

模型随开挖及切顶的变化过程如图3～6所示。图中白色曲线表示裂隙扩展范围。相似模型监测点的沉降变形。不同测线所得的沉降变形规律如图7、图8所示。

图3 开挖采场15Fig.3 Excavation stope 15

图4 开挖采场16Fig.4 Excavation stope 16

图5 切顶8Fig.5 Cutting roof No.8

图6 开挖采场17Fig.6 Excavation stope 17

图7 第2行监测线沉降变形变化曲线Fig.7 Settlement deformation curve on monitoring line No.2

图8 第4行监测线沉降变形变化曲线Fig.8 Settlement deformation curve on monitoring line No.4

第2行和第4行监测点沉降变形曲线变化规律保持一致。采场上覆岩层竖向位移为整体变形移动，未出现明显离层；随开采范围的逐渐扩大，采场顶板位移趋于平稳，沉降变形整体变化不大，上覆岩层沉降较均匀；随着开采和切顶进行，围岩移动范围呈抛物线状逐步扩大，没有出现较大范围突变，开采过程对上覆岩层移动起到很好的控制作用；随开采范围进一步扩大，移动范围逐步扩展到地表。采场开采宽度范围外的岩体沉降变形趋近于零，开采过程对采场外围岩体影响程度较小。

2)采场开挖引起岩移的纵向影响距离

选取典型的纵向测线4、6列分别位于开采区域1/4和1/2的采场顶板上方。绘制位移随距离顶板距离变形曲线如图9和图10所示。

第4列测线和第6列测线的竖向沉降变形具有一定的相似性，都随着距采场顶板距离的增大，岩体位移逐渐减小且有趋于稳定的趋势；最大沉降变形值均出现在采场顶板处，距离顶板越远沉降值越小，说明上覆岩层的位移得到了有效的控制；第4列、第6列在最低测点与最高测点间的覆岩滞留空隙量为4.332 mm和4.527 mm，则最高测点与最低测点间残余碎胀系数平均为0.7%。

图9 第4列监测线沉降变形变化曲线Fig.9 Settlement deformation curve on No.4 monitoring column

图10 第6列监测线沉降变形变化曲线Fig.10 Settlement deformation curve on No.6 monitoring column

3)采场开挖、切顶对上覆围岩沉降变形的影响

考察不同采场开挖切顶全过程顶板围岩的稳定性规律，实验过程中取典型监测点A-4、B-4、A-6和B-6做开挖全过程时间—沉降变形曲线，如图11所示。

(1)A-4号监测点位于8及9号采场顶板。当临近的后续9号尤其是10号采场开挖后，其沉降变形迅速增大，随着时间的推移趋于平衡；B-4号监测点位于A-4号监测点上部，其初始变形突变时间较A-4号延迟4～5个采场开挖后出现，而后续沉降变形阶段，A-4号和B-4号监测点变形时间保持一致。

A-6号监测点位于16及17号采场顶板处。当初始开挖盘区距离该监测点位置较远时，其沉降变形很小。当开挖至19和20号采场后，其沉降变形开始缓慢升高。当24号采场开挖后，其沉降变形迅速升高；而后随着后续盘区的开挖，其沉降变形趋于稳定；A-6号监测点和B-6号监测点位于开采区域的中间位置，二者沉降变形突变时间保持一致性，说明随着开挖范围扩大，采场上覆岩层变形更为均匀，表现为整体沉降，有利于上覆岩层的整体稳定。

(2)4个监测点的变形曲线中，变形增大基本都发生在偶数号采场开挖后，这些时间点多伴随切顶过程。切顶对于及时切断大范围应力集中，使上覆岩层在可控时间内发生变形具有积极作用。

B-4、B-6在对应A-4、A-6的正上方。B-4、B-6的位移沉降规律与A-4、A-6一致，但发生的位移均分别小于A-4、A-6，说明位移在岩层内向上发展的过程中，A、B层位间的覆岩内岩石破碎，滞留了一定的空隙体积，起到了抑制上部岩层位移的作用。A-4到B-4之间沉降平均减小了1.94 mm，A-6到B-6间沉降平均减小了2.12 mm。

在矿体沿走向连续开采的过程中，B层位已高出煤层开采范围。当对应的B-4和B-6在B层位发生近均匀连续沉降时，距离作业面推进到第4列和第6列的条带，再向前开挖8个条带，相邻已采采场上覆岩层中煤层已进入近均匀沉降状态。

(3)铝土矿层开挖后，上覆岩层产生移动变形带，在变形范围内岩体空隙率的变化是由于铝土矿矿层形成的采空区，导致上覆岩层冒落和节理裂隙发展所致。移动变形范围的高度随矿层开采的变化情况见图12。

由以上分析可知：

在黄辉头煤铝矿层平均间距41.84 m的情况下，铝土矿采高为3 m时，煤矿所在层位发生整体下沉，可保证煤层开采的完整性。考虑采场内点柱崩落充填率9.8%，留矿护顶0.3 m，铝土矿厚3.56 m时均可实现上行保护性开采。按照矿区铝土矿平均厚度2.84 m，可以实现铝土矿对煤层的保护性开采。

图12 相似模拟试验移动变形范围的高度Fig.12 The height of deformation in the test

由矿区范围内钻孔资料可知，煤铝间距和铝土矿厚度变化较大，局部区域煤铝间距较小，可能使煤层节理裂隙局部发育，使煤层处理应力释放状态，减缓煤层开采矿压显现。但为了避免导致煤层应力分布不均，减小局部应力集中，推荐部分充填采空区，限制上覆岩层移动带范围。

图7、图8可知在岩移范围扩大过程中，第2、4行两条测线上中间5个监测点，在模型中，上下两个层位对应点(间距315 cm)的位移差平均仅为0.64 mm，上层位几近整体下沉。上覆岩层越向上，岩层受采动影响越小。

由以上分析可知：由微观监测数据反应出的岩移规律，在上覆岩层整体移动的宏观形变移动中得到了验证，呈整体下沉。需要说明的是，在实际中整体下沉层位为一渐变的过渡带，为便于研究分析将该过渡带等价平均为一具体层位高度。铝土矿保护性开采，采高3 m时，上覆岩层的移动规律如图13所示，粗线移动范围以上岩层发生整体下沉。

图13 相似模拟试验上覆岩层移动规律Fig.13 The movement law of overlying strata in the test

4 应力应变监测分析

各监测点应变随盘区开挖全过程变化曲线如图14所示。随着采场的开挖范围逐渐扩大到监测点附近采场时，上部顶板应力逐渐增长，当采场开挖及对应采场切顶完成后由于上覆岩体沉降变形，使应力得到释放，应力值出现明显下降；由于后续开挖采场距离该监测点较远，其应力缓慢下降并趋于平衡，影响范围最大至60 m。

图14 应力监测点应变—开挖盘区变化曲线Fig.14 The strain curves with panel excavation at stress monitoring points

A-4号和A-6号监测点距离顶板更近，其应力变化幅度较大，且应力释放时间较正上方B-4号和B-6号监测点提前。B-4号和B-6号监测点位于上部煤层，距离顶板相对较远，其应力变化幅度较小且趋于稳定的速度更快。因此，通过采场和切顶的有效控制，铝土矿开采对上覆煤层的影响相对较小。

5 结论

1)采场上覆岩层竖向位移为整体变形移动，未出现明显离层，铝土矿开采对上覆煤层的影响表现为整体均匀沉降，有利于上覆岩层的整体稳定。

2)随着距采场顶板距离的增大，岩体位移逐渐减小并趋于稳定，说明上覆岩层的位移得到了有效的控制。

3)研究范围内的沉降变形几乎均来自于采场开挖引起的瞬时变形，应加强在采场开挖过程中的地压监测。变形增大基本都发生在偶数号采场开挖后，这些时间均伴随切顶过程，从侧面证明了切顶对采场上覆岩层沉降变形控制具有积极作用。

4)随着开采和切顶进行，围岩移动范围呈抛物线状逐步扩大，没有出现较大范围突变，说明铝土矿开采过程对上覆岩层移动起到很好的控制作用。随开采范围进一步扩大，移动范围高度逐步扩展到地表，说明在开采过程中应采取充填等控制措施，以使岩层移动量在可控范围内。

5)随着采场的开挖范围逐渐扩大到监测点附近采场时，上部顶板应力逐渐增长，当采场开挖完成后由于上覆岩体沉降变形，使应力得到释放，应力值出现明显下降；由于后续开挖采场距离该监测点较远，应力缓慢下降并趋于平衡，影响范围约40～60 m。