地下开采对昔格达组地表变形的影响规律

薛斌; 黄支刚; 赵永; 崔志华; 赵承佑; 张靖文

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2502416

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (4) :1403-1414 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2502416

矿冶工程

地下开采对昔格达组地表变形的影响规律

薛斌 ¹ ,
黄支刚 ² ,
赵永 ¹^,^* ,
崔志华 ² ,
赵承佑 ² ,
张靖文 ²

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Impact of Underground Mining on Surface Deformation in Xigeda Formation

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摘要

地表变形规律及其控制方法一直是地下开采矿山关注的核心问题，尤其是在地表第三系软岩层较厚、建（构）筑物密集分布、变形模式复杂的矿区，合理有效地控制地表变形对于提升矿山开采效益与保证地下开采安全性具有重要意义。以拟建的中干沟钒钛磁铁矿为研究背景，该矿区地表第三系昔格达组覆盖层广泛分布，覆盖面积占矿区总面积的约2/3，厚度在40~200 m，岩体力学性质差，工程地质条件复杂。同时，地表核心区分布有多个工业设施，包括尾矿库、水库及居民区，且矿体埋藏深度不均，竖向高差显著。鉴于此，结合理论计算与数值模拟方法，分析不同间柱与隔离矿柱布置工况下，围岩与地表的变形响应，重点探讨保留与回采间柱条件下，不同隔离矿柱厚度对地表岩移控制效果的差异性。结果表明：矿区昔格达组岩层较厚的情况下，必须留设采场间柱及隔离矿柱。在兼顾经济效益与地表重要设施分布的前提下，留设15 m间柱与75 m隔离矿柱的工况能够有效控制地表变形，提升建筑物稳定性。研究成果可为类似复杂地质条件下矿山开采设计优化、提高资源回收率以及明确地表搬迁范围等提供一定的理论支撑和决策依据。

Abstract

Surface deformation and its control remain critical concerns in underground mining，especially in regions with thick tertiary soft rock formations，dense surface infrastructure，and complex deformation modes. Reasonable and effective control of surface deformation is of great significance for improving mining efficiency and ensuring underground mining safety. Taking Zhonggangou vanadium-titanium magnetite deposit as the research background，where the Xigeda Formation covered nearly two-thirds of the surface area，with thicknesses ranging from 40 to 200 meters. The formation’s poor mechanical properties and complex geological conditions，combined with the presence of key surface facilities—such as tailings dams，reservoirs，and residential areas—pose significant challenges for safe mining. In view of this，theoretical calculations and numerical simulation methods were combined to analyze the deformation response of surrounding rock and surface under different arrangements of pillars and isolation pillars. The focus was on exploring the differences in the control effect of surface rock movement under the conditions of retaining and recovering pillars with different thicknesses of isolation pillars. Results demonstrate that in areas with thick Xigeda overburden，retaining both inter-pillars and isolation pillars is essential. A configuration with 15-meter inter-pillars and 75-meter isolation pillars effectively limits surface subsidence and ensures the stability of surface structures，balancing safety with economic efficiency. The research results can provide theoretical support and decision-making basis for optimizing miningdesign，improving resource recovery rate，and clarifying the scope of surface relocation under similar complex geological conditions.

Graphical abstract

关键词

地表沉降 / 隔离矿柱 / 充填采矿法 / 采场结构

Key words

surface subsidence / isolation pilla / backfill mining method / stope structure

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薛斌, 黄支刚, 赵永, 崔志华, 赵承佑, 张靖文. 地下开采对昔格达组地表变形的影响规律[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(4): 1403-1414 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2502416

XUE Bin, HUANG Zhi-gang, ZHAO Yong, CUI Zhi-hua, ZHAO Cheng-you, ZHANG Jing-wen. Impact of Underground Mining on Surface Deformation in Xigeda Formation[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(4): 1403-1414 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2502416

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地下采矿活动会破坏覆盖岩层的原始应力平衡，导致地表沉降变形、房屋与建筑物倾斜甚至倒塌、农田受损，不仅损害地面建筑及生产设施的完整性，还可能诱发地质灾害，严重威胁人民生命财产安全^[1-5]。因此，为最大限度地提高资源回采率、保护井下工程和地表设施，开展地表变形控制研究已成为实现矿山企业可持续发展的关键环节^[6-8]。针对上述问题，相较于空场法和崩落法，充填法在降低矿石贫化率、提高回采效率方面具有显著优势，同时在控制地压活动与抑制岩层移动方面也表现出良好的工程效果，显著提升了矿山的开采安全性与稳定性^[9]。在充填开采中，隔离矿柱作为保障采场及围岩稳定性的重要结构，其工程稳定性对实现矿山安全高效开采具有重要意义^[10]。然而，矿体开采过程中，矿柱常因应力集中而面临完整性与稳定性的挑战，因此，合理确定矿柱尺寸，是保障矿体稳定性与开采安全性的关键技术措施^[11]。

目前，中国部分矿山企业在地下开采过程中同样面临地层稳定性差、地表变形控制难度大等问题，具有一定代表性。例如，三鑫金铜矿在开采过程中，矿体顶板和底板围岩主要为中等至坚硬的块状或裂隙块状大理岩及块状结构的侵入岩，稳定性较好；然而，透辉石矽卡岩、蚀变侵入岩及构造岩等软弱、破碎、稳定性较差的岩石仍占顶底板围岩的约7.1%。针对这一问题，该矿通过研发与应用新型胶结充填材料，将高炉矿渣脱水烘干后掺入石膏与复合剂，并进行均匀研磨，所得材料在物理性能上与普通水泥相近，但具有更短的稳定强度形成时间，有效提高了采场围岩稳定性并减缓了地表变形趋势。此外，鑫达矿业矿体赋存于以片麻岩为主的半坚硬至坚硬岩类地层中，属于中等稳定性类型，且处于老变质岩系构造破碎带内，受成矿后断裂及辉绿岩组等软弱岩石影响，局部岩体稳定性较差。该矿通过优化采场结构参数，调整采矿顺序与布置形式，有效削弱了软弱岩层影响区的围岩应力集中，显著降低了地表变形程度。

中外大量的学者对不良地质条件下地表变形展开了大量的研究。Zhu等^[12]利用相似材料模拟方法研究了不同阶段上覆地层的构造和运动特征，总结了充填-回采条件下地层沉降的控制理论。王正帅^[13]分析了不同分段高度和开采深度下工作面底板及煤岩体的应力与位移分布特征。结果表明，随着开采深度增加，下部煤岩体的应力集中程度与垂直位移显著增强，卸压范围扩大，显示埋深对应力演化具有重要影响，而分段高度对卸压深度的影响相对较小。司呈斌等^[14]对某金属矿山充填开采过程中地表移动带内调水工程的稳定性开展三维数值模拟，并通过安全性指标进行量化评价。结果表明，及时充填可有效抑制采场周边拉伸破坏扩展，地表沉降表现为采场正上方均匀下沉、向外逐渐减弱，模拟结果与现场实测一致。纪润清等^[15]以云冈煤矿8402工作面为例，优化矸石浆配比并设计充填液压支架与采矿工艺，分析了有无充填条件下的覆岩破坏规律。结果表明，适宜的矸石浆配比（水泥180 kg/m³，粉煤灰210 kg/m³）兼顾强度与成本，85%膏体充填显著延长来压步距、降低裂隙带高度，并有效控制地表沉降与倾斜，保障地面建筑安全。刘洋等^[16]基于某矿山实例，采用PFC^2D对崩落法与充填法回采深部矿体进行了对比模拟，分析其对上部隔离矿柱和回填体稳定性的影响。结果表明，崩落法易引发隔离矿柱破坏及地表塌陷，回填体和围岩沉降显著；而充填法有效抑制地表沉陷与矿柱破坏，应力演化较为平稳，为深部采空区治理与安全开采提供了参考。

尽管现有研究在充填开采、应力演化、地表沉降等方面取得了大量成果，但仍存在以下不足：多数研究聚焦于一般地质条件，缺乏针对强风化带、软弱岩层发育等典型不良地质条件的系统研究。部分研究仅关注围岩与矿柱内部响应，未形成“地下采场-隔离矿柱-地表建筑物”全过程响应分析框架。鉴于此，以四川省盐边县中干沟钒钛磁铁矿的采矿条件为研究背景，重点聚焦于厚昔格达组软弱岩层赋存条件下，不同隔离矿柱厚度下地表沉降响应规律。在中干沟矿区构造背景下提出“隔离矿柱—地表建筑物”耦合响应分析框架，以岩性分布、地层结构与建筑物等级保护为基础，系统开展隔离矿柱厚度安全论证。综合断层构造、围岩类型及表土层赋存情况，实现复杂地质条件下的空间建模精细化。结合理论分析与FLAC^3D数值模拟手段，开展多工况对比研究，系统分析不同矿柱厚度、间柱回采与否对地表移动变形的影响。为类似矿区提供一定的工程实践参考。

1 工程背景概况

四川省盐边县中干沟钒钛磁铁矿是宝武资源有限公司投资拟建的一座地下矿山。中干沟钒钛磁铁矿主矿体（西南矿体）赋存标高为350~1 280 m，埋藏深度150~1 100 m。西南矿体大部分为多层矿体，倾角在40°~47°，单层厚度在23~11 8 m，夹石厚度8~22 m。东部矿体为单层矿体，倾角68°~74°，厚度13~73 m。矿区含矿岩体主要由橄辉岩、辉石岩、辉长岩组成，岩石质量等级Ⅲ级，岩石质量中等，岩体完整性中等。西南矿体上方还覆盖着较厚的第三系昔格达组—细粒长石石英砂岩、泥岩及页岩互层，总厚度为40~200 m，具有易碎的特征，物理力学性能较差，易导致地表变形增大。

由图1可知，矿区地表环境较为复杂，中干沟钒钛磁铁矿地表资源密集，分布有S218省道、35 kV和10 kV供电线路、蚂蟥沟小2型灌溉水库，以及23家以选矿加工为主的工矿企业（如鼎盛工厂、盈利公司、忠发公司、浩远矿冶公司、浩瑞分公司、鑫永公司）和6座尾矿库（其中先力尾矿库、忠发尾矿库、博达尾矿库正常运行，宏发尾矿库停用，精泰与中环尾矿库已闭库），同时还有多个村庄及大面积芒果、花椒等经济作物种植区。

由于充填法采矿引起的地表变形程度较小，常被误认为无岩移问题，但金川二矿区采矿实践表明，受充填不接顶、巷道预留、充填体收缩等因素影响，仍会出现采场覆岩弯曲、离层剥落、围岩下沉等岩移现象，甚至导致地表张裂缝与下沉。鉴于矿区多个建（构）筑物位于地表变形监测范围内，有必要开展不同采场间柱及隔离矿柱厚度条件下对地表建（构）筑物安全影响规律的分析，重点评估采矿活动对昔格达组可能造成的潜在影响。

2 地表变形理论计算

2.1 概率积分法基本原理

概率积分法基于随机介质理论，将采矿引起的地表变形视为随机事件，并通过概率积分（或其反函数）构建微小单元开采引发地表移动与变形的预测模型——即影响函数。利用叠加原理，可以计算整个开采活动对地表造成的移动和变形效应。该方法以非连续介质力学理论为基础，将岩体视为由无数完全松散、与岩性无关的单元体组成，岩体的移动过程被视作一系列随机事件。通过概率论对各单元体发生移动和变形的可能性进行推算，从而以概率形式描述岩体变形过程的整体行为。

地表及深部岩体任一点的下沉值W，可表示为

（1）$W（x，z）={W}_{0}\left(\frac{1}{\sqrt{\pi }}{\int }_{0}^{\frac{\pi x}{r { }_{z}}}{e}^{-{\lambda }^{2}}d\lambda +\frac{1}{2}\right)$

地表及深部岩体任一位置的倾斜率i可表示为

（2）$i（x，z）=\frac{dW}{dx}=\frac{{W}_{0}}{{r}_{z}}{e}^{-\frac{\pi {x}^{2}}{{r}_{z}^{2}}}$

地表及深部岩体任一位置的曲率k可表示为

（3）$k（x，z）=\frac{di}{dx}=-\frac{2{W}_{0}\pi x}{{r}_{z}^{3}}{e}^{-\frac{\pi {x}^{2}}{{r}_{z}^{2}}}$

地表及深部岩体任一点的水平位移值U可表示为

（4）$U（x，z）={b}_{z}\frac{dW}{dx}=\frac{{b}_{z}{W}_{0}}{{r}_{z}}{e}^{-\frac{\pi {x}^{2}}{{r}_{z}^{2}}}$

地表及深部岩体任一点的水平变形ε可表示为

（5）$\epsilon （x，z）=\frac{dU}{dx}=-\frac{2{W}_{0}{b}_{z}\pi x}{{r}_{z}^{3}}{e}^{-\frac{\pi {x}^{2}}{{r}_{z}^{2}}}$

式中：W₀为地表最大下沉值，W₀=mηcosα，其中，m为矿体开采厚度，η为沉降系数，α为矿层倾角；r_z为主要影响半径，${r}_{z}=\sqrt{4A\pi }=H/tan\beta ，$其中，A为反映理论模型格子尺寸的常数，H为采深，tanβ为主要影响角正切值；λ为水平方向积分距离；b_z为水平移动系数。

2.2 地表变形理论计算结果

根据式（1）~式（5）及有关参数，编制计算程序，获得不保留隔离矿柱同时回收盘区间柱条件下，矿山开采服务年限结束后最终地表移动变形预计值。

图2为地表倾斜、曲率和水平变形的等值线图。根据规范要求，图2中蓝色实线为3 mm/m倾斜等值线，对应I级保护等级最大允许倾斜值；绿色实线为6 mm/m倾斜等值线，对应II级保护等级最大允许倾斜值；紫色实线为10 mm/m倾斜等值线，对应III及IV级保护等级最大允许倾斜值；图2中蓝色虚线为地表移动监测线。由图2（a）可知，西南矿区忠发、博达、宏发尾矿库超过I级倾斜限值，博达、浩远矿冶公司、新久矿管理站及部分民房超过III及IV级倾斜限值，S218省道部分区段也超III级限值；东部矿区倾斜影响较小，多数区域在II级限值内。由图2（b）可知，西南矿区最大曲率0.1/m，东部矿区最大曲率0.08/m，均未超I级限值。由图2（c）可知，西南矿区忠发、博达、宏发尾矿库超I级水平变形限值，浩远矿冶公司及部分民房超III及IV级限值，S218省道未超III级限值。

根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中地表变形破坏范围的规定，其倾斜、水平和曲率变形值分别为：3 mm/m、2 mm/m、0.2×10^-3 m^-1；以此数值圈定的地表移动监测范围如图3所示。受第三系软岩覆盖层影响，在不保留隔离矿柱同时回收间柱条件下，地下开采所引起的地表变形破坏范围较大，多个尾矿库、工矿企业、输电线路杆塔及S218省道部分区段在破坏范围内。为达到建构筑物下矿体安全开采的目标，应采取相应的开采措施。下文详细分析不同隔离矿柱厚度工况下地下开采对地表变形的影响规律。

3 地表变形数值模拟规律分析

3.1 三维地质精细化建模

根据中干沟钒钛磁铁矿勘探线、地质纵剖面和矿区地质横剖面，利用Rhino三维建模软件完成整个矿区三维精细化计算模型的构建。如图4所示，模型的大小为2 480 m×2 055 m×2 200 m（长×宽×高，Z方向上面随着地形线的起伏不固定），模型计算单元为112.3×10⁴个，节点为38.9×10⁴个。

3.2 岩体参数及模拟工况

通过三维数值仿真（FLAC^3D快速拉格朗日法），采用Mohr-Coulomb本构模型，以两中段同时开采、分段上行式为方法，一步骤采场和二步骤采场分别开挖与回填，直至平衡。由于东部矿体与西南矿体间有断层隔离，东部矿体开采对西南矿体地表变形无影响。东部矿体岩性较好，地表无重要建筑物或尾矿库，主要研究西南矿区开采对地表变形的影响。岩体力学参数计算结果及分级如表1所示，模拟工况划分如表2所示。

3.3 不同隔离矿柱厚度下地表变形规律

为详细分析开采过程中地表变形情况，选取H1和Z1两个典型剖面对地表变形进行分析，剖面位置如图5所示。

3.3.1 H1剖面分析

由H1剖面的地表变形图（图6和图7）可知：最终回采结束，在回采间柱的情况下，地表变形值迅速增大，宏发尾矿库以及博达尾矿库均严重超过了I级保护等级允许变形值。保留间柱且隔离矿柱厚度超过75 m时，地表无危险移动区域。

在回采间柱的情况下，隔离矿柱内塑性区贯通范围较大且塑性区范围贯通至地表，隔离矿柱及上覆围岩稳定性较差。即使增大隔离矿柱的厚度对地表变形及围岩塑性区范围的控制也较弱. 在保留间柱情况下，隔离矿柱内塑性区范围减小，尤其当隔离矿柱厚度超过75 m时塑性区没有贯通，隔离矿柱稳定性较好。

3.3.2 Z1剖面分析

由Z1剖面的地表变形图（图8）可知：最终回采结束，在回采间柱的情况下，地表变形值迅速增大，博达尾矿库均严重超过了I级保护等级允许变形值，浩远矿冶公司超过了II级保护等级允许变形值。在留有间柱时且隔离矿柱厚度超过75 m时，各变形指标值均小于规范允许值，表明地表较为稳定。

在回采间柱的情况下，隔离矿柱内塑性区贯通范围较大且塑性区范围贯通至地表，隔离矿柱及上覆围岩稳定性较差。即使增大隔离矿柱的厚度对地表变形及围岩塑性区范围的控制也较弱。在保留间柱情况下，隔离矿柱内塑性区范围减小，尤其当隔离矿柱厚度超过75 m时塑性区没有上下贯通，隔离矿柱稳定性较好。

为了更加全面的掌握地表变形情况，通过编制程序对8种工况下的数值模拟变形数据进行处理，计算得出的地表变形参数的等值线图。

由图9和图10可知，即使隔离矿柱留设到90 m，在回收间柱的工况下，地表总是会存在一定范围的变形区。并且，随着隔离矿柱厚度的增大，地表变形范围收缩不明显，较多的建构筑物处于影响范围内。与之相比，在保留间柱情况下，当隔离矿柱厚度超过60 m，即隔离矿柱厚度为75 m和90 m时，地表无危险移动范围，此时地表处于稳定状态。由此可知，保留间柱对地表稳定具有非常明显的积极作用。因此，矿山需要综合地表拆迁费用以及留设间柱后的矿石损失量，综合决定间柱及隔离矿柱留设尺寸。

4 结论

中干沟钒钛磁铁矿地表环境复杂，且西南部矿体上方覆盖有较厚的第三系软岩层。结合理论计算与FLAC^3D三维数值模拟，系统分析了矿柱留设参数对地表变形的影响规律。研究成果为矿山后续采矿设计提供了科学依据，特别是在矿柱留设及采场布局优化方面具有重要指导意义。得出如下结论。

（1）理论计算结果显示，在不保留隔离矿柱且同时回收间柱的工况下，受软岩覆盖层影响，多个尾矿库、工矿企业、高压输电线杆塔及S218省道部分路段的地表变形均超出规范规定的允许变形限值。因此，为确保地表建（构）筑物的安全与稳定，中干沟钒钛磁铁矿需采取合理的开采控制措施，以实现建构筑物下矿体的安全开采。

（2）由H1与Z1剖面地表变形结果可得出结论：在回采间柱的工况下，即使增大隔离矿柱厚度，地表变形依然显著，塑性区易贯通至地表，隔离矿柱及上覆围岩稳定性较差；而在保留间柱且隔离矿柱厚度超过75 m的情况下，地表变形受控，各尾矿库及建（构）筑物区域基本满足规范要求，隔离矿柱塑性区未贯通，围岩稳定性明显提升，表明保留间柱联合足够厚度的隔离矿柱是保障地表稳定与安全的有效措施。

（3）在保留间柱的前提下，当隔离矿柱厚度设为45 m时，仅博达尾矿库和宏发尾矿库局部区域的地表变形略微超过I级保护等级要求，说明隔离矿柱在抑制围岩塑性变形方面具有良好效果。矿柱宽度的确定应在充分考虑地表拆迁成本与矿石资源损失的基础上，进行综合优化与决策。

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原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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