一、成果简介

本研究成果获得2018年度中国冶金矿山企业协会冶金矿山科学技术奖三等奖。

海南石碌铁矿处于热带强降雨地区，矿体厚大、埋深大，开采范围大，采用无底柱分段崩落法进行开采。初步设计中按照传统的类比法圈定了矿体开采后的错动区，范围较大，设计按此错动区计算的降雨渗入量较大，造成矿山排水的投资及运营费巨大。按照相关科研成果，在满足国家安全规程要求的前提下进行开采塌陷预测及塌陷区降雨入渗研究，为排水设施的优化布置提供依据。

本课题通过前期现场节理裂隙调查、地应力测试、室内岩石力学试验获取矿岩的基本物理力学参数，并结合地质调查和竖井地质钻孔资料进行岩体分级。在上述工作基础之上，采用Labscher经验计算法，初步确定了矿山的错动角和崩落角，开发了基于连续介质的矿山崩落模拟方法，获得开采过程的岩层移动规律及地表的移动范围，并通过对覆盖层入渗系数研究、塌陷区渗透特性研究及排水现状分析，对塌陷区暴雨径流渗入量进行优化估算。

考虑到工程地质条件复杂性，岩体参数的取值对计算结果均有较大的影响，再加之采矿工程的复杂性，并且矿体的实际产状和位置可能与勘查结果相差很大，很难通过现有的技术手段对塌陷区进行非常准确的预测，所以这类岩土工程的评价从来都不是一蹴而就，通常需要跟踪调查和监测，这就需要对地表、围岩和矿体进行跟踪、动态监测并及时的反馈分析调整，进一步提高结果的精度和模型的合理性，并通过系列的预警预报措施和安全管理措施，保证开采的安全与经济。基于上述原因，建立与崩落法开采有关的地压、位移等监测系统，确保工程得以安全经济的进行之外，同时也对本课题的评价方法进行验证与校准，以便研究成果能够更有效的推广。

二、技术创新

（一）通过三维激光扫描方法获取现场节理裂隙分布特征，结合工程地质钻探综合获取矿岩的工程地质特征，并采用水压致裂法获取矿区地应力特征。

（二）采用各种室内岩石物理力学实验包括密度和纵波速测量、单轴压缩试验、三轴压缩试验获取矿区矿岩的物理力学参数。而后对矿岩进行岩体分级，采用多种经验和理论的方法综合获得岩体的力学参数。

（三）综合国内矿山的类比，结合海南铁矿的基本矿岩特征，推荐矿山的错动角和崩落角；基于矿岩的RMR指标，矿区应力条件以及节理发育特征，采用Labscher经验计算方法，初步确定了矿山的错动角和崩落角；

（四）开发基于连续介质的矿山崩落模拟方法，该方法在FLAC3D的平台上引入基于控制体积的质量守恒方程，能够较好的反映整个开采过程中围岩的开裂软化、冒落膨胀以及充填采空区的过程。并将该方法引用于北一和保秀两个采区，获得开采过程的岩层移动规律及地表的移动范围。

（五）针对碎石覆盖层渗入系数，通过模拟采矿引起的覆盖层移动过程，获得覆盖层表面的移动变化规律。由覆盖层移动变化规律找出现凹陷或局部很薄的最不利工况,进行降雨入渗计算，获得覆盖层渗入系数。

（六）结合目前现状露天采场的排水资料及井下-360泵房的排水资料进行统计分析，获得现状条件下露天采场外围汇水的地表径流系数及现状条件下地表塌陷区的暴雨渗入系数。

（七）分析地表塌陷区的渗透特性，“三带”的水文地质特征及其对降雨渗入的影响，确定合理的降雨渗入系数，根据上述开采地表的沉陷分区，对矿山的暴雨渗入量进行估算。

三、应用前景

崩落采矿方法是以崩落围岩来实现地压管理的采矿方法。即在崩落矿石的同时强制或自然崩落围岩，充填空区，用于控制和管理地压。崩落法有生产效率高，作业安全、使用灵活、采矿成本低以及地压管理科学等的优点。然而，随着国家对环保和可持续发展的越来越重视，矿山的开采引起地表的塌陷越来越受到关注。海南石碌铁矿处于热带强降雨地区，矿体厚大、埋深大，开采范围大，采用无底柱分段崩落法进行开采。初步设计中按照传统的类比法圈定了矿体开采后的错动区，范围较大，设计按此错动区计算的降雨渗入量较大，造成矿山排水的投资及运营费巨大。本课题正是基于此对依托矿山开展一系列的综合研究，分析深井矿山开采扰动分布规律与冒落塌陷过程，及覆盖层、塌陷区降雨入渗特征。研究成果对提升矿山生产技术水平，有效、稳定地开发和利用矿产资源，具有重要意义。