馬城礦多中段疊加開采對(duì)上覆巖體移動(dòng)與變形的影響

孫世國 馬銀閣

（北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，北京100144）

地下礦產(chǎn)資源開發(fā)誘發(fā)地表移動(dòng)變形的研究一直是我國巖土工程領(lǐng)域研究中的重點(diǎn)課題［1-3］。我國金屬礦產(chǎn)資源豐富，隨著我國工業(yè)化進(jìn)程的加快，對(duì)能源與礦產(chǎn)的需求日益增長(zhǎng)。淺部礦山已經(jīng)逐漸開采完畢，許多礦山開始向更深范圍開采，如紅透山銅礦等均己進(jìn)入地下1 000多m的深度開采［4］。在多次重復(fù)開采的過程中，地下采空區(qū)會(huì)對(duì)上覆巖體的變形產(chǎn)生疊加作用［5］。本研究以馬城礦為依托，模擬不同開采中段對(duì)采空區(qū)上覆巖體的穩(wěn)定性影響，在分析地表沉降與水平變形的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析了傾斜、曲率、水平變形等指標(biāo)的變化，為實(shí)際工程提供參考。

1 工程概況

馬城礦段為一大型鞍山式沉積變質(zhì)鐵礦床，隸屬河北省灤南縣馬城鎮(zhèn)所轄，礦區(qū)南北長(zhǎng)約6 km，東西長(zhǎng)約2 km，地面海拔標(biāo)高15～20 m。全區(qū)共分為17個(gè)礦體，依次編號(hào)為Ⅰ～ⅩⅦ，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ號(hào)為主礦體。礦體總體呈北北西走向，層狀產(chǎn)出，傾向北西或南西，傾角39°～56°。礦區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育，分別命名為F1、F2、F3，3條斷裂帶相互關(guān)聯(lián)、互相影響。由于馬城礦體賦存條件和水文地質(zhì)、地表環(huán)境條件的復(fù)雜性，設(shè)計(jì)采用嗣后充填法。

2 上覆巖體移動(dòng)與變形

2.1 計(jì)算模型設(shè)計(jì)參數(shù)的選取

應(yīng)用FLAC3D軟件建立模型，如圖1所示，本次設(shè)計(jì)開采對(duì)象為17個(gè)礦體中的6個(gè)，即I號(hào)、II號(hào)、III號(hào)、V號(hào)、XI號(hào)和XII號(hào)礦體，范圍為-240～-900 m，并劃分為2個(gè)采區(qū)，其中-240～-540 m為上部采區(qū)，-540～-900 m為下部采區(qū)，以60 m為一個(gè)中段，上、下采區(qū)同時(shí)開采。本模型（見圖1）尺寸：東西長(zhǎng)度為3 168 m、南北長(zhǎng)度為6 850 m、深度1 670 m。三維模型劃分216 703個(gè)單元，84 153個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中含3條斷裂帶F1、F2、F3以及構(gòu)造破碎帶。

力學(xué)參數(shù)如表1所示。

2.2 地表移動(dòng)變形規(guī)律綜合分析

2.2.1 地表位移規(guī)律

不同開采厚度誘發(fā)走向方向地表沉降曲線如圖2所示。隨著采空區(qū)頂板面積增大，臨空面失去支撐而產(chǎn)生了下沉并依次向上傳遞，最后傳到地表，并逐漸在地面形成一個(gè)下沉盆地。隨著各中段的不斷開采，工作面不斷向上部推進(jìn)，由于接頂率無法達(dá)到100%，導(dǎo)致各個(gè)中段開采誘發(fā)的變形產(chǎn)生疊加效應(yīng)，由此地表下沉量隨開采中段數(shù)的增加而逐漸增大。地表變形與開采擾動(dòng)相關(guān)，距離Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ號(hào)礦體較遠(yuǎn)區(qū)域，開采擾動(dòng)效應(yīng)逐漸減小，地表位移量也逐漸減小，直至變?yōu)榱愣鵁o影響。6個(gè)中段開采結(jié)束后，地表最大沉降量為4.13 m（Y=1 800 m），下沉盆地范圍在Y=400～4 500 m之間，長(zhǎng)約4 100 m。

走向方向地表水平位移曲線如圖3所示。從圖中可以看出，礦產(chǎn)開挖初期，地表的水平位移基本呈對(duì)稱狀態(tài)。隨著礦產(chǎn)資源的不斷開挖，當(dāng)進(jìn)行到第三中段時(shí)，地表水平位移逐漸呈現(xiàn)不對(duì)稱分布，且逐漸增大。遠(yuǎn)離采空區(qū)水平位移逐漸變?yōu)榱?。地表水平位移的最大值分別為1.16 m（Y=1 600 m）以及-0.40 m（Y=3 400 m），水平位移范圍大概在Y=600～4 500 m之間，長(zhǎng)約3 900 m。

不同開挖高度下傾向地表沉降曲線如圖4所示?？梢钥闯鲭S著開采工作面不斷向上部推進(jìn)，地表下沉量也逐漸增大，6個(gè)中段開采完成后，最大沉降量為-4.22 m（X=2 000 m），下沉盆地范圍大概在X=750～2 750 m之間，長(zhǎng)約2 000 m。

傾向方向地表水平位移曲線如圖5所示。傾向方向水平位移與走向方向水平位移變化趨勢(shì)基本一致，隨著礦產(chǎn)資源的不斷開挖，地表水平位移逐漸呈現(xiàn)不對(duì)稱分布，且逐漸增大。地表水平位移的最大值分別為1.86 m（X=1 600 m）以及-1.53 m（X=2 200 m），水平位移范圍大概在X=550～2 800 m之間，長(zhǎng)約2 250 m。

2.2.2 傾斜變形

地表傾斜往往發(fā)生在移動(dòng)盆地邊緣區(qū)，位于拐點(diǎn)處的地表傾斜最大。地表傾斜能使排水系統(tǒng)改變坡度，這對(duì)于靠流體重力作用的自流管道影響很大。地表傾斜變形也會(huì)對(duì)鐵路、公路有一定的危害，尤其是鐵路，線路的坡度的增加將使列車運(yùn)行阻力有所增加。同樣，地表傾斜對(duì)底面積小、高度大的建筑物或構(gòu)筑物的影響很大，會(huì)使這些建筑重心發(fā)生偏斜，引起應(yīng)力重新分布，當(dāng)傾斜過大時(shí)，會(huì)使構(gòu)筑物折斷或傾倒。

走向方向地表傾斜變形曲線如圖6所示。隨著開采工作面不斷向上部推進(jìn)，地表傾斜變形量也逐漸增大。左側(cè)模型埋深較深，所以模型右側(cè)地表傾斜變形特征比左側(cè)明顯。6個(gè)中段開采完成后，模型左側(cè)地表傾斜變形最大值為-6.57 mm/m（Y=800 m），模型右側(cè)地表傾斜變形最大值為6.22 mm/m（Y=2 600 m）。

傾向地表傾斜變形曲線如圖7所示。同樣隨著開采工作面不斷向上部推進(jìn)，地表傾斜變形量也逐漸增大。6個(gè)中段開采完成后，模型左右兩側(cè)地表傾斜變形最小值為-9.75 mm/m（X=1 400 m）和最大值10.41 mm/m（X=2 000 m）。

2.2.3 地表曲率變形

地表曲率有正、負(fù)曲率之分，由不均勻沉降引起的地表曲率變形會(huì)引起管道在豎向面內(nèi)產(chǎn)生彎曲。地表曲率變形同樣會(huì)引起建筑物上附加應(yīng)力增大，一般是隨著曲率半徑減小、建筑物長(zhǎng)度增大，建筑物產(chǎn)生的破壞也加大。

走向方向地表曲率變形曲線如圖8所示，可以看出隨著開采工作面不斷向上部推進(jìn)，地表曲率變形量顯著增大，地表曲率變形波動(dòng)也較大。模型右側(cè)（X=4 000～6 850 m）地表曲率變形數(shù)值基本為0。6個(gè)中段開采完成后，模型地表曲率變形在Y=600 m處出現(xiàn)最小值為-0.023 mm/m2。

傾向方向地表曲率變形曲線如圖9所示，隨著開采工作面不斷向上部推進(jìn)，地表曲率變形量顯著增大。模型左右兩側(cè)（X=0～500 m、X=2 800～3 750 m）地表曲率變形數(shù)值基本為0。6個(gè)中段開采完成后，模型地表曲率變形最大值為-0.027 mm/m2（Y=1 200 m）。

2.2.4 地表水平變形

地表的拉伸和壓縮稱為水平變形，正值表示拉伸變形，負(fù)值表示壓縮變形。

走向方向地表水平變形曲線如圖10所示，隨著開采工作面不斷向上部推進(jìn)，地表水平變形量逐漸增大。6個(gè)中段開采完成后，模型地表水平變形最大值為2.16 mm/m（Y=800 m）和-2.60 mm/m（Y=2 600 m）。

23線剖面（傾向）地表水平變形曲線如圖11所示，6個(gè)中段開采完成后，模型地表水平變形最大值為-7.6 mm/m（Y=2 000 m）。

2.2.5 采空區(qū)移動(dòng)角的確定

在我國通常使用傾斜i、曲率k和水平變形ε來衡量建筑物的破壞程度。規(guī)范規(guī)定［6］：以盆地內(nèi)地表移動(dòng)變形對(duì)建筑物有無危害而劃分的邊界，一般磚石結(jié)構(gòu)建筑物的臨界變形值：傾斜i=3 mm/m、曲率k=0.2 mm/m2和水平變形ε=2 mm/m。確定移動(dòng)角時(shí)以3個(gè)變形值中最外的為邊界。圖12為移動(dòng)角示意圖。

當(dāng)開采厚度較小時(shí)，其相應(yīng)的移動(dòng)角大；當(dāng)開采厚度依次增大時(shí)，其移動(dòng)角相應(yīng)減小，即移動(dòng)范圍增大；當(dāng)開采達(dá)到一定厚度之后，上覆巖體達(dá)到充分采動(dòng)時(shí)，移動(dòng)角不再減小而穩(wěn)定在某個(gè)數(shù)值上；各個(gè)中段開采結(jié)束后移動(dòng)角大小如表2所示，總體移動(dòng)規(guī)律是隨著開采厚度增大移動(dòng)角變小。由于許多工程設(shè)施位于其危險(xiǎn)變形區(qū)內(nèi)，為了保障其安全性，需要強(qiáng)化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)掌握其動(dòng)態(tài)發(fā)展趨勢(shì)，避免地表產(chǎn)生破壞性變形誘發(fā)各種建筑物和市政設(shè)施的破壞，從而誘發(fā)次生災(zāi)害。

3 結(jié) 論

（1）多次重復(fù)開采加劇了地表位移變形，增大地表沉陷盆地的范圍與水平變形劇烈程度。根據(jù)模擬結(jié)果得到，位移值在采空區(qū)中心最大，向兩側(cè)依次減小;隨著開采中段的增加，水平位移值、沉降值均增大。

（2）分析了地表變形的3項(xiàng)指標(biāo)，均隨著開采中段的增加而不斷增大。根據(jù)傾斜、曲率、水平3項(xiàng)變形值可以更好地預(yù)測(cè)地表建筑物的破壞程度。

（3）確定傾向主斷面的移動(dòng)角以及傾向方向保護(hù)邊界，分別是采區(qū)上盤移動(dòng)角為66.04°，即向左側(cè)擴(kuò)展400 m，采區(qū)上盤移動(dòng)角為48.47°，即向右側(cè)擴(kuò)展797 m。