金屬礦山地下開采對地表建筑物穩(wěn)定性影響分析

張智博，高世坤，吳亞斌,4

(1.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410012； 2.金屬礦山安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410012； 3.陜西太白黃金礦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721607; 4.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南 長沙 410083)

地下開采過程會影響上覆巖體和引起地表下沉，進(jìn)而會對地表建筑物的穩(wěn)定性造成影響[1-3]。礦區(qū)附近建筑物開裂或失穩(wěn)的主要原因是礦山在開采過程中造成了地表建筑物下方區(qū)域地面的水平變形或者使建筑發(fā)生傾斜，由于磚混或磚木結(jié)構(gòu)建筑物的抗拉伸能力往往不強(qiáng)，所以可能在地表還未出現(xiàn)明顯裂縫的情況下建筑物出現(xiàn)裂縫[4-5]。地下開采對地表變形的影響隨開采的進(jìn)行而不斷加大[6]，因此需要對建筑物下方地表的變形情況與開采過程進(jìn)行關(guān)聯(lián)研究。

常見采空區(qū)造成地表下沉的分析方法大致分為三種:理論法、數(shù)值模擬法和物理模型模擬法。其中理論法又包含剖面函數(shù)法、灰色系統(tǒng)理論法、典型曲線法、分布函數(shù)法和概率積分法等，這些方法有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，所以在研究中常常結(jié)合或者對比使用，其優(yōu)缺點(diǎn)對比見表1。付華等[7]通過使用概率積分法對地下開采引起的地表變形進(jìn)行了分析；劉三平等[8]使用概率積分法與數(shù)值模擬法得到了地表變形的等值圖；代張音等[9]在概率積分法的基礎(chǔ)上與模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對比預(yù)測斜坡的地表變形；張惠生等[10]使用典型曲線法對特殊條件下開采沉降進(jìn)行了預(yù)測，得到了較為準(zhǔn)確的結(jié)果；李春意等[11]基于正態(tài)分布時(shí)間函數(shù)構(gòu)建了函數(shù)模型對地表下沉進(jìn)行預(yù)測，得到了地表下沉的時(shí)空分布特征；袁廣祥等[12]通過建立灰色系統(tǒng)的GM(1,1)模型對地表巖移發(fā)展變化進(jìn)行預(yù)測，得到了可信的預(yù)測結(jié)果；任偉中等[13]使用相似模擬法與數(shù)值模擬法進(jìn)行了對比,分析了開采引起的地表變形。

表1 常見地表變化預(yù)測方法對比Table 1 Compare of common surface deformation predictive methods

綜合對比上述方法的優(yōu)缺點(diǎn)，并結(jié)合礦方實(shí)際要求以及實(shí)際研究需要，選用應(yīng)用廣泛的數(shù)值模擬法。本文針對某銅礦的開采過程，在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，以該礦區(qū)建筑物地表的變形為研究對象，構(gòu)建數(shù)值計(jì)算模型對建筑物的穩(wěn)定性隨開采過程的變化情況進(jìn)行模擬。

1 建筑物穩(wěn)定性主要參數(shù)的選擇

建筑物穩(wěn)定性主要參數(shù)有下沉、傾斜、水平變形、曲率等，由于目前大多數(shù)老礦山使用的建筑物多為磚混結(jié)構(gòu)，與相關(guān)研究以及規(guī)程[4-5]對照后，在地表發(fā)生小范圍連續(xù)沉降和水平變形時(shí)，判斷連續(xù)下沉?xí)r地表建筑是否安全的主要指標(biāo)為水平變形、傾斜和曲率。其中，水平變形的含義是地表單位長度內(nèi)水平移動的變形值，傾斜的含義是地表單位長度內(nèi)下沉的變形值，曲率的含義是地表單位長度內(nèi)傾斜的變形值，如圖1所示。水平變形值計(jì)算公式見式(1)；傾斜值計(jì)算公式見式(2)；曲率計(jì)算公式見式(3)。

(1)

(2)

(3)

式中：ε為水平變形值，mm/m；UA為A點(diǎn)水平位移值，mm；UB為B點(diǎn)水平位移值，mm；ΔU為兩點(diǎn)水平位移之差，mm；Δx為兩點(diǎn)的距離，m；i為傾斜值，mm/m；WA為A點(diǎn)垂直位移值，mm；WB為B點(diǎn)垂直位移值，mm；WC為C點(diǎn)垂直位移值，mm；ΔW為兩點(diǎn)垂直位移之差，mm；K為曲率，10-3m；Δi為傾斜的變化量，mm/m。

圖1 地表移動和變形示意圖Fig.1 Ground movement and deformation diagram

2 數(shù)值分析模型的建立

某銅礦原采用淺孔留礦法開采形成了采空區(qū)，造成地表不同區(qū)域的建筑物出現(xiàn)了裂隙，如主豎井及周邊建筑出現(xiàn)裂隙、選廠墻體開裂、選廠地面開裂等現(xiàn)象。設(shè)計(jì)后期開采改為平底結(jié)構(gòu)淺孔留礦嗣后充填法，但即使采用充填法進(jìn)行開采也可能對地表和礦山建筑造成破壞[14]，為了保障礦山的安全生產(chǎn)，需要對礦山開采現(xiàn)狀進(jìn)行穩(wěn)定性分析，本文采用數(shù)值模擬的方法先模擬當(dāng)前情況，進(jìn)一步模擬后續(xù)開采步驟進(jìn)行研究。

通過對礦區(qū)地表、礦體及地層界線數(shù)據(jù)的提取和分析，建立了礦區(qū)數(shù)值計(jì)算模型。模型x方向長350 m，y方向長400 m，z方向-520 m至地表，模型單元總數(shù)49.2萬個(gè)。根據(jù)礦區(qū)地形圖和中段平面圖構(gòu)建三維Surpac模型，再將Surpac模型導(dǎo)入Midas GTS有限元軟件中劃分網(wǎng)格，再導(dǎo)入FLAC3D計(jì)算軟件中計(jì)算，模型見圖2。數(shù)值模擬計(jì)算采用的巖體力學(xué)參數(shù)見表2，礦體巖性為矽卡巖，圍巖巖性為大理巖，地表為覆土層，初始應(yīng)力云圖見圖3。在需要分析的建筑物地表布置監(jiān)測點(diǎn)，沿主要研究建筑物的地表長軸和短軸端點(diǎn)各布置兩個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，二者交點(diǎn)布置一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，即每個(gè)建筑物地表布置5個(gè)監(jiān)測點(diǎn)。

圖2 三維數(shù)值模型和三維計(jì)算模型圖Fig.2 Three-dimensional numerical model and three-dimensional calculation model

表2 巖體力學(xué)參數(shù)匯總Table 2 Summary of rock mechanics parameters

圖3 初始應(yīng)力云圖Fig.3 Initial stress diagram

3 穩(wěn)定性分析

3.1 現(xiàn)狀分析

對模型進(jìn)行穩(wěn)定性分析，先分析中段模擬開采至-170 m中段，得到當(dāng)前情況下地表沉降狀態(tài)和應(yīng)力分布情況，并充填現(xiàn)有采空區(qū)，模擬計(jì)算至平衡狀態(tài)。

觀察地表沉降云圖可知，選廠和辦公區(qū)域都隨著回采出現(xiàn)了不同程度的下沉，其沉降量約為17 mm，與實(shí)際監(jiān)測的地表下沉值相當(dāng)。地表下沉量最大的區(qū)域主要位于濃縮池的東側(cè)，坑采辦公室的北側(cè)，見圖4。選取浮選車間附近的監(jiān)測點(diǎn)，其監(jiān)測曲線見圖5。這些位置的地表變形以垂直沉降為主，其垂直位移明顯大于水平位移，位移約1.64 cm，計(jì)算沉降數(shù)據(jù)和現(xiàn)場情況基本一致，地表沉降主要發(fā)生在回采-135 m中段和-170 m中段礦體時(shí)，由于這兩個(gè)中段礦體厚度明顯大于-135 m以上中段礦體，形成的采空區(qū)體積較大，致使地表沉降趨勢更加明顯。

圖4 地表垂直沉降云圖Fig.4 Flotation shop monitoring point displacement curve

3.2 建筑物在開采過程中分析

根據(jù)礦方開發(fā)利用方案，其設(shè)計(jì)為-225 m和-265 m中段作為首采中段，結(jié)合礦體走向較短、賦存范圍集中的特點(diǎn)及所礦方選用的采礦方法，確定表3的模擬計(jì)算方案，即先采上部中段，后采下部中段，由上而下逐個(gè)中段開采并同時(shí)充填該中段上方中段，依次模擬各個(gè)步驟得到各個(gè)中段回采或充填結(jié)束的狀態(tài)。

表3 數(shù)值模擬計(jì)算方案Table 3 Numerical simulation program

圖5 浮選車間監(jiān)測點(diǎn)位移曲線Fig.5 Displacement curve of monitoring point in flotation workshop

由于礦山使用充填法進(jìn)行開采，由模擬中的不同階段的塑性區(qū)變形范圍可以看出，開采引起的塑性區(qū)變形發(fā)生在正在開采礦體和充填體周圍4 m左右，當(dāng)多個(gè)礦體距離較近時(shí)，塑性區(qū)會重合并貫通，容易出現(xiàn)局部垮落，但塑性區(qū)距地表較遠(yuǎn)，見圖6。

以浮選車間為例，其隨礦體開采的變形情況見圖7。礦體開采過程中，其水平變形呈現(xiàn)出緩慢減小的趨勢，并在回采-225 m和-265 m中段時(shí)候出現(xiàn)峰值，約為4 mm/m；而其傾斜和曲率則表現(xiàn)為迅速增加趨勢，在回收最后中段時(shí)達(dá)到峰值，前者約為5.5 mm/m。由于對采空區(qū)進(jìn)行了充填，地表變形影響范圍大幅縮小，地下開采對地表造成的影響主要表現(xiàn)為小范圍沉降和水平位移。整體上，浮選車間隨著礦體的開采主要以傾斜破壞為主。將六個(gè)主要建筑物的變形情況匯總于表4，并與《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》中磚石結(jié)構(gòu)建筑物破壞等級進(jìn)行對比[4]。礦體開采過程中對地表構(gòu)建筑物及選廠影響主要表現(xiàn)為：浮選車間、濃縮池為中度破壞，選廠辦公室、卷揚(yáng)室、坑采辦公室、破碎站為輕度破壞。

表4 后續(xù)開采過程中不同建筑物的變形情況Table 4 Deformation of different buildings duringsubsequent mining

圖6 典型塑性區(qū)變化圖Fig.6 Typical plastic zone change diagram

圖7 浮選車間在開采過程中的變形情況Fig.7 Deformation of the flotation workshop during the mining process

4 結(jié) 論

1) 通過本文的研究，開采現(xiàn)狀模擬計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場實(shí)測地表沉降數(shù)據(jù)基本吻合，因此，通過數(shù)值模擬研究建筑物附近地表布置監(jiān)測點(diǎn)的方法能夠真實(shí)有效地反應(yīng)開采過程中建筑物下地表的變形情況。

2) 在礦山開采過程中影響地表建筑物穩(wěn)定的因素眾多，建筑物附近地表的應(yīng)力與位移變化是影響建筑物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的直接表征參數(shù)。數(shù)值模型建筑物附近地表布置模擬監(jiān)測點(diǎn)的方法，能夠獲取一系列地表穩(wěn)定性隨開采過程變化的空間參數(shù)。

3) 采用數(shù)值模型地表布置監(jiān)測點(diǎn)模擬地下礦體開采的方法可以有效地對需要研究的每個(gè)建筑物所在位置的地表變化情況進(jìn)行獨(dú)立深入的分析。