基于數值模擬的紅嶺鉛鋅礦巖層移動帶圈定

童大志，汪 杰

(1.赤峰山金紅嶺有色礦業(yè)有限責任公司，內蒙古 赤峰 025400；2.北京科技大學 土木與資源工程學院，北京 100083 )

金屬礦地下開采過程中，必然會形成數量龐大、形狀復雜的采空區(qū)[1]，這些采空區(qū)的上覆巖層在自重、構造應力及開采擾動作用下會產生多種形式的破壞，如跨落、斷裂、離層、彎曲等，進而發(fā)展到地表形成一定區(qū)域內的地表塌陷[2-3]。國內外對煤礦開采巖層移動規(guī)律研究較多，但煤礦床是賦存相對規(guī)則的水平煤層，通常用綜放式開采，而在金屬礦床中賦存條件復雜，礦體形狀不規(guī)則且呈現分支復合現象，因而金屬礦床開采后形成的空區(qū)形狀千差萬別[4-6]，同時金屬礦床存在復雜的地質構造、采空區(qū)相互連通，致使一些用于煤層開采的地表沉陷、巖層移動等理論難以適用于地下金屬礦床，金屬礦山開采的巖層沉陷機理、地表移動規(guī)律等理論研究仍處于起步階段[7-10]。

紅嶺鉛鋅礦用空場法聯合崩落法開采，即空場法回采礦房，崩落法回收礦柱。由于采空區(qū)用強制崩落上覆圍巖充填處理，不僅造成體積達210萬m3的地表塌陷坑，同時危及提升豎井井筒及地表工業(yè)設施安全。因此，有必要針對紅嶺鉛鋅礦地質條件和開采特征，研究巖層移動規(guī)律，圈定礦床開采地表巖層移動帶，為礦山安全決策及地表工業(yè)建筑布置提供科學依據。

1 工程背景

紅嶺鉛鋅礦屬于矽卡巖型多金屬礦，礦體總體走向北東59°，傾向北西，傾角60°～80°，平均傾角75°，走向長度1 350 m。紅嶺礦業(yè)公司井下目前有八個中段，三中段及以上已塌陷，四、五、六中段為主要生產中段，七、八中段正在進行采準工程。礦山采用階段空場崩落聯合采礦法，礦房寬度為32 m，礦柱寬度為18 m，頂柱厚度10 m，礦房空場法回采、頂底柱采用崩落法回采。

經過十幾年的開采，礦山留下了大量的采空區(qū)。隨著各中段的礦柱相繼回收，空區(qū)連通至地表造成大面積塌陷。根據統(tǒng)計，地表塌陷區(qū)面積為52 416 m2，體積為210萬m3，底部最上部到達三中段底板，最下部延深至五中段底板。隨著地下礦體不斷回采，地表塌陷區(qū)逐漸擴大。

2 數值模型建立

依據紅嶺鉛鋅礦礦區(qū)地質剖面建立礦床開采三維有限元數值模型，分析計算礦山一至六中段礦體開挖后采空區(qū)不充填工況下的地表變形[9-10]，根據地表變形狀態(tài)圈定地表移動帶。

以紅嶺鉛鋅礦1#至29#勘探線地質剖面圖為基礎，各勘探線剖面圖如圖1所示，利用HyperMesh軟件進行建模與網格劃分，再利用Matlab軟件編制的接口將模型由HyperMesh導入FLAC3D進行數值計算，建立高精度符合礦體復雜曲面形狀的三維有限元數值模型。本次建模共劃分29個group，按照材料特征分為礦體、矽卡巖、大理巖、長石斑脈巖及板巖，材料力學參數如表1所示。礦體模型如圖2所示，在模型中部存在一脈巖。

圖1 各勘探線剖面圖Fig.1 Profile of each exploration line

表1 材料力學參數Table 1 Material mechanics parameters

圖2 礦體模型圖Fig.2 Ore body model

3 數值模擬結果分析

3.1 地表位移分析

利用所建好的三維計算模型對紅嶺鉛鋅礦各中段礦體開采結束后的地表移動變形規(guī)律進行分析，分別選取5#勘探線和17#勘探線作為剖面，分析地表沉降，得出巖層移動角，圖3為六中段開采完畢，地表及圍巖的豎向位移場，圖4為六中段開挖后圍巖塑性區(qū)分布。

圖3 六中段開挖后豎向位移場Fig.3 Vertical displacement field after excavation in stage of 6

圖4 六中段圍巖塑性區(qū)分布圖Fig.4 Distribution of plastic zone of surrounding rock in stage of 6

分析圖3和4得到如下結論：

1)開挖一中段至六中段后，地表最大沉降分別為：0.3、1.0、2.3、3.3、4.5、5.0、6.0 cm，開挖至四中段后，地表變形特征明顯。

2)開挖至三中段以前，地表肪巖附近出現向上的正向位移，這是因為礦體開挖后，巖層具有較大的水平應力，泊松效應使肪巖地表附近將會產生正向的豎向位移，但隨著礦體往下開采，脈巖保持向下沉降的趨勢。

3)開挖六中段后的圍巖塑性區(qū)上盤的影響范圍大于下盤的影響范圍，在礦體的西南方向，5#勘探線對比礦體東北方向的17#勘探線而言，破壞更大，上盤的破壞區(qū)面積也遠大于下盤的破壞區(qū)面積，由于天然巖體的裂隙和地表的風化作用，這些破壞的塑性區(qū)在實際中已經塌陷。

根據塑性區(qū)破壞情況推測地表破壞情況，畫出了破壞塑性區(qū)的包絡曲線(圖4所示)。根據5#勘探線推測西南方向地表塌陷寬度約為210 m，根據17#勘探線推測東北方向地表塌陷寬度約為130 m。根據現場實測，西南方向平均地表塌陷寬度為180 m，東北方向平均地表塌陷寬度為115 m，數值模擬結果與實測數值吻合，表明數值模擬結論具有可靠性。

3.2 地表巖層移動角分析

選取六中段開挖后的計算結果作為移動角選擇依據，圖5和圖6為六中段開挖后位移分布。豎直位移指標達到或超過變形標準值(10 mm)，該節(jié)點即可視為地表破壞點，以此為依據，計算得出：礦體5#勘探線的上盤移動角為59°，下盤移動角為65.7°；17#勘探線的上盤移動角為59.5°，下盤移動角為61.9°。圖7為礦體垂直勘探線的剖面圖，從圖中可以得出礦體的端部移動角為68.9°。經綜合分析，礦體上盤平均移動角α=59.2°，下盤巖層平均移動角β=63.8°，端部移動角γ=68.9°。

圖5 5#勘探線移動角示意圖Fig.5 The diagram of moving angle of No.5 exploration line

3.3 地表巖層移動帶圈定

根據地表豎向位移為10 mm圈定六中段開挖后地表的移動帶范圍，如圖8所示，將該地表范圍投影到實際地表平面圖，如圖9中黑色曲線所示。由圖9可知，紅嶺鉛鋅礦移動帶垂直礦體走向方向平均寬度為400 m，沿礦體走向方向平均長度為800 m，面積大約為320 000 m2?；肪嚯x移動帶為70 m，如果繼續(xù)向下開采，則箕斗井很有可能會處在移動帶范圍之內，因此，深部礦體開采時必須采取有效措施控制移動帶范圍的進一步延伸。

圖6 17#勘探線移動角示意圖Fig.6 The diagram of moving angle of No.17exploration line

圖7 礦體端部移動角示意圖Fig.7 The diagram of movement angle of the end of ore body

圖8 地表移動帶范圍示意圖Fig.8 Surface movement zone

4 結論

1)根據數值模擬結果，利用開采區(qū)域巖層破壞塑性區(qū)包絡曲線推算地表塌陷區(qū)范圍與現場實測范圍吻合，驗證了數值模擬結論的可靠性。

圖9 數值模擬移動帶圈定圖Fig.9 The movement zone of numerical simulation

2)通過對開采區(qū)域數值模擬的位移分析，得到礦體上盤平均移動角59.2°，下盤平均移動角65.7°，端部移動角68.9°；根據豎直方向位移10 mm圈定地表移動帶，移動帶垂直礦體走向方向平均寬度為400 m，沿礦體走向方向平均長度為800 m，移動帶面積大約為320 000 m2。

3)根據紅嶺鉛鋅礦巖層移動范圍研究結果，箕斗井距離移動帶只有70 m，隨著礦體回采向下延伸，移動帶范圍將進一步擴大，如不采取有效措施控制地壓問題，箕斗井等主要地表生產設施將處于移動帶范圍內，造成礦山生產安全隱患。