基于數(shù)值模擬的紅嶺鉛鋅礦巖層移動(dòng)帶圈定*

紀(jì)曉飛

(赤峰山金紅嶺有色礦業(yè)有限責(zé)任公司， 內(nèi)蒙古 赤峰市 025400)

金屬礦地下開采過程中，必然會(huì)形成數(shù)量龐大、形狀復(fù)雜的采空區(qū)[1]，這些采空區(qū)的上覆巖層在自重、構(gòu)造應(yīng)力及開采擾動(dòng)作用下，會(huì)產(chǎn)生多種形式的破壞，如跨落、斷裂、離層、彎曲等，進(jìn)而發(fā)展到地表形成一定區(qū)域內(nèi)的地表塌陷[2-3]。國(guó)內(nèi)外對(duì)煤礦開采巖層移動(dòng)規(guī)律研究較多，但煤礦床是賦存相對(duì)規(guī)則的水平煤層，通常采用綜放式開采，而在金屬礦床中賦存條件復(fù)雜，礦體形狀不規(guī)則且呈現(xiàn)分支復(fù)合現(xiàn)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(shí)金屬礦床存在復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)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(dòng)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(jī)理、地表移動(dòng)規(guī)律等理論研究仍處于起步階段[7-9]。

紅嶺鉛鋅礦用空?qǐng)龇?lián)合崩落法開采，即空?qǐng)龇ɑ夭傻V房，崩落法回收礦柱。由于采空區(qū)采用強(qiáng)制崩落上覆圍巖充填處理，不僅造成體積達(dá)210萬m3的地表塌陷坑，同時(shí)危及提升豎井井筒及地表工業(yè)設(shè)施安全。因此，有必要針對(duì)紅嶺鉛鋅礦地質(zhì)條件和開采特征，研究巖層移動(dòng)規(guī)律，圈定礦床開采地表巖層移動(dòng)帶，為礦山安全決策及地表工業(yè)建筑布置提供科學(xué)依據(jù)。

1 工程概況

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(zhǎng)度1350 m。紅嶺礦業(yè)公司井下目前有8個(gè)中段，三中段及以上已塌陷，四、五、六中段為主要生產(chǎn)中段，七、八中段正在進(jìn)行采準(zhǔn)工程。礦山采用階段空?qǐng)霰缆渎?lián)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?qǐng)龇ɑ夭?、頂?shù)字捎帽缆浞ɑ夭伞?/p>

經(jīng)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(jù)統(tǒng)計(jì)，地表塌陷區(qū)面積為52416 m2，體積為210萬m3，底部最上部到達(dá)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(kuò)大。

2 紅嶺鉛鋅礦巖層移動(dòng)角確定與地表移動(dòng)帶圈定

總結(jié)國(guó)內(nèi)外在該領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀與研究成果，巖層移動(dòng)的預(yù)測(cè)理論與預(yù)測(cè)方法主要有：觀測(cè)、探測(cè)、測(cè)試方法；理論分析方法；物理模擬方法；數(shù)值分析方法；工程類比法等。

工程類比法是目前最常采用的一種方法,也是礦床開拓設(shè)計(jì)的首選方法。根據(jù)巖體的普氏分級(jí)系數(shù)、地質(zhì)構(gòu)造、礦體的產(chǎn)狀等情況,將設(shè)計(jì)礦山與地質(zhì)、采礦條件相類似的開采礦山進(jìn)行比較，綜合考慮確定相適應(yīng)的巖層移動(dòng)參數(shù)。

礦區(qū)鋅1號(hào)礦體為主要礦體，分布6～45線間，長(zhǎng)1350 m，地表可見露頭，賦存標(biāo)高1110～630 m，控制最大垂深480 m，厚度一般為5～6 m，走向北東59°，傾向北西，傾角70°～80°。礦體延深西淺東深，主礦段為29線至1線長(zhǎng)800 m，垂深200～400 m，連續(xù)性好，礦體最大厚度 28.33 m，最小厚度0.99 m，平均厚度9.99 m，上盤f=8，下盤f=12。

經(jīng)工程對(duì)比，認(rèn)為武山銅礦與赤峰山金紅嶺鉛鋅礦1號(hào)礦體各方面條件最為接近。武山銅礦的巖層移動(dòng)角見表1。

表1 武山銅礦巖層移動(dòng)角

根據(jù)采礦手冊(cè)上所提供的礦山移動(dòng)角資料，研究表明，圍巖的普氏系數(shù)愈高，巖體移動(dòng)角愈大。所以，赤峰山金紅嶺鉛鋅礦1號(hào)礦體上下盤普氏系數(shù)均略大于武山銅礦，經(jīng)過對(duì)比與修正，該礦體巖層移動(dòng)角為 α=59°，β=64°，γ=69°。

3 紅嶺鉛鋅礦巖層移動(dòng)數(shù)值模擬分析

依據(jù)紅嶺鉛鋅礦礦區(qū)地質(zhì)剖面建立礦床開采三維有限元數(shù)值模型，分析計(jì)算礦山1至6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(jù)地表變形狀態(tài)圈定地表移動(dòng)帶。

3.1 數(shù)值模型建立

以紅嶺鉛鋅礦 1#至 29#勘探線地質(zhì)剖面圖為基礎(chǔ)，建立高精度符合礦體復(fù)雜曲面形狀的三維有限元數(shù)值模型。本次建模共劃分29個(gè)group，按照材料特征分為礦體、矽卡巖、大理巖、長(zhǎng)石斑脈巖及板巖，材料力學(xué)參數(shù)見表2。礦體模型如圖1所示，在模型中部存在一脈巖。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.2.1 地表位移分析

利用三維計(jì)算模型對(duì)紅嶺鉛鋅礦各中段礦體開采結(jié)束后的地表移動(dòng)變形規(guī)律進(jìn)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(dòng)角，圖2為6中段開采完畢，地表及圍巖的豎向位移場(chǎng)。

開挖六中段后的圍巖塑性區(qū)如圖3所示。

圖2和圖3數(shù)值模擬結(jié)果表明：

（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(xiàn)向上的正向位移，這是因?yàn)榈V體開挖后，巖層具有較大的水平應(yīng)力，泊松效應(yīng)使肪巖地表附近將會(huì)產(chǎn)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(shì)。

（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(duì)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(yuǎn)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(fēng)化作用，這些破壞的塑性區(qū)在實(shí)際中已經(jīng)塌陷。

根據(jù)塑性區(qū)破壞情況推測(cè)地表破壞情況，畫出了破壞塑性區(qū)的包絡(luò)曲線(見圖3)。根據(jù)包絡(luò)線推測(cè)5#勘探線西南方向地表塌陷寬度約為210 m，17#勘探線東北方向地表塌陷寬度約為130 m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，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(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)值吻合，表明數(shù)值模擬結(jié)論的可靠性。

表2 數(shù)值模擬材料力學(xué)參數(shù)

圖1 礦體模型

圖2 六中段開挖后豎向位移場(chǎng)

圖3 圍巖塑性圖

3.2.2 地表巖層移動(dòng)角分析

選取六中段開挖后的計(jì)算結(jié)果作為移動(dòng)角選擇依據(jù)，圖4為六中段開挖后位移分布。豎直位移指標(biāo)達(dá)到或超過變形標(biāo)準(zhǔn)值(10 mm)，該節(jié)點(diǎn)即可視為地表破壞點(diǎn)，以此為依據(jù)，計(jì)算得出：礦體5#勘探線的上盤移動(dòng)角為59°，下盤移動(dòng)角為65.7°；17#勘探線的上盤移動(dòng)角為 59.5°，下盤移動(dòng)角為61.9°。礦體垂直勘探線的剖面圖可以得出礦體的端部移動(dòng)角為68.9°。經(jīng)綜合分析，礦體上盤平均移動(dòng)角α=59.2°，下盤巖層平均移動(dòng)角β=63.8°，端部移動(dòng)角 γ=68.9°。工程類比法得出的巖層移動(dòng)角為α=59°，β=64°，γ=69°，數(shù)值模擬研究得出的巖層移動(dòng)角與工程類比法計(jì)算得出的結(jié)論類似。因此，數(shù)值模擬驗(yàn)證了工程類比法所得巖層移動(dòng)角結(jié)論的正確性。

3.2.3 地表巖層移動(dòng)帶圈定

根據(jù)地表豎向位移為 10 mm圈定六中段開挖后地表的移動(dòng)帶范圍，如圖5所示，由圖5可知，紅嶺鉛鋅礦移動(dòng)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(zhǎng)度為800 m，面積大約為320000 m2?；肪嚯x移動(dòng)帶為70 m，如果繼續(xù)向下開采，則箕斗井很有可能會(huì)處在移動(dòng)帶范圍之內(nèi)，因此，深部礦體開采時(shí)必須采取有效措施控制移動(dòng)帶范圍的進(jìn)一步延伸。

圖4 5#勘探線移動(dòng)角示意圖

圖5 地表移動(dòng)帶范圍示意圖

4 結(jié) 論

（1）運(yùn)用工程類比法對(duì)開采區(qū)域巖層移動(dòng)進(jìn)行分析，得到巖層移動(dòng)角為 α=59°，β=64°，γ=69°。采用數(shù)值模擬的方法對(duì)礦體開采后位移進(jìn)行分析，驗(yàn)證了工程類比法得到巖層移動(dòng)角的正確性；根據(jù)豎直方向位移10 mm圈定地表移動(dòng)帶，移動(dòng)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(zhǎng)度為800 m，移動(dòng)帶面積大約為320000 m2。

（2）根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)開采區(qū)域巖層破壞塑性區(qū)包絡(luò)曲線推算地表塌陷區(qū)范圍與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)范圍吻合，驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)論的可靠性。

（3）根據(jù)紅嶺鉛鋅礦巖層移動(dòng)范圍研究結(jié)果，箕斗井距離移動(dòng)帶只有70 m，隨著礦體回采向下延伸，移動(dòng)帶范圍將進(jìn)一步擴(kuò)大，如不采取有效措施控制地壓?jiǎn)栴}，箕斗井等主要地表生產(chǎn)設(shè)施將處于移動(dòng)帶范圍內(nèi)，造成礦山生產(chǎn)安全隱患。