板廟子金礦急傾斜薄礦脈深部充填采礦誘發(fā)地表沉降影響范圍分析*

趙興東，趙一凡，魏 慧，陳玉民

(東北大學(xué) 采礦地壓與控制研究中心， 遼寧 沈陽 110819)

0 引 言

地下采動造成巖體內(nèi)部原有的應(yīng)力平衡遭到破壞，導(dǎo)致采場圍巖將依次發(fā)生冒落、斷裂、彎曲、沉降等巖體移動變形，波及地表構(gòu)建筑物，造成其產(chǎn)生不同程度破壞。地表塌陷嚴重時危及井下作業(yè)人員生命安全，甚至造成地下資源無法開采[1]。當前我國分析淺部井下采動對地表沉降影響范圍圈定，主要采用經(jīng)驗公式法、工程類比法以及現(xiàn)場監(jiān)測法等[2]。但隨著地下金屬礦床開采深度的增加，應(yīng)用上述方法分析地表沉降影響范圍，常導(dǎo)致圈定的地表巖體移動影響范圍越來越大，致使礦山不得不擴大地表移動保護范圍、擴大征地面積，甚至迫使礦山改擴建井建工程，嚴重影響到礦山的經(jīng)濟效益。對于深部采動影響地表沉降范圍圈定過小，則無法保證地表構(gòu)建筑物的安全，同時可能造成地表環(huán)境遭到嚴重破壞。

對于井下采動對地表巖移影響范圍的圈定，國內(nèi)外巖石力學(xué)工作者與采礦工程師作了大量的研究工作。早在 19世紀末，地下采礦引起的地表巖層移動、破壞以及由此造成的地表構(gòu)建筑物的破壞就引起了人們的注意，并進行了觀察和記錄[3-4]。在20世紀30年代，波蘭、德國、英國、美國等國家已開始對地表巖體移動進行監(jiān)測和研究。從 20世紀 70年代至今，隨著新理論、新技術(shù)、新方法以及計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，對于井下采動造成地表巖移影響范圍的研究取得了許多進展[5]。在李特維尼申的隨機介質(zhì)理論基礎(chǔ)上[6]，劉寶琛等采用隨機介質(zhì)理論考慮影響地表移動的影響因素，分析井下采動巖石移動問題[7]。Hoek[8-9]針對使用崩落法的露天轉(zhuǎn)地下開采礦山，計算漸進崩落的極限平衡分析方法，分析斷裂面以上的由楔形塊和崩落覆巖的重量以及張開裂縫中水壓而形成的合力超過滑動面上的抗剪力而產(chǎn)生的阻力時，巖體將產(chǎn)生失穩(wěn)斷裂。任偉中等[10]認為地下采空區(qū)周圍存在一定的破損區(qū)，巖體在松動區(qū)內(nèi)將會發(fā)生沉陷或較大的位移，而在松動區(qū)外則有自成平衡的穩(wěn)定趨勢。崩落區(qū)確定方法是以松動區(qū)邊界最寬的位置作鉛垂線，垂線與地表的交點作為崩落區(qū)。移動區(qū)范圍的確定是從采空區(qū)頂板作橫線，與上述兩條鉛垂線相交于兩點，分別以此兩點按類似礦山的移動角作出兩條斜線，與地表相交于兩點，該兩點之間的范圍為移動區(qū)。從“垂線理論”到“法線理論”，再由Dumon修正提出了下沉量的計算公式 W=m×cosa，以及Jlcinsky的“二等分理論”和Oesterr的“自然斜面理論”[11]，主要對覆巖變形移動和地表沉降關(guān)系進行了研究，建立了相關(guān)的幾何理論模型。楊倫[12]提出了巖層二次壓縮理論，將地表下沉直接與巖體的物理力學(xué)性質(zhì)聯(lián)系起來。李增琪[13]建立了巖層移動的三維層狀模型。謝和平[14]應(yīng)用有限元分析井下采動巖層移動規(guī)律。目前有限差分軟件FLAC3D被廣泛應(yīng)用于井下采動對地表移動影響范圍的研究中[15-16]。

本文針對板廟子金礦深部采礦誘發(fā)巖體移動與地表沉降影響范圍問題，采用FLAC構(gòu)建礦體三維空間賦存條件模型，模擬井下開采過程，分析井下采動過程對地表沉降影響，結(jié)合礦山構(gòu)建的地表監(jiān)測數(shù)據(jù)，圈定板廟子金礦深部采動對地表移動沉降影響范圍。

1 工程概況

板廟子金礦位于吉林省樺甸市夾皮溝鎮(zhèn)錦山村板廟子屯，夾皮溝成礦帶北西端。板廟子金礦主要開采302-7號、302-7-1號、302-8號、303-13號4條金礦體，此4條礦體賦存于北西向蝕變帶中，傾角為70°～89°，礦體為含金硫化物石英脈，圍巖主要為花崗質(zhì)片麻巖。礦體水平厚度0.10～8.14 m，平均厚度2.2 m。礦山設(shè)計生產(chǎn)能力：2×104t/a；采用明豎井+兩段盲豎井開拓，井筒開拓深度為1010 m。采用上向水平分層干式充填采礦方法開采礦體，中段高度40 m，礦房走向長度40～50 m，回采分層高度3 m，采用鋼筋混凝土人工假底。深部充填采場主要分部在4號～33.2號勘探線之間，500中段（-90 m標高）以上，采空區(qū)均用廢石料充填?，F(xiàn)有生產(chǎn)中段5個（540 m中段、580 m中段、620 m中段和653 m中段）；目前礦體開采深度為678 m[17]。

圖1 理論模型

為有效分析板廟子金礦井下干式充填開采誘發(fā)地表產(chǎn)生沉降變形的影響范圍（見圖1），需要系統(tǒng)分析井下充填開采過程中采場、礦柱以及圍巖的穩(wěn)定性，最終實現(xiàn)井下開采對地表移動影響范圍圈定。

2 數(shù)值分析方案

2.1 數(shù)值模型建立

本文對板廟子金礦 22條礦體構(gòu)建三維數(shù)值模型，逐一開采充填分析巖體移動規(guī)律。根據(jù)礦山提供的地表地形圖、勘探線剖面圖、中段平面圖及礦體縱投影圖，使用3Dmine軟件建立礦體實體模型，并導(dǎo)出地表地形圖等高線賦值高程。使用MidasGTSNX之地形生成器導(dǎo)入等高線生產(chǎn)地表面文件，并建立礦區(qū)范圍礦體及其圍巖三維數(shù)值模型，將圍巖及礦體連接，優(yōu)化拓補關(guān)系，對圍巖及各個礦體劃分網(wǎng)格，導(dǎo)出網(wǎng)格節(jié)點及單元文件。

根據(jù)礦山提供的地質(zhì)資料建立了數(shù)值模擬計算模型（見圖2），數(shù)值模型的尺寸：X方向1700 m，Y方向1400 m，Z方向1100 m（-500 m～地表，地表起伏無確定值），共劃分 23個分組，其中 1～22分組分別代表22個礦體，23分組為圍巖。該數(shù)值模型共有258 875個節(jié)點，劃分1 486 266個單元。

圖2 板廟子金礦井下三維數(shù)值計算模型

2.2 數(shù)值參數(shù)選取及破壞準則

分析地表沉降時，做如下簡化和假設(shè)：假設(shè)巖體為連續(xù)的、均質(zhì)的、各向同性的介質(zhì)；不考慮構(gòu)造應(yīng)力場，初始應(yīng)力場由巖體的自重生成；研究范圍內(nèi)的巖性比較簡單，簡化為圍巖和礦體兩類。

計算過程采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，采用空模型實現(xiàn)對礦體開采充填的模擬。

邊界約束條件為：模型四周約束水平位移，模型底部約束水平及垂直位移，上部地表為自由表面。由于主要分析井下采動對地表巖移沉降影響，采用巖體自重力作為荷載條件。數(shù)值模型的巖體力學(xué)參數(shù)主要通過在現(xiàn)場取樣進行巖石力學(xué)實驗，應(yīng)用Hoek-Brown對礦體（石英脈）及圍巖（花崗質(zhì)片麻巖）的巖體力學(xué)參數(shù)進行折減。因此，數(shù)值計算中采用的巖體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)

2.3 數(shù)值計算方案

在數(shù)值計算中表現(xiàn)為1至22分組逐一開采，模型計算共23步，第1步在自重條件下計算初始應(yīng)力平衡，第2～23步逐一開挖礦體。

3 數(shù)值計算結(jié)果分析

3.1 井下采動對地表沉降影響分析

應(yīng)用 FLAC3D對板廟子金礦井下采動數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，板廟子金礦井下采動過程造成該礦的地表及采空區(qū)、礦體上下盤均產(chǎn)生了不同程度的巖石移動，并且在地表形成了類橢圓形的沉降等值線（見圖3），即地表移動盆地。但由于板廟子金礦礦體近直立，且開采礦體薄、不連續(xù)，并且使用上向分層干式充填采礦有效的控制井下采動巖體的移動，因此板廟子金礦急傾斜薄礦體開采導(dǎo)致礦區(qū)地表沉降區(qū)域集中在四個區(qū)域，地表最大水平位移點坐標為（x:4759308，y:4760033），最大垂直位移點坐標為（x:42605975，y:4758800），最大水平位移點向遠離礦體方向移動，最大垂直位移點向火藥庫方向移動。但三維數(shù)值計算的井下開采結(jié)束后地表總沉降位移均在3 mm之內(nèi)。

圖3 板廟子金礦井下全部采動結(jié)束后地表沉降影響范圍

礦體開采形成了兩個近乎獨立的地表沉降移動盆地，反映了地下礦體開采結(jié)束后誘發(fā)地表巖體移動沉降規(guī)律。為進一步分析井下采動對地表沉降的影響，在地表沉降區(qū)劃分三個剖面（見圖4），即：1#剖面沿礦體走向長軸方向剖面，2#、3#剖面沿不同勘探線短軸方向剖面，提取地表位移沉降數(shù)據(jù)（見圖5），分析井下采動過程誘發(fā)地表沉降位移變化規(guī)律及其影響范圍。從圖4可以看出，2#剖面經(jīng)過地表位置的移動盆地范圍較3#剖面小，但最大位移值較大，根據(jù)圖2分析其主要原因是因為2#剖面所處位置地下礦體距離地表較近，3#剖面所處位置地下礦體分布范圍較大且數(shù)量多。在 1#、2#、3#3個剖面上提取總位移數(shù)據(jù)，并作散點圖用于分析（見圖 5）可以看出，兩個地表移動盆地最大位移量分別為2.1 mm和2.7 mm。

圖4 板廟子金礦井下采動誘發(fā)地表沉降結(jié)果

3.2 數(shù)值計算結(jié)果與地表實測巖移數(shù)據(jù)對比分析

為進一步驗證數(shù)值分析結(jié)果的合理性，對礦山構(gòu)建的地表巖移監(jiān)測系統(tǒng)的典型監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值分析沉降位移進行對比?，F(xiàn)場地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)共選擇與數(shù)值模型結(jié)果相對應(yīng)的 3個觀測點，即：1號點位于舊豎井工業(yè)場地信號塔，2號點位于舊豎井工業(yè)場地倉庫房前，3號點位于舊豎井附近。地表位移沉降觀測點坐標位置見表2。

圖6不同觀測點的觀測數(shù)據(jù)可以看出，每個觀測點各方向位移值均很小，且處于波動的狀態(tài)，主要由于觀測點位移數(shù)據(jù)小于1 mm，且礦山使用的全站儀的精度僅僅達到mm級，每次測量距離和角度均存在系統(tǒng)誤差，導(dǎo)致每次測量觀測點的初始位置圍繞平均位置周圍波動（見圖 7）。平均沉降位移位置點距離點初始位置位移變化均不足1 mm。即現(xiàn)場沉降觀測結(jié)果表明盡管井下采動，但是地表未發(fā)生大的位移沉降，這與三維數(shù)值分析結(jié)果相吻合（見表2）。

圖5 礦體開采后誘發(fā)地表沉降分布曲線

表2 現(xiàn)場沉降觀測點巖移數(shù)據(jù)與FLAC3D計算結(jié)果對比

圖6 板廟子金礦地表沉降觀測數(shù)據(jù)分析

圖7 1/2/3號觀測點數(shù)據(jù)分布

綜上分析可以看出，盡管板廟子金礦開拓深度超過1000 m，但由于該礦體近直立、礦體薄、分布不連續(xù)，且采用干式充填進行開采，采用三維數(shù)值分析與現(xiàn)場沉降監(jiān)測綜合分析，井下采動誘發(fā)地表沉降的3項指標的數(shù)值均小于臨界變形值，該礦山開采不會誘發(fā)地表產(chǎn)生大的沉降。

4 結(jié) 論

板廟子金礦屬于急傾斜脈狀薄礦脈，幾條礦脈平行分布在礦區(qū)內(nèi)，且單礦體在走向方向分布不連續(xù)，呈脈狀、似脈狀、透鏡狀、扁豆狀產(chǎn)出，礦體真厚度在0.22～8.14 m，主要集中在1～1.2 m；礦體傾角多在 80°～85°。應(yīng)用 FLAC3D對井下深部礦體開采誘發(fā)地表產(chǎn)生應(yīng)力、位移分析計算可知，井下采場采用干式充填采礦其誘發(fā)地表產(chǎn)生的形變（傾斜、曲率、水平變形三項指標）數(shù)值均小于規(guī)程規(guī)范允許的臨界變形值；通過建立深部礦體三維空間數(shù)字模型，并對其進行干式充填開采，其井下深部干式充填開采對地表沉降位移數(shù)據(jù)均小于1 mm，可知對于深部急傾斜分散薄礦脈開采對地表影響很小，不會導(dǎo)致地表建構(gòu)筑物及設(shè)施設(shè)備產(chǎn)生變形、損壞。