高速公路壓覆礦體開采地表變形預(yù)測

曹易恒，尹賢剛，李向東，甯瑜琳

(1.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司，長沙410012；2.國家金屬采礦工程技術(shù)研究中心，長沙410012)

建筑物下、鐵(公)路下和水體下埋藏的礦體稱為“三下”礦體，“三下”礦體的開采可能導(dǎo)致位于地表的建筑物、交通工程、水利工程發(fā)生破壞失穩(wěn)，從而產(chǎn)生一系列威脅人員生命財(cái)產(chǎn)安全的問題[1]。

壓覆礦體開采的關(guān)鍵是如何控制地下開采引起上覆巖層和地表移動(dòng)變形，國內(nèi)外已有許多研究人員對此進(jìn)行了研究。許家林等提出關(guān)鍵層理論，分析了關(guān)鍵層活動(dòng)對覆巖與地表移動(dòng)的影響[2]；劉仁冬等通過數(shù)值模擬方式研究了“三下”礦體開采造成的地表移動(dòng)變形，分析了地表移動(dòng)變形規(guī)律[3-5]；陳則連等通過理論計(jì)算或數(shù)值模擬研究了公路鐵路下開采造成的地表移動(dòng)變形，并提出了具體的保護(hù)措施[6-8]；王偉等采用數(shù)值模擬方式研究了充填采礦法的地表變形，表明充填體對減小采礦引起地表變形具有重要作用[9-10]。

本研究以盤龍鉛鋅礦礦區(qū)的高速公路壓覆礦體開采為例，綜合利用理論計(jì)算和數(shù)值模擬的方式得出壓覆礦體開采造成的地表移動(dòng)變形結(jié)果，并導(dǎo)出數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行后處理，生成地表移動(dòng)變形等值線復(fù)合圖，以此可直觀對照大致得出諸如建筑物、公路等地表保護(hù)對象的移動(dòng)變形值，從而判定壓覆礦體開采是否會(huì)使得高速公路發(fā)生破壞。

1 工程概況

礦區(qū)主要出露地層為第四系土層，平均厚度16 m。礦區(qū)地表有建筑物、河流、公路等，地表不允許塌陷，其中礦區(qū)4～6勘探線之間有高速公路通過，礦區(qū)東部有寬約500 m、水位40～45 m的黔江流過，為防止突水淹礦和嚴(yán)重巖溶地面塌陷問題的發(fā)生，礦區(qū)東部設(shè)有注漿帷幕擋水工程。東部礦體主要賦存于白云巖中，總體走向北東向，走向長750 m，最大傾斜延伸1 100 m，傾向340°，傾角平均82°，厚度平均18 m，賦存標(biāo)高62～-1 140 m。

為延長礦山服務(wù)年限，增加可采資源儲(chǔ)量，綜合考慮后決定試采位于2～16線，-220 m標(biāo)高以下高速公路壓覆的礦體，設(shè)計(jì)采礦方法為機(jī)械化上向水平分層充填法，中段高60 m，采場垂直走向布置，兩步驟回采，礦房礦柱寬度均為15 m，分層高度4～5 m。

2 理論計(jì)算

概率積分法基本原理是以正態(tài)分布函數(shù)為影響函數(shù)用積分式表示地表下沉盆地，是我國應(yīng)用于地表開采沉陷預(yù)測比較成熟的一種理論預(yù)計(jì)方法。本文具體采用了P系數(shù)法、條帶經(jīng)驗(yàn)公式法、特殊開采法三種計(jì)算方法進(jìn)行預(yù)測，三種計(jì)算方法的計(jì)算結(jié)果見表1，計(jì)算結(jié)果與2017年頒發(fā)的《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》規(guī)程對比可知，理論計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)程安全要求，表明地表建構(gòu)筑物未發(fā)生破壞。

表1 概率積分法理論計(jì)算結(jié)果

3 數(shù)值模擬

3.1 模型建立及參數(shù)

依據(jù)勘探線剖面圖提取的礦巖邊界，綜合利用3Dmine生成礦體邊界、Midas GTS建立礦體實(shí)體并劃分網(wǎng)格、FLAC3D模擬開挖計(jì)算，最終實(shí)現(xiàn)壓覆礦體數(shù)值模擬開挖計(jì)算。模型X方向長1 500 m，Y方向長500 m，Z方向-1 100 m至地表，數(shù)值模擬計(jì)算模型如圖1所示。模型單元體數(shù)量為126.6萬，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為23.9萬。

圖1 數(shù)值模擬計(jì)算模型Fig.1 Numerical simulation model

約束方式為邊界位移約束，模型X、Y方向端部平面分別只約束X方向、Y方向位移，模型底部只約束Z方向位移，頂部地表面為自由邊界。將模型巖體簡化為各向同性的材料，以Mohr-Coulomb準(zhǔn)則為屈服準(zhǔn)則，礦巖力學(xué)參數(shù)具體見表2。

表2 礦巖物理力學(xué)參數(shù)表

3.2 開挖步驟及回采順序

模擬開挖步驟依照該礦山壓覆礦體機(jī)械化上向水平分層充填法回采方案，中段間的開挖順序?yàn)橛缮现料?，依次回采充?380 m中段至-980 m中段，最后回采充填-270 m、-320 m中段；中段內(nèi)的開挖順序?yàn)閮刹襟E回采，隔一采一，一步驟采場回采寬度15 m，二步驟采場回采寬度15 m，同一水平的采場同時(shí)作業(yè)。模擬回采充填步驟見表3。

表3 模擬回采充填步驟表

3.3 模擬計(jì)算結(jié)果

由于FLAC3D云圖等值線上沒有標(biāo)明數(shù)值，且無法單獨(dú)展示地表移動(dòng)變形云圖，由此導(dǎo)出的地表移動(dòng)變形云圖可讀性不強(qiáng)，利用相關(guān)軟件將結(jié)果進(jìn)行可視化后處理便于直觀閱讀地表移動(dòng)變形結(jié)果，后處理所得等值線復(fù)合圖具體如下：

地表最大沉降量約為12.3 mm，主要位于6～10線，地表沉降變形情況如圖2所示；地表最大傾斜絕對值0.011 7 mm/m，位于16線附近，地表傾斜變形情況如圖3所示；地表水平變形情況如圖4所示，地表最大水平變形絕對值為0.010 6 mm/m；地表最大曲率絕對值為0.003×10-3/m，位于X=37 369 100，Y=2 600 300附近。

圖2 地表沉降位移等值線復(fù)合圖Fig.2 Composite contour sheet of surface settlement displacement

圖3 地表傾斜變形情況Fig.3 Surface tilt deformation

3.4 結(jié)果分析

2017年頒發(fā)的《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》，其中規(guī)定地表移動(dòng)邊界按實(shí)測下沉值10 mm的點(diǎn)確定，Ⅰ級保護(hù)建筑物的變形臨界允許值：傾斜變形i=±3 mm/m，水平變形ε=±2 mm/m，曲率變形K=±0.2×10-3/m。

圖5 地表沉降三維云圖Fig.5 Three dimensional cloud chart of surface settlement

依據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，按沉降10 mm作為邊界可圈出地表沉降盆地東西向邊界。對比分析地表沉降三維云圖(圖5)和地表最大變形-沉降等值線復(fù)合圖(圖6)可知，地表最大傾斜變形0.011 7 mm/m，位于地表沉降盆地中腰部；地表最大水平變形0.010 6 mm/m，位于模型邊界、沉降量最大區(qū)域；最大曲率變形0.003×10-3/m，位于沉降量最大區(qū)域、沉降盆地中心圈內(nèi)。由表4數(shù)值模擬結(jié)果與規(guī)程要求對比可知，以上變形結(jié)果均小于臨界允許值，這表明壓覆礦體模擬開采后，地表建構(gòu)筑物未發(fā)生破壞。

圖6 地表最大變形-沉降等值線復(fù)合圖Fig.6 Composite contour sheet of maximum surface deformation and settlement

表4 數(shù)值模擬結(jié)果表

4 結(jié)論

為探討“三下”礦體開采引起的地表移動(dòng)變形，以盤龍鉛鋅礦高速公路壓覆礦體開采為例，采用數(shù)值模擬和理論計(jì)算的方法進(jìn)行研究，取得如下結(jié)論：

1)概率積分法理論計(jì)算得出地表最大傾斜變形0.101 mm/m、最大水平變形0.078 mm/m、最大曲率變形0.000 4×10-3/m；數(shù)值模擬得出地表最大傾斜變形0.011 7 mm/m、最大水平變形0.010 6 mm/m、最大曲率變形0.003×10-3/m。理論計(jì)算和數(shù)值模擬結(jié)果均符合規(guī)程要求，表明壓覆礦體開挖后，包括高速公路在內(nèi)的地表建構(gòu)筑物未發(fā)生破壞。

2)最大傾斜變形位于沉降盆地中腰部，最大水平變形位于沉降量大的模型邊界，最大曲率變形位于沉降盆地中心圈內(nèi)。

3)數(shù)值模擬分析及理論計(jì)算結(jié)果為研究高速公路壓覆礦體開采引起地表移動(dòng)變形和論證類似壓覆礦體是否能開采提供了依據(jù)，對于類似礦山具有重要意義。