某石膏礦地下開采誘發(fā)的地表沉降分析

何 偉 王 星 李同鵬

（1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司，安徽 馬鞍山 243000；2.金屬礦山安全與健康國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 馬鞍山 243000；3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司，安徽 馬鞍山 243000）

礦山地下開采會(huì)對(duì)礦體頂?shù)装宕怪狈较虻膸r體產(chǎn)生影響，甚至引起地表變形或下沉，導(dǎo)致地表建（構(gòu)）筑物損壞，嚴(yán)重影響地表安全及礦山安全高效生產(chǎn)。某石膏礦采用豎井開拓，自2010年以來一直采用房柱法開采，主要開采Ⅱ、Ⅲ礦體，井下按設(shè)計(jì)劃分盤區(qū)，盤區(qū)長250 m，寬60 m，高度為礦體垂直厚度，在盤區(qū)內(nèi)劃分礦房進(jìn)行回采。設(shè)計(jì)礦房寬8 m，留連續(xù)礦柱，礦柱寬4 m，礦房頂板護(hù)頂層厚大于1 m。為減小頂板暴露面積，提高圍巖穩(wěn)定性，礦山實(shí)際開采時(shí)，優(yōu)化減小采場參數(shù)，確定礦房寬7.5 m，礦柱寬4.5 m，礦房高度為3.5～4.0 m。目前，開采區(qū)段內(nèi)形成空區(qū)面積約19.85萬m2，其中，約有10.03萬m2的采空區(qū)已發(fā)生塌陷，礦山地表已形成塌陷面積共28.73萬m2，嚴(yán)重威脅地下開采安全，因此，亟需對(duì)地下開采誘發(fā)的地表沉降情況進(jìn)行具體分析，以保障高效開采和地表建構(gòu)筑物安全。

1 礦體地質(zhì)特征

礦床位于三和集西側(cè)。西起11勘探線西即東經(jīng)117°53′45″，東至9勘探線即東經(jīng)117°54′15″，南至ZK1106—ZK907一線，北以F1斷層為界。南北傾向長2 034～2 062 m，東西走向?qū)?66～784 m，面積為1.89 km2。由13個(gè)具工業(yè)價(jià)值的礦體組成，礦體累計(jì)平均厚度達(dá)29.40 m，儲(chǔ)量8 892.7萬t，為一大型石膏礦床。

礦體呈層狀、似層狀，總體傾向北北東，傾角為1°～7°。從整個(gè)礦床分布范圍來看，礦體產(chǎn)狀受盆地形態(tài)控制，局部有所變化，主要表現(xiàn)為礦床中北部產(chǎn)狀平緩，由此往中部、中南部傾向逐漸轉(zhuǎn)向北西向，往北部方向傾向則逐漸轉(zhuǎn)向北東向?？傮w分析，礦體南部、西北部產(chǎn)狀較中西部、東北部平緩，整個(gè)礦床礦體傾角在5°左右。

礦床劃分為13個(gè)礦體，自下而上分別是Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ、Ⅹ、Ⅺ、Ⅻ、XIII礦體。其中，Ⅱ、Ⅲ礦體分布穩(wěn)定，范圍廣，厚度大，且礦體連續(xù)，礦石質(zhì)量好，為主礦體，其他礦體為副礦體。Ⅱ、Ⅲ礦體在本礦床范圍內(nèi)分布廣泛，規(guī)模大。Ⅱ礦體長2 034～2 606 m，寬409～784 m，平均厚5.03 m，以層狀產(chǎn)出。Ⅲ礦體長1 735～2 400 m，寬420～784 m，平均厚5.22 m，以層狀、似層狀產(chǎn)出。礦體埋藏深度在不同鉆孔及礦床內(nèi)不同地段均有所不同。Ⅱ礦體頂部埋深為30.00～177.30 m，Ⅲ礦體頂部埋深為57.96～165.00 m。

2 采空區(qū)及塌陷區(qū)概況

礦房規(guī)格一般寬7.5 m，長22～120 m不等，礦柱寬4.5 m，采場平均高度為3.6 m，最高達(dá)4.20 m。井下開采面積約43.52萬m2，開采標(biāo)高為0～-90 m，開采區(qū)段內(nèi)形成空區(qū)面積約19.85萬m2，其中，約有10.03萬m2的采空區(qū)地表已發(fā)生塌陷，最大塌陷深度1.79 m，平均塌陷深度0.92 m，塌陷深度小于1 m的面積22.20 hm2，塌陷深度大于1 m的面積6.90 hm2，占塌陷總面積24%。井下采空區(qū)統(tǒng)計(jì)詳見表1。

各盤區(qū)劃分如圖1所示。

3 地下開采誘發(fā)的地表沉陷理論計(jì)算

石膏礦開采沉陷的分布規(guī)律取決于地質(zhì)和采礦因素的綜合影響，這些地質(zhì)和采礦因素中［1］。采礦技術(shù)因素是可以人為控制的因素，包括采礦方法、采深與采厚、頂板管理方法、重復(fù)采動(dòng)、采空區(qū)范圍、開采速度等［2］。

3.1 采動(dòng)巖層內(nèi)的“三帶”分布

3.1.1 冒落帶計(jì)算

冒落帶的高度取決于石膏礦厚度和上覆巖石的碎漲系數(shù)，一般為采出厚度的3～5倍，頂板為軟巖時(shí)，冒落帶的高度為采出厚度的2～4倍，用下式［3］估算：

式中，hm為冒落帶高度，m；m為石膏礦開采厚度，m；k為上覆巖層碎漲系數(shù)；α為石膏礦體傾角，（°）。

本石膏礦中，m=3.6 m，k=1.24，a=5°，因此，本石膏礦開采后冒落帶的理論計(jì)算值hm=15.06 m。

但根據(jù)本礦山實(shí)際，冒落帶最大高度可達(dá)到43.64 m，為理論計(jì)算值的2.9倍。

3.1.2 裂隙帶計(jì)算

裂隙帶隨著井下石膏礦采區(qū)的擴(kuò)大而逐步向上發(fā)展，當(dāng)?shù)揭欢ǚ秶鷷r(shí)，裂隙帶高度達(dá)到最大。一般情況下，對(duì)于軟巖，導(dǎo)水裂隙帶高度可用下式［4］估算：

式中，hl為冒落帶高度，m。

本石膏礦中，m=3.6 m，因此，本石膏礦開采后冒落帶的理論計(jì)算值為hl=26.28 m。但根據(jù)本礦山工程實(shí)際，冒落帶最大高度可達(dá)到45.78 m，為理論計(jì)算值的1.74倍。

3.1.3 彎曲帶計(jì)算

彎曲帶即彎曲下沉帶，位于裂縫帶之上直至地表。彎曲帶中的巖層移動(dòng)基本上是成層的、整體性移動(dòng)。彎曲帶的下部可能出現(xiàn)離層和不導(dǎo)水的細(xì)微裂縫。上述巖層移動(dòng)的分帶性特征可能隨地質(zhì)和采礦條件的變化而變化。一般情況下，彎曲帶的高度遠(yuǎn)大于冒落帶和裂隙帶的高度之和［5］。本礦山中，冒落帶和裂隙帶高度之和的理論計(jì)算值為41.34 m，因此，彎曲帶高度的理論估值大于60 m，“三帶”高度理論計(jì)算值為101.34 m。而實(shí)際冒落帶和裂隙帶高度之和最大值能達(dá)到89.42 m，相應(yīng)的彎曲帶估算高度大于90 m，其“三帶”高度為179.42 m。

根據(jù)采動(dòng)巖層內(nèi)冒落帶、裂隙帶和彎曲帶等的“三帶”理論計(jì)算分析，本礦中“三帶”高度之和大于采空區(qū)上覆巖層厚度，因此，可認(rèn)為上覆巖層變形已貫穿至地表。

3.2 地表沉降最大值計(jì)算

根據(jù)地質(zhì)采礦條件和采用的預(yù)計(jì)參數(shù)，可定量計(jì)算出受此開采影響的地表移動(dòng)和變形。針對(duì)地表沉降預(yù)計(jì)，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究工作，主要包括典型曲線法、概率積分法、負(fù)指數(shù)函數(shù)法等。本研究選擇基于概率積分法計(jì)算的開采沉降值估算公式。根據(jù)開采沉陷學(xué)理論，在充分采動(dòng)條件下，地表最大下沉值的計(jì)算公式［6］如下：

式中，Wmax為地表最大下沉值，m；k為影響調(diào)整系數(shù)；α為巖層傾角，（°）；q為下沉系數(shù)。

本石膏礦中，a=5°，m=3.6 m，q=0.925，由于本礦山實(shí)際冒落帶高度為理論計(jì)算值的2.9倍，實(shí)際裂隙帶高度為理論計(jì)算值的1.74倍，考慮實(shí)際冒落后上覆巖層碎漲的影響范圍比理論計(jì)算的大，所以將影響調(diào)整系數(shù)取值 0.43［7-8］。

因此，本石膏礦Ⅲ礦體開采后地表沉降最大理論值Wmax=1.43 m。

根據(jù)本石膏礦提供的實(shí)測資料，1#、3#、4#和5#、10#和14#盤區(qū)所對(duì)應(yīng)地面塌陷區(qū)內(nèi)最大塌陷深度分別為1.74，1.72，1.78和1.79 m，均已大于理論計(jì)算值，因此，可認(rèn)為這些盤區(qū)所對(duì)應(yīng)的采空區(qū)上覆巖層均已連續(xù)塌陷變形，下沉直至地表。

4 地下開采誘發(fā)地表沉陷的數(shù)值模擬

4.1 三維計(jì)算模型的建立

本次計(jì)算結(jié)合礦山的實(shí)際工程地質(zhì)條件、礦體賦存條件及采用的采礦法特點(diǎn)，根據(jù)開采實(shí)際，建立數(shù)值計(jì)算模型，共有385 228個(gè)節(jié)點(diǎn)，362 304個(gè)單元。模型如圖2所示。

4.2 數(shù)值模擬步驟

為盡可能客觀真實(shí)地反映礦體開采及覆巖的變形特征，并使得模擬開采在正確的應(yīng)力環(huán)境中進(jìn)行，按照如下步驟進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算［9-11］。

（1）根據(jù)礦山實(shí)際，使模型達(dá)到初始應(yīng)力平衡狀態(tài)，形成初始應(yīng)力場。

（2）在模型達(dá)到初始應(yīng)力平衡狀態(tài)后，根據(jù)采礦方法和實(shí)際情況進(jìn)行采場開采模型構(gòu)建。

（3）根據(jù)回采順序模擬石膏礦地下采場開采，分析采空區(qū)上覆巖層變形和地表沉降特性。

4.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

經(jīng)過開采數(shù)值模擬，得到了最大主應(yīng)力云圖、最小主應(yīng)力云圖、塑性區(qū)云圖、剪應(yīng)力云圖和11#勘探線上鉆孔ZK1105、ZK1102、ZK1103、ZK1104、ZK1101附近部分監(jiān)測點(diǎn)的沉降曲線等，見圖3～圖9。

由圖3～圖9可知：在整個(gè)回采計(jì)算過程中，石膏礦回采后，采空區(qū)上覆巖層呈現(xiàn)明顯的應(yīng)力低值，最大主應(yīng)力為1.55 MPa，最小主應(yīng)力為0.09 MPa，在采空區(qū)角隅處并未見明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。采空區(qū)上覆圍巖最大位移為0.66 m，主要出現(xiàn)在集中采空區(qū)直接上覆圍巖中。回采結(jié)束后，地表的最大沉降位移為0.62 m，主要出現(xiàn)在10#和14#采空區(qū)垂直方向?qū)?yīng)的地表位置，在11#勘探線附近的監(jiān)測點(diǎn)中，ZK1102附近監(jiān)測點(diǎn)的下沉值最大，為0.11 m，其為11#盤區(qū)在垂直方向所對(duì)應(yīng)的地表位置，與最大不平衡力一致，位移也表現(xiàn)為收斂狀態(tài)。在采空區(qū)頂板冒落后，上覆巖層中最大主應(yīng)力為0.96 MPa，最小主應(yīng)力為0.28 MPa，和剛回采結(jié)束后相比，應(yīng)力進(jìn)一步釋放，這與上覆巖層冒落貫穿至上部的理論分析相吻合。采空區(qū)直接頂板冒落填充至采空區(qū)內(nèi)部，當(dāng)采空區(qū)覆巖冒落后，上覆巖層變形貫穿至地表，計(jì)算結(jié)束時(shí)，地表最大位移為1.36 m，同樣出現(xiàn)在10#和14#盤區(qū)集中采空區(qū)在垂直方向所對(duì)應(yīng)的地表位置。在11#勘探線附近的監(jiān)測點(diǎn)中，ZK1103附近監(jiān)測點(diǎn)的下沉值最大，為0.37 m，其為5#盤區(qū)在垂直方向所對(duì)應(yīng)的地表位置，同時(shí)也表現(xiàn)為收斂狀態(tài)。

數(shù)值模擬計(jì)算所得地表最大位移為1.36 m，出現(xiàn)在10#和14#盤區(qū)所對(duì)應(yīng)的地表位置，而根據(jù)礦山實(shí)測，1#、3#、4#和5#、10#和14#盤區(qū)所對(duì)應(yīng)地面塌陷區(qū)內(nèi)最大塌陷深度分別為1.74，1.72，1.78和1.79 m，均已大于數(shù)值模擬計(jì)算值，結(jié)合上覆巖層的塑性區(qū)貫通情況，可認(rèn)為這些盤區(qū)所對(duì)應(yīng)的采空區(qū)上覆巖層均已連續(xù)塌陷變形，下沉直至地表。

5 結(jié) 論

本礦山礦體開采后，開采寬深比均大于1.4，地表已經(jīng)達(dá)到了超充分采動(dòng)狀態(tài)。根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果，Ⅲ礦體開采后地表沉降最大值為1.43 m，三維數(shù)值模擬計(jì)算所得地表最大沉降值為1.36 m，均出現(xiàn)在10#和14#盤區(qū)垂直方向上所對(duì)應(yīng)地表位置；而根據(jù)礦山實(shí)測結(jié)果，1#、3#、4#和5#、10#和14#盤區(qū)所對(duì)應(yīng)地面塌陷區(qū)內(nèi)最大塌陷深度分別為1.74，1.72，1.78和1.79 m；實(shí)測值均大于理論計(jì)算和數(shù)值模擬2種方法所得地表沉降的最大值、因此，可認(rèn)為這些盤區(qū)所對(duì)應(yīng)的采空區(qū)上覆巖層均已連續(xù)塌陷變形，下沉直至地表，其他采空區(qū)所對(duì)應(yīng)上覆巖層尚未完全塌陷變形。本次研究結(jié)果為礦山后續(xù)的安全生產(chǎn)提供了理論支撐。