某鐵礦地下開采對(duì)地表建（構(gòu)）筑物的安全影響研究

李何林 周 磊 祝小龍 胡 崴 楊強(qiáng)勝

（1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司；2.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心有限公司；4.馬鋼（集團(tuán)）控股有限公司姑山礦業(yè)公司）

地下礦床開采破壞了采場(chǎng)上覆巖層原有的力學(xué)平衡狀態(tài)，當(dāng)?shù)V體開采規(guī)模超過一定范圍時(shí)，起始于采場(chǎng)附近的變形和移動(dòng)將向地表擴(kuò)散，產(chǎn)生連續(xù)或非連續(xù)的地表變形，導(dǎo)致地表出現(xiàn)沉降或塌陷，可能引起地表建（構(gòu)）筑物出現(xiàn)開裂、傾斜或倒塌，造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。因此，對(duì)地表沉降進(jìn)行科學(xué)合理地預(yù)測(cè)，并對(duì)其產(chǎn)生的安全影響進(jìn)行研究，以減輕和避免因地表沉降帶來的危害［1-2］。

礦山地下開采造成的地表沉降問題，受礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造、礦體賦存條件、巖體力學(xué)性質(zhì)和采礦方法等多種因素影響，是一項(xiàng)復(fù)雜的工程問題。目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)地表沉降預(yù)測(cè)的研究方法主要有概率積分法、模糊數(shù)學(xué)法、相似模擬試驗(yàn)法和數(shù)值模擬法等。數(shù)值模擬法基于有限元和有限差分法，在建立仿真模型和賦值時(shí)，可綜合考慮礦區(qū)地質(zhì)條件和采礦方法等因素，并且能將地表沉降預(yù)測(cè)結(jié)果直觀展示出來，因而在礦山地表沉降預(yù)測(cè)研究中應(yīng)用較為廣泛［3-4］。本次利用理論計(jì)算和數(shù)值模擬分析方法，對(duì)某鐵礦隔水護(hù)頂?shù)V柱厚度、礦山地下開采造成的地表沉降以及對(duì)礦區(qū)地表建（構(gòu)）筑的安全影響進(jìn)行研究，為礦山建設(shè)和生產(chǎn)安全管理提供理論依據(jù)。

1 工程概況

某鐵礦為新建礦山，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為200 萬t/a，采用進(jìn)路充填法和分段鑿巖階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法進(jìn)行開采。設(shè)計(jì)階段高度為60 m，自上而下劃分-200，-260，-320，-380，-440，-500，-560 m 共7 個(gè)生產(chǎn)中段，每個(gè)中段內(nèi)設(shè)4個(gè)分段，分段高度為15 m。首采中段為-440 m 中段。為保證產(chǎn)能，-440 m 中段回采完成后需雙中段同時(shí)回采，-200～-380 m 礦體自上而下回采，-440～-560 m 的礦體自下而上回采。礦區(qū)地表水十分發(fā)育，地下水有孔隙水、裂隙水及巖溶裂隙水3 種類型，各含水巖組都有水力聯(lián)系，構(gòu)成統(tǒng)一水位面的含水系統(tǒng)，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，是以孔隙水、裂隙水直接充水為主的水文地質(zhì)類型。礦區(qū)巖組均為Ⅳ類基巖組成，巖體質(zhì)量均屬差—較差，巖體完整性均屬較破碎，工程地質(zhì)條件為復(fù)雜類型。礦山周邊環(huán)境較為復(fù)雜，礦區(qū)范圍內(nèi)地表存在村莊、運(yùn)礦鐵路、縣道和高速公路等建（構(gòu)）筑物，其中，縣道和高速公路位于設(shè)計(jì)地表移動(dòng)范圍外。

由于礦區(qū)地表水系發(fā)育，工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件復(fù)雜、礦體埋藏淺，且礦區(qū)地表存在民房、道路等建（構(gòu)）筑物，為保護(hù)礦區(qū)地表建構(gòu)筑物和地表水，防止開采造成地表水漏失和建構(gòu)筑物破壞等事故，需在開采礦體上部留設(shè)隔水護(hù)頂?shù)V柱。若隔水護(hù)頂?shù)V柱留設(shè)厚度過大，將造成礦產(chǎn)資源浪費(fèi)，若留設(shè)過小，又將對(duì)礦山安全生產(chǎn)造成威脅。因此，對(duì)隔水護(hù)頂?shù)V柱留設(shè)厚度進(jìn)行研究是十分必要的。

2 隔水護(hù)頂?shù)V柱厚度分析

計(jì)算護(hù)頂?shù)V柱安全厚度的理論方法有多種，常用的主要由荷載傳遞交匯線理論、K.B.魯別涅依他公式、冒落帶、裂隙帶高度計(jì)算公式、厚跨比法、結(jié)構(gòu)力學(xué)梁理論和平板梁理論等。由于需要考慮礦區(qū)地表民房以及道路運(yùn)輸車輛的外部荷載，且預(yù)留的礦柱還需要起到隔水作用，本次研究選取了荷載傳遞交匯線理論、K.B.魯別涅依他公式和冒落帶、裂隙帶高度計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。

2.1 荷載傳遞交匯線理論

該方法是假定上部載荷由采場(chǎng)頂板中心位置按豎直線成30°～35°夾角向下傳遞，當(dāng)傳遞線位于頂板與采場(chǎng)幫壁的交點(diǎn)以外時(shí)，即認(rèn)為采場(chǎng)幫壁對(duì)采場(chǎng)頂板起到直接支撐作用，則采場(chǎng)頂板是安全的，此時(shí)的安全隔離礦柱厚度計(jì)算公式如下。

式中，H為護(hù)頂?shù)V柱安全厚度，m；L為采場(chǎng)跨度，4.5 m；θ為荷載傳遞線與頂板中心豎直線之間的夾角，30°～35°；K為安全系數(shù)，考慮礦區(qū)地表存在民房和道路等建（構(gòu)）筑物，安全系數(shù)取10。

2.2 K.B.魯別涅依他公式

該方法考慮了采場(chǎng)跨度、頂板巖體強(qiáng)度、地質(zhì)構(gòu)造和外部荷載等因素對(duì)隔離層安全厚度的影響，計(jì)算公式如下：

式中，γ為頂板巖石密度，2.65 t/m3；σB為考慮強(qiáng)度安全系數(shù)和結(jié)構(gòu)削弱系數(shù)條件下頂板強(qiáng)度極限，MPa；σn3=（7%～10%）σc，MPa，σc為單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；K3為強(qiáng)度安全系數(shù)，取7～10；K0為結(jié)構(gòu)削弱系數(shù)，取2～3；F為外部荷載對(duì)護(hù)頂?shù)V柱的壓力，考慮礦區(qū)地表道路運(yùn)輸車輛的荷載影響，取4 MPa。

2.3 冒落帶、裂隙帶高度計(jì)算公式

礦體采出后，根據(jù)采空區(qū)周圍巖體的破壞程度，可將其分為冒落帶和裂隙帶。裂隙帶高度的確定是水體下開采設(shè)計(jì)和隔水采礦的重要基礎(chǔ)。根據(jù)有關(guān)規(guī)范，冒落帶、裂隙帶高度及隔水護(hù)頂?shù)V柱厚度計(jì)算

公式如下。

式中，Hm為冒落帶厚度，m；Hd為導(dǎo)水裂隙帶厚度，m；M為分層回采厚度，4.0 m。

根據(jù)理論計(jì)算，得出3種方法確定的隔水護(hù)頂?shù)V柱的厚度范圍為16.9～58.4 m（表1），出于保守考慮，取3種方法計(jì)算厚度的最大值，推薦隔水護(hù)頂?shù)V柱的留設(shè)厚度為60 m，詳見圖1。

3 地下開采安全影響分析

3.1 模型建立與參數(shù)取值

3.1.1 模型建立與模擬過程

根據(jù)前文研究結(jié)果，在留設(shè)60 m 隔水護(hù)頂?shù)V柱的基礎(chǔ)上，根據(jù)礦山實(shí)測(cè)地形圖和地質(zhì)剖面圖建立了礦區(qū)開采范圍內(nèi)的礦體及圍巖數(shù)值計(jì)算模型，整體模型尺寸為1 800 m×1 600 m×660 m（長(zhǎng)×寬×高）。采場(chǎng)模型按照不同采礦方法的設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)路充填法開采進(jìn)路為4.5 m×4 m（寬×高），分段鑿巖階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法礦房和礦柱規(guī)格為15 m×15 m（寬×高）。根據(jù)礦山設(shè)計(jì)，將模擬開采過程分為4 個(gè)階段：第一階段開采-440 m 中段，第二階段開采-200 和-560 m 中段，第三階段開采-260和-500 m 中段，第四階段開采-320 和-380 m 中段。數(shù)值計(jì)算模型見圖2。

3.1.2 參數(shù)取值

在室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)基礎(chǔ)上，結(jié)合工程巖體質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)礦山巖體完整程度及巖體基本質(zhì)量分級(jí)情況，對(duì)巖石力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了折減，得到了計(jì)算采用的巖體力學(xué)參數(shù)指標(biāo)，見表2。

3.2 沉降預(yù)測(cè)分析

通過4個(gè)階段開采后的地表沉降云圖（圖3）可以看出，隨著開采活動(dòng)的進(jìn)行，地表沉降值不斷增大，最大沉降值分別為4.87，7.11，10.59 和21.77 cm。第一階段和第二階段開采時(shí)，地表沉降中心主要位于村莊C 附近，第三階段和第四階段開采時(shí)，地表沉降中心向村莊B 附近轉(zhuǎn)移，這與礦體形態(tài)、產(chǎn)狀和回采區(qū)域高度變化等因素影響有關(guān)。整個(gè)開采過程中，運(yùn)礦鐵路和村莊E均位于開采沉降區(qū)范圍之外，高速公路、村莊A 和村莊D 位于沉降區(qū)邊緣附近，其中高速公路、村莊A 和村莊D 處最大沉降值約2.0 cm，縣道、村莊B 和村莊C 位于沉降中心附近，最大沉降值為10～12 cm。

從地表沉降值分析可知，礦山開采沉降對(duì)運(yùn)礦鐵路和村莊E 基本不造成影響，對(duì)高速公路、村莊A和村莊D 影響相對(duì)小，對(duì)縣道、村莊B、村莊C 和村莊D影響相對(duì)較大。因此，礦山在生產(chǎn)過程中應(yīng)重點(diǎn)對(duì)縣道、村莊B 和村莊C 的地表沉降值進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，必要時(shí)及時(shí)采取有效的安全技術(shù)措施，如提高充填體強(qiáng)度和充填接頂率或預(yù)留間柱等。

3.3 建構(gòu)筑物安全影響分析

根據(jù)《有色金屬采礦設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50771—2012），礦區(qū)地表建（構(gòu)）筑物中高速公路保護(hù)等級(jí)為Ⅰ級(jí)，民房、運(yùn)礦鐵路、縣道等保護(hù)等級(jí)為Ⅱ級(jí)，對(duì)建（構(gòu)）筑物的影響程度主要考慮傾斜、曲率和水平變形值，其允許值見表3，計(jì)算公式如下。

（1）傾斜計(jì)算公式為

式中，in為點(diǎn)n處的傾斜值，mm/m；Wn為點(diǎn)n處的下沉值，mm；Ln-n+1為地表點(diǎn)n與點(diǎn)n+1的水平距離，m。

（2）曲率計(jì)算公式為

式中，Kn為地表n點(diǎn)的曲率值，m-1。

（3）水平變形計(jì)算公式為

式中，εn為地表n點(diǎn)的水平變形值，mm/m；Hn為地表點(diǎn)n的水平移動(dòng)值，mm［5-6］。

通過數(shù)值模擬得到了礦山開采后地表產(chǎn)生的垂直位移、水平位移，為進(jìn)一步對(duì)地表變形值進(jìn)行計(jì)算和分析，本次研究選取了10條勘探線，具體位置見圖4，在位移云圖上沿勘探線提取地表位移數(shù)據(jù)，并得到各勘探線上地表的位移曲線圖，見圖5 和圖6。根據(jù)地表位移數(shù)據(jù)和式（7）、式（8）和式（9），計(jì)算得出了各勘探線上的最大傾斜為1.72 mm/m，最大曲率為0.16×10-3m-1，最大水平變形為0.71 mm/m，均滿足Ⅰ級(jí)建筑物變形允許值要求。計(jì)算結(jié)果表明，礦山開采引起的地表變形對(duì)地表村莊、道路等建（構(gòu)）筑物影響輕微，不會(huì)威脅地表建（構(gòu)）筑物安全。

4 結(jié)論

（1）通過理論計(jì)算和數(shù)值模擬分析，確定了礦區(qū)隔水護(hù)頂?shù)V柱的安全厚度為60 m，得出了礦山各開采階段的地表最大沉降值和沉降范圍，明確了礦山地下開采過程中地表需重點(diǎn)監(jiān)測(cè)和防范的區(qū)域。

（2）通過位移數(shù)據(jù)提取和地表變形計(jì)算，得出地表各勘探線上的最大傾斜為1.72 mm/m；最大曲率為0.16×10-3m-1，最大水平變形值為0.71 mm/m，滿足相關(guān)規(guī)范要求。分析結(jié)果表明，礦山開采引起的地表變形不會(huì)威脅地表建（構(gòu)）筑物安全。

（3）本次研究對(duì)礦山未來開采過程中引起的地表沉降變形和對(duì)建（構(gòu)）筑物的安全影響進(jìn)行了合理預(yù)測(cè)分析，為礦山建設(shè)和生產(chǎn)安全管理提供了指導(dǎo)依據(jù)。建議礦山在后續(xù)開采過程中，加強(qiáng)地表沉降變形監(jiān)測(cè)，并根據(jù)揭露的巖體質(zhì)量情況和地表變形情況，進(jìn)一步開展安全專項(xiàng)研究，必要時(shí)采取對(duì)采礦設(shè)計(jì)參數(shù)和充填體強(qiáng)度進(jìn)行優(yōu)化等措施，減小地下開采造成的變形影響，確保地表水系和建（構(gòu)）筑物安全。