深部金屬礦山崩落區(qū)沉降分析

沈 爽 周占星 郭祖江 楊 金 周 生

（1.玉溪礦業(yè)有限公司，云南 玉溪 653100；2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083）

在地下金屬礦山開(kāi)采過(guò)程中，崩落法是一種較為常用的開(kāi)采方法，具有成本低、效率高、工藝簡(jiǎn)單以及作業(yè)安全等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)該方法也易引發(fā)一系列工程災(zāi)害，主要表現(xiàn)為地表沉陷、巷道變形、圍巖剝離冒落、礦震等問(wèn)題[1-5]。另外，使用崩落法回采礦石時(shí)，將形成從開(kāi)采中段直至地表的大量空區(qū)，空區(qū)使得礦山整體穩(wěn)定性下降，而大面積的崩落區(qū)的存在使其存在崩塌的隱患[6-7]。崩落區(qū)的頂板在自重應(yīng)力及上覆巖層的壓力作用下，產(chǎn)生向下的彎曲和移動(dòng)，當(dāng)其所受的張拉應(yīng)力超過(guò)巖層的抗拉強(qiáng)度極限時(shí)，頂板巖層會(huì)發(fā)生斷裂、破碎及冒落，隨著開(kāi)采范圍的不斷擴(kuò)大，會(huì)使崩落區(qū)的上方地表產(chǎn)生沉降，形成塌陷破壞[8-10]。同時(shí)，在回采結(jié)束的一段時(shí)間內(nèi)，崩落區(qū)受地應(yīng)力作用，會(huì)產(chǎn)生非即時(shí)災(zāi)害，如應(yīng)力集中、圍巖變形等[11-13]。

獅子山銅礦長(zhǎng)期使用崩落法回采礦石，形成的大量空區(qū)并延伸至地表，而崩落區(qū)在應(yīng)力集中、風(fēng)化作用和爆破震動(dòng)的長(zhǎng)期作用下，崩落區(qū)穩(wěn)定性降低，進(jìn)而對(duì)礦山安全生產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。本研究在礦山開(kāi)采現(xiàn)狀和勘探資料的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬分析，研究了崩落區(qū)沉降問(wèn)題，從而為礦山的后續(xù)開(kāi)采及地表監(jiān)測(cè)提供參考。

1 工程概況

獅子山銅礦于1977年正式投產(chǎn)，已有40多年的開(kāi)采歷史，井下共形成了18個(gè)中段。采礦工藝依據(jù)不同的礦體及其開(kāi)采條件采用有底柱分段崩落法、階段強(qiáng)制崩落法和自然崩落法。由于礦山長(zhǎng)期使用崩落法回采礦石，形成了大量崩落區(qū)，許多崩落區(qū)存在分布情況復(fù)雜、影響范圍不明的問(wèn)題。崩落區(qū)在長(zhǎng)期的應(yīng)力集中、風(fēng)化作用等影響因素作用下，巖體強(qiáng)度減弱，圍巖變形逐漸發(fā)生剝離脫離，穩(wěn)定性持續(xù)降低，且隨著開(kāi)采的持續(xù)進(jìn)行，崩落區(qū)及巖層移動(dòng)明顯，崩落區(qū)發(fā)生沉降，向上影響延伸至地表，導(dǎo)致地表下沉23.8 cm/a，沉降速率整體偏大，而且有加大趨勢(shì)，巖層位移也隨著深部階段崩落法開(kāi)采持續(xù)增加，最大位移18 mm/a，具有極大的風(fēng)險(xiǎn)隱患。獅子山礦礦區(qū)及沉降區(qū)域如圖1所示。

2 數(shù)值模型

基于獅子山礦的開(kāi)采現(xiàn)狀及基本地質(zhì)勘探資料，通過(guò)數(shù)值模擬可以重現(xiàn)采用崩落法的礦山在開(kāi)采過(guò)程中崩落區(qū)動(dòng)態(tài)響應(yīng)及災(zāi)害演化過(guò)程，進(jìn)而分析崩落區(qū)的沉降問(wèn)題，為礦山安全開(kāi)采提供參考。

（1）模型建立。為了研究獅子山礦崩落區(qū)沉降問(wèn)題，以崩落區(qū)為基準(zhǔn)，為防止計(jì)算邊界效應(yīng)，再適當(dāng)擴(kuò)大研究范圍，并根據(jù)獅子山礦崩落區(qū)的實(shí)際形態(tài)及與周邊巖體之間的相互關(guān)系，采用多模塊建模軟件HyperMesh構(gòu)建礦區(qū)三維有限元模型。模型范圍在x方向長(zhǎng)1 030 m，在y方向上寬為640 m，在縱向（z向）上，凹陷區(qū)地表距模型底面為930 m，隆起區(qū)高點(diǎn)距模型底面為1 200 m，整個(gè)模型體積為1.61×109m3。崩落區(qū)從第四中段延伸至十七中段，并對(duì)崩落區(qū)內(nèi)的斷裂構(gòu)造進(jìn)行了建模。最終獲得三維數(shù)值網(wǎng)絡(luò)模型共包含4 142 185個(gè)單元與4 222 400個(gè)單元節(jié)點(diǎn)。獅子山礦數(shù)值模型如圖2所示。

（2）邊界條件。邊界條件的設(shè)定也是三維數(shù)值模型建立中非常重要的一步，它關(guān)系到模型的合理性和可靠性。對(duì)模型邊界條件作如下規(guī)定：計(jì)算域邊界采取位移約束。由于受采動(dòng)影響范圍有限，在離采場(chǎng)較遠(yuǎn)處巖體位移值將很小，可將計(jì)算模型邊界處位移視為零。因此，計(jì)算域邊界采取位移約束，即模型底部所有節(jié)點(diǎn)采用z方向約束，x所在平面采用x方向約束，y平面采用y方向約束。

（3）巖石力學(xué)參數(shù)取值。通過(guò)大量的基礎(chǔ)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)，包括獅子山礦主要巖石及礦石基本物理力學(xué)參數(shù)測(cè)定，以及基于室內(nèi)動(dòng)靜組合加載巖石力學(xué)試驗(yàn)獲得礦巖動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、彈性模型及泊松比、容重等動(dòng)態(tài)力學(xué)特性參數(shù)。基于相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行理論計(jì)算，獲得獅子山礦礦巖宏觀(guān)巖體力學(xué)參數(shù)，詳見(jiàn)表1。

3 模擬結(jié)果分析

在獅子山礦三維可視化模型的基礎(chǔ)上，利用大型商業(yè)軟件LS-DYNA數(shù)值模擬崩落區(qū)巖體動(dòng)態(tài)響應(yīng)，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)獅子山礦體地表移動(dòng)變形規(guī)律及應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行分析。截取崩落區(qū)數(shù)值模型25#、30#、35#和40#剖面顯示數(shù)值計(jì)算結(jié)果，剖面位置如圖3所示。

3.1 地表變形規(guī)律

一般來(lái)說(shuō)，礦體開(kāi)挖后由于卸荷作用的影響，礦體圍巖應(yīng)力釋放產(chǎn)生位移，最大位移出現(xiàn)在礦體上方。獅子山礦長(zhǎng)期采用崩落法進(jìn)行開(kāi)采，產(chǎn)生大量空區(qū)，空區(qū)內(nèi)留存了大量的礦巖散體，由于散體支撐力較弱，崩落區(qū)圍巖可能在構(gòu)造及自重應(yīng)力作用下產(chǎn)生較大變形，最終發(fā)生巖體剝離、圍巖片幫及空區(qū)坍塌堵塞崩落區(qū)。隨著距礦體的距離不斷增加，巖體內(nèi)應(yīng)力的變化逐漸衰減，對(duì)地表的影響也逐漸減弱。巖體內(nèi)應(yīng)力的變化，表現(xiàn)在地表沉陷上為距采空區(qū)越遠(yuǎn)，下沉值越小。

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提取不同剖面礦體的z向位移云圖（見(jiàn)圖4）。由圖可得，在自重及構(gòu)造應(yīng)力作用下，獅子山礦崩落區(qū)巖體z向位移值范圍為下沉3.5 m至上鼓0.5 m。其中，下沉區(qū)域主要為崩落區(qū)圍巖上盤(pán)，30#、40#剖面下沉量較35#剖面下沉量更大。以30#剖面為例，崩落區(qū)的上盤(pán)及地表區(qū)域越接近崩落區(qū)，下沉量越大。需要指出的是，12中段的巖橋?qū)⒈缆鋮^(qū)分為上部和下部2個(gè)下沉區(qū)域，2個(gè)區(qū)域下沉量都達(dá)到了3 m以上。此外，崩落區(qū)范圍內(nèi)發(fā)生了擠壓上升現(xiàn)象（底鼓），崩落區(qū)底部在構(gòu)造應(yīng)力的作用下沒(méi)有沉降反而產(chǎn)生了擠壓鼓出，鼓出量最大值為0.5 m。

根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，礦山地表沉降最大的區(qū)域位于崩落區(qū)正上方處。沿崩落區(qū)四周布置測(cè)點(diǎn)，共設(shè)置5個(gè)測(cè)點(diǎn)對(duì)崩落區(qū)上方地表沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析以上5個(gè)測(cè)點(diǎn)z方向位移變化規(guī)律，各測(cè)點(diǎn)位移曲線(xiàn)如圖5所示。地表塌陷區(qū)域位移變化在3.8～4.7 m之間，最大下沉值的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于崩落區(qū)正上方中心處。對(duì)比獅子山礦地表陷落區(qū)沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果，從2012年開(kāi)始截止2019年8月22日，監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大沉降值為4.2 m。數(shù)值模擬結(jié)果與礦山現(xiàn)狀情況較為吻合。

3.2 應(yīng)力分布規(guī)律

礦山應(yīng)力主要包括構(gòu)造應(yīng)力及自重應(yīng)力。崩落區(qū)圍巖在構(gòu)造及自重應(yīng)力下出現(xiàn)應(yīng)力集中，崩落區(qū)應(yīng)力集中是導(dǎo)致地下崩落區(qū)圍巖破壞的主要因素之一。

獅子山礦z方向應(yīng)力分布如圖6所示，從計(jì)算結(jié)果可知，自礦體地表至礦體中部乃至深部，z方向應(yīng)力大致呈線(xiàn)性遞增趨勢(shì)，這與傳統(tǒng)的地應(yīng)力認(rèn)知相符。隨著開(kāi)采深度的不斷增加，在第十五中段、第十六中段乃至更深處，z方向的壓應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到了20 MPa及以上，與獅子山礦現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)量數(shù)據(jù)接近。從圖中可以看出，崩落區(qū)底部上盤(pán)出現(xiàn)了較強(qiáng)的應(yīng)力集中（十五、十六中段）。此外，崩落區(qū)圍巖內(nèi)壁大面積出現(xiàn)拉應(yīng)力，崩落區(qū)整體拉應(yīng)力水平中等，十二中段巖橋下邊緣出現(xiàn)較強(qiáng)的拉應(yīng)力，具有一定的風(fēng)險(xiǎn)，但拉應(yīng)力不高于巖體抗拉強(qiáng)度，現(xiàn)階段安全穩(wěn)定。整體分析崩落區(qū)應(yīng)力水平：獅子山礦崩落區(qū)壓應(yīng)力較高，且崩落區(qū)底部上盤(pán)出現(xiàn)較高應(yīng)力集中現(xiàn)象；拉應(yīng)力沿崩落區(qū)內(nèi)部廣泛分布，拉應(yīng)力水平中等，現(xiàn)階段開(kāi)采條件下崩落區(qū)靜力條件較穩(wěn)定。

根據(jù)獅子山礦實(shí)際開(kāi)采現(xiàn)狀，結(jié)合數(shù)值計(jì)算結(jié)果，選取4個(gè)中段（九中段、十一中段、十三中段、十五中段）對(duì)崩落區(qū)圍巖z方向拉應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，各中段在東西兩側(cè)各布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，對(duì)其拉應(yīng)力分布進(jìn)行研究。各中段z方向拉應(yīng)力變化曲線(xiàn)如圖7所示，拉應(yīng)力隨著開(kāi)采深度的增加而呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，其中九中段崩落區(qū)圍壓拉應(yīng)力最小，為0.5 MPa，十五中段崩落區(qū)圍巖拉應(yīng)力最大，為2.2 MPa。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果顯示，礦體在自重及構(gòu)造應(yīng)力作用下，地表下沉區(qū)域主要為接近崩落區(qū)的區(qū)域，且距崩落區(qū)中心越近，下沉量越大。通過(guò)布置相應(yīng)測(cè)點(diǎn)，得到地表塌陷區(qū)處位移變化在3.8～4.7 m之間，礦體地表最大下沉區(qū)域位于崩落區(qū)正上方。

（2）崩落區(qū)應(yīng)力會(huì)隨著開(kāi)采深度的增加而呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，其中壓應(yīng)力較高，且崩落區(qū)底部上盤(pán)出現(xiàn)較高應(yīng)力集中現(xiàn)象；拉應(yīng)力沿崩落區(qū)內(nèi)部廣泛分布，拉應(yīng)力水平中等，現(xiàn)階段開(kāi)采條件下崩落區(qū)靜力條件較穩(wěn)定。

（3）隨著深部持續(xù)開(kāi)采，地表移動(dòng)范圍會(huì)逐漸向上盤(pán)方向（南偏東方向）偏移，建議在地表上盤(pán)方向一定范圍內(nèi)布置地表移動(dòng)變形觀(guān)測(cè)點(diǎn)，定期進(jìn)行地表沉陷的觀(guān)測(cè)。