鄒樓鐵礦地下開(kāi)采對(duì)地表位移影響分析

操 帥 楊家冕 郭振鵬

（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）

地下開(kāi)采引起的上覆巖層及地表移動(dòng)變形會(huì)直接影響地表建（構(gòu)）筑物，過(guò)于劇烈的變形將會(huì)導(dǎo)致建（構(gòu)）筑物破損甚至倒塌，因此，需要高度重視礦區(qū)范圍內(nèi)建（構(gòu)）筑物巖層及地表移動(dòng)問(wèn)題，防范因地下開(kāi)采造成的事故。當(dāng)下關(guān)于金屬礦山地下開(kāi)采對(duì)地表建（構(gòu)）筑物影響已有許多研究成果。鄒平等［1］采用經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)某礦留存礦柱的安全系數(shù)及地表不穩(wěn)定邊界進(jìn)行了計(jì)算，并采用數(shù)值方法獲取了采空區(qū)及地表巖體的應(yīng)力、應(yīng)變值；付華等［2］以金山店鐵礦東區(qū)為例，依據(jù)近6 a的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)礦體周?chē)鷰r體變形規(guī)律進(jìn)行分析，并闡述巖體變形程度與趨勢(shì)；徐國(guó)平等［3］根據(jù)彈性力學(xué)理論建立了地表移動(dòng)預(yù)測(cè)分析的三維理論模型，并用于魯中鐵礦地下開(kāi)采引起的地表移動(dòng)預(yù)測(cè)分析；張智博等［4］采用數(shù)值模擬的方法對(duì)某銅礦的開(kāi)采過(guò)程進(jìn)行了分析，得到了開(kāi)采過(guò)程中建（構(gòu)）筑物地表的變形規(guī)律，并對(duì)其穩(wěn)定性影響范圍及大小進(jìn)行分析；夏開(kāi)宗等［5］以湖北鄂州巖潮鐵礦西區(qū)為例，依據(jù)近6 a的地表水平位移、沉降位移變形監(jiān)測(cè)成果，對(duì)地下開(kāi)采引起的地表變形規(guī)律進(jìn)行分析，得出地表巖體突然加速，在經(jīng)歷較短時(shí)間的快速變形之后，又線(xiàn)性穩(wěn)定增長(zhǎng)，進(jìn)入傾倒破壞階段。

本文以鄒樓鐵礦為研究對(duì)象，建立簡(jiǎn)化后3個(gè)礦床的數(shù)值模擬網(wǎng)格計(jì)算模型，采用FLAC3D軟件進(jìn)行礦體開(kāi)采充填過(guò)程的三維數(shù)值計(jì)算，通過(guò)分析采場(chǎng)圍巖位移數(shù)據(jù)，判斷點(diǎn)柱式上向分層充填法對(duì)地表建（構(gòu)）筑物的影響情況及因素。

1 礦山概況

鄒樓鐵礦位于濉溪縣城西南部約50 km處，礦區(qū)總面積為6.54 km2，地處淮北沖積平原，地勢(shì)平坦，地面標(biāo)高為+29～+31 m。地區(qū)屬大陸—海洋性的過(guò)渡型氣候區(qū)，具有四季分明，氣候溫暖濕潤(rùn)，雨量較充沛，無(wú)霜期長(zhǎng)等特點(diǎn)。據(jù)氣象資料，年平均氣溫為14℃，最高氣溫為39℃，最低氣溫為-18℃，全年無(wú)霜期為210～220 d。年平均降雨量為700～1 400 mm，多集中在每年的7、8月份。

鄒樓鐵礦床第四系底部沉積層較厚，黏性土地層分布較穩(wěn)定，滲透性差，它能阻止地表水、大氣降水及砂層水的下滲補(bǔ)給。存在于風(fēng)化帶和礦體頂板的裂隙水是今后礦坑充水的主要來(lái)源。雖然巖心較完整，但各層位中含有較豐富的地下水。礦床內(nèi)尚有幾處擠壓破碎帶，這些都存在著導(dǎo)水的可能性。鄒樓鐵礦區(qū)的水文地質(zhì)條件類(lèi)型初步認(rèn)為是以裂隙水充水為主，水文地質(zhì)條件屬中等。

鄒樓鐵礦床為厚層第四系松散巖層所覆蓋。古風(fēng)化帶呈似層狀，穩(wěn)定性較差。礦體頂、底板巖石總體穩(wěn)固性尚好，但部分巖石穩(wěn)定性較差。礦床構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，礦床內(nèi)僅見(jiàn)F1、F22條斷層。部分礦體及頂板局部巖段較軟弱破碎，穩(wěn)定性差。其風(fēng)化帶界線(xiàn)較明顯，風(fēng)化帶內(nèi)的巖石風(fēng)化程度較劇烈，巖石的抗壓強(qiáng)度明顯降低，穩(wěn)定性差。地下水有較大的靜水壓力，各巖層間的水力聯(lián)系較密切。鄒樓鐵礦區(qū)的巖體工程地質(zhì)復(fù)雜程度為中等。

礦床地表沉降監(jiān)測(cè)線(xiàn)范圍內(nèi)，地表建（構(gòu)）筑物有村莊、河流和S411省道。在礦山開(kāi)采后可能產(chǎn)生局部地區(qū)地形發(fā)生改變，但對(duì)地質(zhì)環(huán)境破壞不大，區(qū)內(nèi)無(wú)明顯污染源，地表水和第四系砂層的水質(zhì)較好，礦石和廢石化學(xué)成分基本穩(wěn)定，對(duì)地質(zhì)環(huán)境不會(huì)產(chǎn)生較大的影響和危害。鄒樓礦區(qū)為地質(zhì)環(huán)境狀況良好的礦床。

2 數(shù)值模型建立

2.1 模型簡(jiǎn)化

鄒樓鐵礦區(qū)地層多樣，自下而上分別為寒武系上統(tǒng)、奧陶系、石炭系、二迭系和第四系。地層受地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，局部出現(xiàn)斷層，地層產(chǎn)生較大錯(cuò)動(dòng)。同時(shí)，由于巖漿巖的侵入，使得巖枝空間分布極不均勻，造成了礦區(qū)地層空間賦存形態(tài)較為復(fù)雜。在建立礦山地質(zhì)三維數(shù)值模型時(shí)，根據(jù)礦山提供的勘探線(xiàn)地質(zhì)剖面圖以及礦區(qū)巖體的分組結(jié)果，對(duì)礦山地質(zhì)模型做適當(dāng)簡(jiǎn)化。

（1）礦區(qū)地層信息的簡(jiǎn)化。根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，勘探鉆孔揭露的各地層含有多種巖性。如寒武系上統(tǒng)主要巖性有大理巖、泥灰?guī)r、含石英大理巖、白云石大理巖等；奧陶系主要巖性有泥灰?guī)r、大理巖、大理巖化灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r等；石炭系與二迭系主要巖性為砂巖、砂質(zhì)頁(yè)巖、炭質(zhì)頁(yè)巖、薄層灰?guī)r以及薄煤層等；巖漿巖巖體以閃長(zhǎng)巖與閃長(zhǎng)玢巖為主。各地層巖性的多樣性使得礦區(qū)三維地質(zhì)模型極其復(fù)雜。因此，根據(jù)各巖層主要巖性，做適當(dāng)簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后礦區(qū)地質(zhì)模型地層信息自上而下為第四系、風(fēng)化帶、頁(yè)巖、灰?guī)r、閃長(zhǎng)巖、大理巖。

（2）礦區(qū)風(fēng)化帶厚度的簡(jiǎn)化。根據(jù)礦山詳查地質(zhì)報(bào)告中關(guān)于風(fēng)化帶厚度的大致描述，在第四系與新鮮基巖之間繪制了30 m厚的風(fēng)化層。

（3）地層界線(xiàn)空間賦存形態(tài)的簡(jiǎn)化。受巖漿巖侵入的影響，礦區(qū)內(nèi)各地層空間展布形態(tài)極其復(fù)雜。因此，在建立地層模型過(guò)程中，對(duì)部分細(xì)小的地層做合并、刪除等簡(jiǎn)化處理。

2.2 三維模型

根據(jù)勘探線(xiàn)剖面圖，繪制礦體界線(xiàn)、地層界線(xiàn)與斷層破碎帶界線(xiàn)。通過(guò)各剖面線(xiàn)建立地質(zhì)界面，經(jīng)布爾運(yùn)算，最終形成三維實(shí)體模型，并在FLAC3D軟件中，對(duì)三維實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最終建立三維數(shù)值網(wǎng)格模型。以礦山礦體開(kāi)采地表位移監(jiān)測(cè)范圍為基準(zhǔn)，為防止數(shù)值計(jì)算的邊界效應(yīng)，再適當(dāng)擴(kuò)大研究范圍。圖1為陳樓北礦床三維地質(zhì)模型，東西向長(zhǎng)1 072 m，南北向長(zhǎng)1 293 m，網(wǎng)格模型共包含582 341個(gè)四面體單元與108 731個(gè)單元節(jié)點(diǎn)；圖2為陳樓礦床模型，東西向長(zhǎng)1 206 m，南北向長(zhǎng)1 012 m，網(wǎng)格模型共包含588 313個(gè)四面體單元與109 783個(gè)單元節(jié)點(diǎn)；圖3為鄒樓礦床模型，東西向長(zhǎng)1 405 m，南北向長(zhǎng)1 522 m，網(wǎng)格模型共包含870 200個(gè)四面體單元與162 759個(gè)單元節(jié)點(diǎn)。

3 數(shù)值模型初始條件和模擬方案

3.1 本構(gòu)模型及應(yīng)力條件

假設(shè)模型巖體均為理想彈塑性連續(xù)介質(zhì)，本構(gòu)模型選用摩爾-庫(kù)侖模型，初始應(yīng)力場(chǎng)采用自重應(yīng)力。

3.2 邊界條件

通過(guò)分析采礦的實(shí)際條件與FLAC3D軟件邊界條件確定的一般原則，本次模型的邊界條件選取如下：模型四周平面中，X法向平面施加X(jué)向約束，即X方向位移為零；Y法向平面施加Y向約束，即Y方向位移為零；模型底部平面施加Z向約束，即Z方向位移為零；模型頂面為自由面，不施加約束。

3.3 巖體物理力學(xué)參數(shù)

本研究項(xiàng)目數(shù)值計(jì)算模型中各巖體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

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3.4 數(shù)值模擬分析方案

根據(jù)鄒樓鐵礦采用的采礦方法，選擇合理的模擬方案，以盡可能模擬實(shí)際采礦活動(dòng)造成的巖體移動(dòng)。礦山采用點(diǎn)柱式上向分層充填法，礦塊長(zhǎng)度選為40 m，寬度為礦體水平厚度，礦塊間留4 m厚間柱，礦房?jī)?nèi)設(shè)置點(diǎn)柱，點(diǎn)柱規(guī)格為5 m×5 m，點(diǎn)柱間凈跨距為8.5～9.0 m。沿礦體走向方向，將礦體劃分為40 m跨度的條帶進(jìn)行開(kāi)采。每條帶開(kāi)采后，隨即進(jìn)行充填模擬計(jì)算，之后再進(jìn)行下一條帶的開(kāi)采。

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

根據(jù)建立的鄒樓鐵礦三維數(shù)值模型，以模型初始條件為前提，按照數(shù)值模擬分析方案，采用FLAC3D模擬計(jì)算鄒樓鐵礦地下開(kāi)采過(guò)程。

陳樓北礦床各采場(chǎng)開(kāi)采后頂板圍巖位移云圖見(jiàn)圖4。由圖4可以看出，在開(kāi)采后頂板均發(fā)生一定量的位移，最大位移在淺部小型采場(chǎng)，頂板圍巖為風(fēng)化帶，開(kāi)采后位移量達(dá)到97 cm，說(shuō)明該采場(chǎng)頂板不夠穩(wěn)定，處于易發(fā)生坍塌狀態(tài)，容易造成安全事故。其余采場(chǎng)頂板圍巖位移較小，為10～25 cm，處于穩(wěn)定狀態(tài)，較為安全。從圖4中得知，不同深度采場(chǎng)頂板圍巖位移均有不同，主要取決于采場(chǎng)頂板圍巖性質(zhì)，由于淺部采場(chǎng)圍巖風(fēng)化較嚴(yán)重，而深部采場(chǎng)受風(fēng)化影響小，因此，淺部到深部的頂板位移也是從大到小。陳樓北礦床圍巖位移剖面云圖見(jiàn)圖5。由圖5可知，淺部小采場(chǎng)造成的圍巖移動(dòng)對(duì)地表位移影響較大，而深部采場(chǎng)對(duì)地表的影響隨著深度逐漸減小。

陳樓礦床采場(chǎng)頂板圍巖位移云圖見(jiàn)圖6。由圖6可知，較大范圍內(nèi)的采場(chǎng)頂板都有一定的位移，大部分采場(chǎng)頂板位移為5～10 cm，其中，最大位移為13 cm，且面積較大，說(shuō)明該礦床受采動(dòng)影響范圍較廣，導(dǎo)致頂板位移區(qū)域較大，并且發(fā)生較大位移的區(qū)域也比較多，因此，需要進(jìn)行較大區(qū)域的支護(hù)。圖7為陳樓礦床圍巖位移剖面云圖。由圖7可知，陳樓礦床淺部礦體范圍較大，采場(chǎng)暴露面積大，開(kāi)采造成的頂板圍巖位為10～13 cm，淺部的2個(gè)礦體開(kāi)采對(duì)地表沉降影響較大。

鄒樓礦床采場(chǎng)頂板位移云圖見(jiàn)圖8。圖8顯示，鄒樓礦床中央兩礦體范圍大，厚度也較大。因此，該區(qū)域采場(chǎng)頂板為最大位移，約為39 cm，從中央向四周頂板位移隨距離也逐漸減小，位移值達(dá)到10～30 cm，由此可知，該礦床開(kāi)采整體頂板位移較大，易導(dǎo)致地表沉降值較大，應(yīng)注意防護(hù)。鄒樓礦床圍巖位移剖面云圖見(jiàn)圖9，可知，礦床中央厚大礦體頂板圍巖位移值較大，影響范圍廣，是地表位移主要影響因素。除此以外，淺部采場(chǎng)比深部采場(chǎng)位移值更大，位移變化速率也更慢，說(shuō)明深部采場(chǎng)比淺部采場(chǎng)更穩(wěn)定，并且中央礦體對(duì)深部采場(chǎng)的影響小于淺部采場(chǎng)。

5 結(jié)論

（1）陳樓北礦床淺部小采場(chǎng)造成的圍巖移動(dòng)對(duì)地表位移影響較大，深部采場(chǎng)隨著深度增加，對(duì)地表的影響逐漸減小。

（2）陳樓礦床淺部礦體范圍較大，采場(chǎng)暴露面積大，淺部?jī)傻V體的開(kāi)采對(duì)地表沉降影響較大。

（3）鄒樓礦床中央厚大礦體頂板圍巖位移值較大，影響范圍廣，是地表位移主要影響因素。

（4）3個(gè)礦床開(kāi)采對(duì)地表有著相似的規(guī)律，即隨著深度增加，采動(dòng)對(duì)頂板位移影響逐漸減小，同時(shí)，不同礦床的頂板又有著各自的位移規(guī)律。通過(guò)總結(jié)數(shù)值模擬地下開(kāi)采對(duì)3個(gè)礦床頂板的影響及其不同位移規(guī)律，可以給相似工程提供相關(guān)的研究思路。