某金屬礦地下開采地表沉降影響分析

苗勇剛，王海軍，張長(zhǎng)鎖，趙旭林

（礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160）

隨著地下礦山的開采范圍不斷擴(kuò)大，導(dǎo)致上覆巖層發(fā)生位移、變形、冒落等情況，并波及到地表，通常會(huì)引起地表沉降、地面建（構(gòu)）筑物變形破壞，嚴(yán)重影響礦區(qū)的生產(chǎn)生活。如何最大限度地開采礦產(chǎn)資源，同時(shí)又能夠控制地表沉降變形，是影響礦山可持續(xù)發(fā)展的主要問題。在調(diào)查某地下金屬礦生產(chǎn)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，建立礦區(qū)三維模型，采用數(shù)值模擬方法分析研究該礦山地下開采引起的地表沉陷和建（構(gòu)）筑物的移動(dòng)變形，為深部礦體開采提供指導(dǎo)意見，保證礦山的正常運(yùn)營(yíng)。

1 工程概況

礦體開采深度從地表出露最大標(biāo)高940～-800 m 范圍，根據(jù)礦體賦存條件、現(xiàn)有設(shè)計(jì)及設(shè)施情況，礦體從上到下一共分為五個(gè)采區(qū)：400 m 以上為一采區(qū)；400～0 m 為二采區(qū)、0～-200 m 為三采區(qū)、-200～-550 m 為四采區(qū)、-550～-800 m 為五采區(qū)。礦山采用多中段、多維度生產(chǎn)方式，采區(qū)內(nèi)采用自下而上的回采順序。隨著上部礦體采空，重點(diǎn)生產(chǎn)區(qū)域已轉(zhuǎn)至400 m 中段以下深部采區(qū)，目前主要開采倒轉(zhuǎn)翼主礦體、600 m 以下礦體，采場(chǎng)出礦主要集中在700 m 中段、450 m 中段、350 m 中段、300 m 中段、200 m 中段、100 m 中段和50 m 中段。其他中段，如550 m 中段、500 m 中段、400 m 中段、150 m 中段、0 m 中段已基本回采充填完畢。針對(duì)礦體的不同賦存條件，礦山主要采用大直徑深孔落礦階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法和中深孔分段鑿巖階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法。為進(jìn)一步分析井下采動(dòng)對(duì)地表沉降的影響，根據(jù)礦體埋深、厚度、地質(zhì)條件以及礦巖體的變形、應(yīng)力大小，在地表沉降區(qū)選取了3 個(gè)典型剖面，對(duì)地表移動(dòng)盆地附近的地表構(gòu)筑物2#副井、2#充填站、高位水池進(jìn)行沉降規(guī)律分析。

2 數(shù)值模擬方案

2.1 模型建立

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查資料，考慮主要影響因素，對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化處理。為滿足計(jì)算需要和保證計(jì)算精度，巖體擾動(dòng)范圍設(shè)計(jì)為開挖范圍的3～5 倍，數(shù)值模型尺寸為長(zhǎng)×寬×高=5 880 m×5 900 m×4 000 m，礦體模型按照50 m 的中段高度劃分開采單元。結(jié)合礦體賦存的實(shí)際情況以及規(guī)劃的開采情況，運(yùn)用Midas GTS NX 建立某金屬礦全礦范圍內(nèi)大型三維精細(xì)化模型，如圖1 所示。

圖1 大型三維精細(xì)化模型Fig.1 Large 3D refinement model

為保證開挖礦體計(jì)算精度以及提高計(jì)算速度，開采范圍內(nèi)的礦體網(wǎng)格劃分比較密集，遠(yuǎn)離礦體范圍的圍巖部分網(wǎng)格劃分逐漸變大，礦體部分網(wǎng)格精度最小為3 m，最大為6 m，共劃分為846 443 個(gè)單元，325 700 個(gè)節(jié)點(diǎn)。巖體采用Mohr-Coulomb 彈塑性本構(gòu)模型，對(duì)礦體開采過程中覆巖的沉降問題進(jìn)行計(jì)算分析。

2.2 假設(shè)條件

在數(shù)值模擬過程中，需要對(duì)礦山地質(zhì)條件、礦體開挖等進(jìn)行必要假設(shè)：①礦體、圍巖以及充填體均視為各向同性材料；②每個(gè)計(jì)劃期內(nèi)采場(chǎng)開挖、充填均為一次性完成[1]。

2.3 邊界條件

邊界條件：①數(shù)值模型前后邊界、左右邊界面施加水平方向約束，初始水平位移為0；②模型底部邊界面水平、垂直初始位移均為0；③模型頂部為自由邊界；④根據(jù)地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，模型前后邊界、左右邊界面施加隨深度增加的水平應(yīng)力。根據(jù)地應(yīng)力分布規(guī)律，深度每增加100 m，水平方向最大分量應(yīng)力增加3.0～4.5 MPa。

2.4 巖體力學(xué)參數(shù)

通過以往研究資料、室內(nèi)試驗(yàn)，綜合巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)得出巖體力學(xué)參數(shù)，數(shù)值模擬研究礦體巖性為黃鐵礦，圍巖為凝灰?guī)r巖性，充填體為全尾砂充填材料。充填體巖體參數(shù)參考類似礦山及該礦充填體強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果，按照充填體的平均灰砂比1︰8，計(jì)算所得充填體的物理力學(xué)參數(shù)，巖體力學(xué)參數(shù)具體見表1。

表1 巖體介質(zhì)的力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of rock media

2.5 數(shù)值計(jì)算方案

數(shù)值模擬研究范圍為全部礦體，根據(jù)開采技術(shù)條件及礦山生產(chǎn)影響，礦體開挖并充填后，由于開采擾動(dòng)引起巖層移動(dòng)并波及地表，通常會(huì)在開采礦體上部地表形成一個(gè)大于開采范圍的地表移動(dòng)盆地。在地表沉降區(qū)選取了3 個(gè)典型剖面線：1 號(hào)剖面線垂直勘探線布設(shè)，通過高位水池、1#充填站；2 號(hào)剖面線垂直勘探線布設(shè)，通過新北風(fēng)井、2#充填站；3 號(hào)剖面線通過2#副井，對(duì)以上地表建（構(gòu)）筑物進(jìn)行沉降規(guī)律分析，典型剖面線位置如圖2 所示。

圖2 地表總體沉降等值線圖Fig.2 Contour map of overall surface subsidence

礦山采用多中段、多維度的生產(chǎn)方式，其中，中段高度為50 m，根據(jù)礦體形態(tài)，開采技術(shù)條件，為簡(jiǎn)化模擬過程，將1 生產(chǎn)計(jì)劃期～15 生產(chǎn)計(jì)劃期分為七個(gè)階段進(jìn)行逐步開采。

1）第一階段。1 生產(chǎn)計(jì)劃期～4 生產(chǎn)計(jì)劃期開采的礦體：II 礦體550 m 中段、600 m 中段；主礦體50 m 中段、200 m 中段、700 m 中段、-500 m 中段；13線礦體450 m 中段、100 m 中段。

2）第二階段。5 生產(chǎn)計(jì)劃期～6 生產(chǎn)計(jì)劃期開采的礦體：II 礦體500 m 中段；主礦體350 m 中段、150 m 中段、-50 m 中段；13 線礦體600 m 中段；正常翼礦體600 m 中段。

3）第三階段。7 生產(chǎn)計(jì)劃期開采的礦體：正常翼礦體550 m 中段；13 線礦體350 m 中段；主礦體825～775 m 中段、750～725 m 中段、-100 m 中段、-250 m 中段、-300 m 中段。

4）第四階段。8 生產(chǎn)計(jì)劃期開采的礦體：正常翼礦體500 m 中段；主礦體100 m 中段、-450 m 中段。

5）第五階段。9 生產(chǎn)計(jì)劃期開采的礦體：主礦體250 m 中段、-200 m 中段、-400 m 中段；13 線礦體250 m 中段。

6）第六階段。10 生產(chǎn)計(jì)劃期開采的礦體：主礦體-150 m 中段、-350 m 中段；正常翼礦體400 m 中段、450 m 中段。

7）第七階段。11 生產(chǎn)計(jì)劃期～15 生產(chǎn)計(jì)劃期開采的礦體：主礦體-600 m 中段、-800 m 中段；正常翼礦體250～350 m 中段。

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

應(yīng)用Midas GTS NX 對(duì)該礦井下開采數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，-800 m 中段開采充填結(jié)束后對(duì)礦區(qū)地表、礦體上下盤產(chǎn)生了不同程度的移動(dòng)和變形，并且在地表形成了近似圓形的沉降等值線。開采并充填采空區(qū)后礦區(qū)地表的總體沉降如圖2 所示。由圖2 可知，地表最大總位移為17.43 mm，位于1#充填站東側(cè)180 m，2#副井地表總位移為9.33 mm，高位水池總位移為7.94 mm，1#充填站地表總位移為11.05 mm，2#充填站地表總位移為14.25 mm，新北風(fēng)井地表總位移為13.44 mm。

3.1 地表構(gòu)筑物沉降影響分析

統(tǒng)計(jì)1 號(hào)剖面線、2 號(hào)剖面線、3 號(hào)剖面線上第一階段～第七階段內(nèi)礦體開采充填后地表的移動(dòng)和變形量。

3.1.1 水平位移

1）1 號(hào)剖面線和2 號(hào)剖面線水平位移。圖3 為1 號(hào)剖面線和2 號(hào)剖面線第一階段～第七階段開采充填后地表Y方向水平位移云圖。由圖3 可知，第一階段～第七階段逐步開采過程中，1 號(hào)剖面線、2 號(hào)剖面線地表水平位移逐漸增大，在各階段開采充填完成后，地表在Y方向上的變形呈現(xiàn)了兩大區(qū)域，北部的位移值顯示負(fù)，表示其在向南移動(dòng)，其最大位移值為4.86 mm；南部的位移值顯示為正，表示其在向北移動(dòng)，其最大位移值為-3.84 mm。由此可以看出，礦體兩翼位移向中間擠壓變形。圖4 和圖5 為1 號(hào)剖面線和2 號(hào)剖面線第一階段～第七階段開采充填后地表Y方向水平位移曲線。由圖4 和圖5 可知，地表水平位移為0 的點(diǎn)分別位于移動(dòng)盆地中心和遠(yuǎn)離移動(dòng)盆地的位置，1#充填站地表、高位水池、新北風(fēng)井地表和2#充填站地表主要向采空區(qū)方向發(fā)生了水平位移，最大水平位移為-1.86 mm。

圖3 1 號(hào)剖面線和2 號(hào)剖面線第一階段～第七階段開采充填后地表Y 方向水平位移云圖Fig.3 Horizontal displacement cloud map in Y-direction of profile lines No.1 and No.2 after excavation and filling in the first to seventh stages

圖4 1 號(hào)剖面線地表Y 方向水平位移曲線Fig.4 Horizontal displacement curves in Y-direction of profile line No.1

圖5 2 號(hào)剖面線地表Y 方向水平位移曲線Fig.5 Horizontal displacement curves in Y-direction of profile line No.2

2）3 號(hào)剖面線水平位移。圖6 為3 號(hào)剖面線第一階段～第七階段開采充填后地表X方向水平位移云圖。由圖6 可知，第一階段～第七階段逐步開采過程中，X方向水平位移逐漸增大。地表水平位移為0 的點(diǎn)位于移動(dòng)盆地中心和遠(yuǎn)離移動(dòng)盆地的位置。在各階段開采充填完成后地表在X方向上的變形呈現(xiàn)了兩大區(qū)域，右邊的位移值顯示負(fù)，表示其在向左移動(dòng)，在開采到第七階段時(shí)水平位移達(dá)到最大，為-6.91 mm；左邊的位移值顯示為正，表示其在向右移動(dòng)，最大位移值為5.39 mm。由此可以看出，在礦體的上下盤兩邊的位移向中間擠壓變形。圖7 為3 號(hào)剖面線第一階段～第七階段開采充填后X方向水平位移曲線。由圖7 可知，2#副井所處的地表主要向采空區(qū)方向發(fā)生了水平位移，最大水平位移為4.94 mm[2-3]。

圖6 3 號(hào)剖面線第一階段～第七階段開采充填后地表X 方向水平位移云圖Fig.6 Horizontal displacement cloud map in X-direction of profile line No.3 after excavation and filling in the first to seventh stages

圖7 3 號(hào)剖面線地表X 方向水平位移曲線Fig.7 Horizontal displacement curves in X-direction of profile line No.3

3.1.2 垂直位移

該金屬礦采用多中段、多維度的生產(chǎn)方式，可以很好地控制開采過程中地表沉降的問題。圖8 為1號(hào)剖面線和2 號(hào)剖面線第一階段～第七階段開采充填后地表Z方向垂直位移云圖。由圖8 可知，第七階段礦體開采充填后地表沉降等值線呈似橢圓形，沉降量最大的區(qū)域主要集中在主礦體頂部上盤區(qū)域，上盤錯(cuò)動(dòng)角較小，下盤錯(cuò)動(dòng)角較大，整體沉降以筒型為主[4-5]。

圖8 1 號(hào)剖面線和2 號(hào)剖面線第一階段～第七階段開采充填后地表Z 方向垂直位移云圖Fig.8 Vertical displacement cloud map in Z-direction of profile lines No.1 and No.2 after excavation and filling in the first to seventh stages

1 號(hào)剖面線和2 號(hào)剖面線第一階段～第七階段依次開采充填后地表Z方向沉降曲線圖如圖9 和圖10 所示。由圖9 和圖10 可知，隨著開采面積逐漸增大，地表沉降量不斷增大，最大沉降量16.77 mm，2#副井地表最大沉降為7.88 mm。高位水池地表最大沉降為8.86 mm，1#充填站地表最大沉降為10.38 mm，新北風(fēng)井地表最大沉降為9.64 mm，2#充填站地表最大沉降為10.29 mm。

圖9 1 號(hào)剖面線地表Z 方向沉降曲線Fig.9 Surface settlement curves in Z-direction of profile line No.1

圖10 2 號(hào)剖面線地表Z 方向沉降曲線Fig.10 Surface settlement curves in Z-direction of profile line No.2

3.1.3 傾斜變形

在1 號(hào)剖面線上，高位水池處地表傾斜最大值為-0.014 mm/m，水平變形最大值為-0.012 mm/m，最大曲率為0.114×10-3mm/m2。1#充填站處地表傾斜最大值為-0.001 mm/m，水平變形最大值為-0.01 mm/m，最大曲率為-0.033×10-3mm/m2；在2 號(hào)剖面線上，新北風(fēng)井處地表傾斜最大值為0.006 mm/m，地表水平變形最大值為-0.005 mm/m，最大曲率為0.033×10-3mm/m2。2#充填站處地表傾斜最大值為0.007 mm/m，水平變形最大值為-0.005 mm/m，最大曲率為-0.016×10-3mm/m2；在3 號(hào)剖面線上，通過地表沉降變形的傾斜量可以發(fā)現(xiàn)，礦體上盤沉降變形較緩，下盤沉降起伏較大。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，第七階段開采充填后，2#副井處地表傾斜最大值為-0.020 mm/m，地表水平變形最大值為-0.012 mm/m，最大曲率為0.03×10-3mm/m2。地表主要建（構(gòu)）筑物的水平變形、傾斜曲線、曲率曲線如圖11～圖19 所示。根據(jù)《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》，I 級(jí)保護(hù)對(duì)象允許的地表傾斜變形<±3 mm/m、曲率<±0.2 mm/m2、水平變形<±2 mm/m，2#副井、高位水池、1#充填站、新北風(fēng)井、2#充填站地表位置變形均小于最大允許變形。因此，地表及地表主要的建（構(gòu)）筑物不會(huì)出現(xiàn)明顯的沉陷問題。

圖11 1 號(hào)剖面線地表傾斜曲線Fig.11 Surface inclined curves of profile line No.1

圖12 1 號(hào)剖面線地表曲率曲線Fig.12 Surface curvature curves of profile line No.1

圖13 1 號(hào)剖面線地表水平變形曲線Fig.13 Surface horizontal deformation curves of profile line No.1

圖14 2 號(hào)剖面線地表傾斜曲線Fig.14 Surface inclined curves of profile line No.2

圖15 2 號(hào)剖面線地表曲率曲線Fig.15 Surface curvature curves of profile line No.2

圖16 2 號(hào)剖面線地表水平變形曲線Fig.16 Surface horizontal deformation curves of profile line No.2

圖17 3 號(hào)剖面線地表傾斜曲線Fig.17 Surface inclined curves of profile line No.3

圖18 3 號(hào)剖面線地表曲率曲線Fig.18 Surface curvature curves of profile line No.3

圖19 3 號(hào)剖面線地表水平變形曲線Fig.19 Surface horizontal deformation curves of profile line No.3

4 結(jié)語

通過數(shù)值模擬結(jié)果可知，該金屬礦-800 m 中段開采充填結(jié)束后，礦區(qū)地表、礦體上下盤產(chǎn)生了不同程度的移動(dòng)和變形，并且在地表形成了近似圓形的地表移動(dòng)盆地。由于該礦礦體傾角較大，礦體形態(tài)中等，厚度變化及主要組分變化均屬較均勻型，并且使用充填采礦方法可以有效地控制井下采動(dòng)對(duì)巖體的擾動(dòng)影響。

利用Midas 分析了地下開采對(duì)地表沉降的影響，礦山全部開采充填完后，地表水平方向累計(jì)最大位移為-7.33 mm，垂直方向累計(jì)最大位移為16.77 mm，并且分別計(jì)算了2#副井、新北風(fēng)井、高位水池、1#充填站、2#充填站處地表的位移和變形值。根據(jù)《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)定的I 級(jí)保護(hù)對(duì)象允許變形值，上述地表建（構(gòu)）筑物變形模擬計(jì)算結(jié)果均小于規(guī)范允許變形值，因此，地下開采對(duì)地表建（構(gòu)）筑物變形基本無影響。