某礦山地下開采對(duì)地表河流安全性影響的研究

徐釗

摘要：以某地下開采礦山為研究對(duì)象，在對(duì)其進(jìn)行地質(zhì)條件和開采技術(shù)條件綜合分析的基礎(chǔ)上，選取典型勘探線剖面作為研究對(duì)象，采用有限差分軟件Flac^3D建立數(shù)值計(jì)算模型，研究不同開采方案地下開采對(duì)地表河流安全性的影響，并將其應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)其合理性進(jìn)行驗(yàn)證。研究結(jié)果表明：-100～-400 m礦體可采用分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法進(jìn)行安全開采，-40～-100 m的礦體應(yīng)采用分層充填采礦法或留保安礦柱的方法對(duì)其進(jìn)行開采；目前地表河流穩(wěn)定性較好，后期應(yīng)加強(qiáng)對(duì)地表河流安全性的監(jiān)測(cè)。該研究結(jié)果可為類似礦山進(jìn)行安全和高效開采提供理論依據(jù)，對(duì)保護(hù)地表河流的安全具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：充填采礦法；地表河流；數(shù)值模擬；塑性區(qū)；安全性

中圖分類號(hào)：TD853文章編號(hào)：1001-1277（2023）03-0020-06

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi：10.11792/hj20230305

引 言

隨著社會(huì)的快速發(fā)展，礦產(chǎn)資源的開采力度呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，地下開采的礦山越來越多，但地下開采易引起地表塌陷、采空區(qū)失穩(wěn)和地表環(huán)境污染等問題^［1-3］。研究表明，礦區(qū)范圍內(nèi)通常在地表有建筑物和河流等重要設(shè)施，而地下開采可能會(huì)對(duì)地表產(chǎn)生一定程度的影響，進(jìn)而對(duì)地表重要建（構(gòu)）筑物的安全產(chǎn)生影響^［4-5］。因此，針對(duì)不同礦山的開采技術(shù)條件和工程地質(zhì)條件，有必要開展地下開采對(duì)地表重要建（構(gòu)）筑物安全性的影響分析。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)地下開采礦山地表建（構(gòu)）筑物的安全性進(jìn)行了較為深入的研究，劉明宇等^［6-8］基于數(shù)值計(jì)算軟件，建立了礦山三維數(shù)值計(jì)算模型，研究了礦山開采對(duì)地表建（構(gòu)）筑物穩(wěn)定性的影響。呂文玉^［9］采用理論分析方法分析了充填開采方案的可行性，然后采用UDEC軟件對(duì)開采結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。陳嘉生^［10］采用3DEC軟件構(gòu)建礦山三維數(shù)值計(jì)算模型，研究了地下開采對(duì)地表建筑物的影響。閆照存^［11］首先對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了調(diào)研，然后在現(xiàn)場(chǎng)布置一系列監(jiān)測(cè)點(diǎn)，研究地下開采情況下地表的變形演化規(guī)律。陳玉平等^［12-13］結(jié)合礦山開采技術(shù)條件和工程地質(zhì)條件，對(duì)礦山可能存在的安全隱患進(jìn)行分析，提出了河流下開采的安全技術(shù)措施。綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要采用數(shù)值模擬、理論分析和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)等手段對(duì)其進(jìn)行了研究，但不同礦山開采技術(shù)條件和工程地質(zhì)條件存在差異，因此，有必要結(jié)合不同礦山實(shí)際情況，研究地下開采對(duì)地表重要建（構(gòu)）筑物的影響^［14］。

本次研究以某地下開采礦山為研究對(duì)象，分析該礦山工程地質(zhì)條件和開采技術(shù)條件，采用有限差分軟件Flac^3D構(gòu)建典型剖面的數(shù)值計(jì)算模型，分析不同開采方案圍巖應(yīng)力、位移和塑性區(qū)演化規(guī)律，研究不同開采方案地下開采對(duì)地表河流穩(wěn)定性的影響，并按照最優(yōu)方案應(yīng)用于礦山現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，對(duì)其合理性進(jìn)行驗(yàn)證。該研究結(jié)果可為類似礦山進(jìn)行安全和高效開采提供一定的理論依據(jù)。

1 數(shù)值模擬方案

該礦山擬采用分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法進(jìn)行開采，根據(jù)礦山開采現(xiàn)狀，礦區(qū)地表有河流等重要的建（構(gòu)）筑物，而地下礦體的開采易破壞圍巖的完整性，對(duì)地表產(chǎn)生一定的影響，進(jìn)而影響地表河流的穩(wěn)定性。因此，有必要研究地下開采對(duì)地表河流安全性的影響。

模擬該礦山地下開采對(duì)地表河流穩(wěn)定性的影響，需結(jié)合礦山的開采技術(shù)條件進(jìn)行分析。該礦山礦體的直接頂板為上盤圍巖。本次研究以-100～-400 m礦體和-40～-100 m礦體為研究對(duì)象，根據(jù)礦山設(shè)計(jì)，采用分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法和上向水平分層充填采礦法開采。具體的開采方案如表1所示。

2 模型建立及邊界條件

2.1 模型建立

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘探地質(zhì)資料，該礦山地表分布有河流等重要建（構(gòu)）筑物，且該礦山分為上盤圍巖、礦體和下盤圍巖等。為了較好地分析地下開采對(duì)該礦山地表河流穩(wěn)定性的影響，本次研究選取6#勘探線作為典型剖面。

本次研究主要考慮-100～-400 m礦體和-40～-100 m礦體開采對(duì)地表河流穩(wěn)定性的影響。首先在Solidworks三維建模軟件中建立模型，然后利用ANSYS軟件的優(yōu)勢(shì)，將建立的模型導(dǎo)入ANSYS軟件中，并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最后將劃分網(wǎng)格的模型導(dǎo)入Flac^3D軟件中進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)圣維南原理，整體力學(xué)模型要按開挖空間直徑（或最大跨度）的3～5倍影響范圍進(jìn)行截取。令模型長(zhǎng)度方向?yàn)閤，寬度方向?yàn)閥，高度方向?yàn)閦。且為了提高計(jì)算速度和精度，對(duì)礦體網(wǎng)格劃分較密，距離礦體較遠(yuǎn)的圍巖網(wǎng)格劃分相對(duì)較大。最終得到該礦山典型剖面的數(shù)值計(jì)算模型如圖1所示。

2.2 巖體物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)該礦山開采技術(shù)條件和工程地質(zhì)情況，礦山主要為上盤圍巖、下盤圍巖和礦體，但巖石和巖體的物理力學(xué)參數(shù)存在較大差異，因此，本次研究將室內(nèi)試驗(yàn)、工程類似和理論分析相結(jié)合，對(duì)巖石的物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行處理，得到該礦山巖體物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

2.3 邊界條件

根據(jù)該礦山工程地質(zhì)條件和開采技術(shù)條件，礦體開采深度較淺，無較大地應(yīng)力場(chǎng)，因此，本次研究主要考慮圍巖自重應(yīng)力場(chǎng)的作用，不考慮構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的作用，垂直方向的應(yīng)力場(chǎng)由圍巖的自重應(yīng)力產(chǎn)生，由于垂直方向應(yīng)力場(chǎng)的膨脹作用，可形成壓力拱，得到水平方向的應(yīng)力場(chǎng)。

根據(jù)圣維南原理，采空區(qū)的開采會(huì)對(duì)周圍3～5倍圍巖產(chǎn)生一定程度的影響，在建立數(shù)值計(jì)算模型時(shí)，已考慮模型的尺寸，本次研究只需考慮模型的約束。由于主要研究地下開采對(duì)地表河流的影響，因此，地表為自由面，不施加任何約束，模型的前、后、左、右4個(gè)平面施加水平方向的約束，模型的底部施加固定約束條件。

3 結(jié)果分析

根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算方案，主要分析-100～-400 m礦體和-40～-100 m礦體的開采對(duì)地表河流穩(wěn)定性的影響。為了便于計(jì)算結(jié)果的分析，本次研究主要給出各個(gè)方案最終開采與充填完畢的計(jì)算結(jié)果，且主要從應(yīng)力、位移和塑性區(qū)的角度對(duì)圍巖和地表的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

3.1 應(yīng) 力

典型勘探線剖面的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力分布情況如圖2所示，礦體在未開采的情況下，巖體應(yīng)力呈層狀分布，而隨著井下礦體的開采，原始應(yīng)力狀態(tài)被打破，采場(chǎng)周邊的圍巖應(yīng)力得到釋放，采場(chǎng)頂?shù)装宄霈F(xiàn)拱效應(yīng)現(xiàn)象，此時(shí)圍巖強(qiáng)度降低，導(dǎo)致上覆巖體失去支撐，從而失去穩(wěn)定性。采場(chǎng)兩幫出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中，越靠近采場(chǎng)幫壁，應(yīng)力集中程度越大；越遠(yuǎn)離采場(chǎng)幫壁，應(yīng)力集中程度越小。方案1、方案2和方案3的最大主應(yīng)力分別為22.55 MPa、23.85 MPa和23.32 MPa，且在采場(chǎng)底板均出現(xiàn)了拉應(yīng)力。

從采場(chǎng)周圍最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力的云圖分布規(guī)律來看，當(dāng)所有的采場(chǎng)均開采并充填完畢，應(yīng)力集中主要發(fā)生在采場(chǎng)兩幫，表明充填體對(duì)圍巖也起到了一定的支撐作用，能改善采空區(qū)圍巖應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)采場(chǎng)的穩(wěn)定性有利。其次，最大主應(yīng)力在回采充填后的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生了應(yīng)力增高區(qū)并且產(chǎn)生了一定程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

3.2 位 移

由數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果得到了不同方案典型勘探線剖面地表沉降和水平位移的變化趨勢(shì)，分別如圖3和圖4所示。從圖3、圖4可以看出：隨著礦產(chǎn)資源的開采與充填，采空區(qū)頂板及圍巖產(chǎn)生了指向采空區(qū)的移動(dòng)，產(chǎn)生了沉降和水平位移。主要巖層移動(dòng)位置出現(xiàn)在采空區(qū)的上方，越靠近采空區(qū)，圍巖的變形值越大;反之，距離采空區(qū)距離越遠(yuǎn)，圍巖的變形值越小。由于礦體存在一定的傾角，致使上盤圍巖水平位移值大于下盤圍巖的水平位移值，最終的位移云圖呈現(xiàn)出不對(duì)稱的形狀。

隨著采空區(qū)頂板面積增大，臨空面失去支撐而產(chǎn)生下沉并依次向上傳遞，最后傳到地表，并逐漸在地面形成一個(gè)下沉盆地，且地表的沉降和水平位移均呈現(xiàn)不對(duì)稱分布。方案1、方案2和方案3的地表最大沉降值分別為124.16 mm、260.47 mm和184.94 mm，最大水平位移分別為29.74 mm、46.14 mm和65.08 mm。

對(duì)比3種開采方案，方案1的地表沉降量和水平位移均最小，方案2的地表沉降量和水平位移均最大，因此，當(dāng)-100～-400 m和-40～-100 m礦體均采用分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法開采時(shí)，地表沉降量和水平位移最大；若-40～-100 m礦體采用上向水平分層充填采礦法開采時(shí)，地表沉降量和水平位移減小至184.74 mm和46.14 mm；若-40～-100 m礦體暫時(shí)不予開采，則地表沉降量和水平位移最小。

3.3 塑性區(qū)

礦體開挖后，采空區(qū)上部覆巖會(huì)形成一定長(zhǎng)度的貫穿裂縫。裂隙帶位于冒落帶和彎曲下沉帶之間，主要指存在橫向、縱向裂隙的巖層帶。其中，裂隙帶和冒落帶一般統(tǒng)稱為導(dǎo)水裂隙帶，它是覆巖中氣體、水縱向運(yùn)移的主要通道，位于裂隙帶的巖層，其破壞形式以剪切破壞和拉伸破壞為主，因此可根據(jù)模型覆巖塑性破壞的高度，確定導(dǎo)水裂隙帶的高度。

典型勘探線剖面塑性區(qū)分布如圖5所示。從圖5可以看出：當(dāng)只開挖-100～-400 m礦體時(shí)，塑性區(qū)上方最頂部與地表河流的距離為145 m左右；當(dāng)繼續(xù)采用分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法開采-40～-100 m礦體時(shí)，塑性區(qū)上方最頂部與地表河流的距離為25 m左右；如果采用上向水平分層充填采礦法開采-40～-100 m礦體，塑性區(qū)上方最頂部與地表河流的距離為80 m左右。因此，無論哪種開采方案，導(dǎo)水裂隙帶均未與地表小汶河直接貫通，小汶河穩(wěn)定性相對(duì)較好。

方案1中，只開采-100～-400 m礦體，圍巖的塑性區(qū)主要發(fā)生在采場(chǎng)附近，且塑性區(qū)未貫通至地表。而方案2中采用分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法對(duì)-40～-100 m礦體進(jìn)行開采，圍巖中的塑性區(qū)面積顯著增加，且塑性區(qū)范圍與地表距離較近，由于-40～-100 m礦體的開采，其對(duì)地表小汶河的影響大于方案1。方案3中，采用上向水平分層充填采礦法對(duì)-40～-100 m礦體進(jìn)行開采，雖然圍巖的塑性區(qū)面積會(huì)增加，但增加的幅度相對(duì)較小，且未與地表貫通。因此，建議-40～-100 m暫時(shí)先不開采，如果有必要開采，應(yīng)采用上向水平分層充填采礦法開采或留保安礦柱等。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

根據(jù)礦山開采實(shí)際，結(jié)合數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，該礦山已按照推薦的方案進(jìn)行開采，即目前正采用分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法開采-100～-400 m礦體，-40～-100 m礦體暫時(shí)不考慮開采。為了保證井下開采的安全，在地表河流布置了一系列位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，該監(jiān)測(cè)點(diǎn)與數(shù)值模擬剖面一致，沿著地表自左向右共計(jì)300 m，共布置16個(gè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，相鄰兩點(diǎn)之間的距離為20 m，標(biāo)記為X₁，X₂，…，X16（X剖面），地表監(jiān)測(cè)方案如圖6所示。其中，與數(shù)值模擬模型相對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，沿著礦體走向同樣布置16個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，相鄰監(jiān)測(cè)點(diǎn)的間距為20 m，標(biāo)記為Y₁，Y₂，…，Y16（Y剖面）。

本次研究從礦山開采初期開始對(duì)地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，目前-100～-160 m、-160～-220 m和-220～-280 m 3個(gè)中段已開采完畢，正在回采-280～-340 m礦體，-340～-400 m礦體還未開采，通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)地表沉降、傾斜和曲率的曲線，如圖7所示。

從圖7可以看出：地表最大沉降值為70 mm，最大傾斜值為0.001 35 mm/m，最大曲率值為1.00×10^-4mm/m2，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：一般磚石結(jié)構(gòu)建筑物的臨界變形值取為：傾斜值3 mm/m，曲率值0.2 mm/m2?？梢钥闯觯乇肀O(jiān)測(cè)點(diǎn)的傾斜值和曲率值明顯小于規(guī)范規(guī)定的允許值，且現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的最大沉降值明顯小于數(shù)值模擬得到的地表最大沉降值。這是由于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際中，礦體還未開采完成，目前礦山開采過程中，地表仍處于相對(duì)安全的狀態(tài)，但后期應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)對(duì)地表的安全性進(jìn)行分析。

5 結(jié) 論

1）隨著井下礦體的開采，原始應(yīng)力狀態(tài)被打破，采場(chǎng)周邊的圍巖應(yīng)力得到釋放，采場(chǎng)頂?shù)装宄霈F(xiàn)了拱效應(yīng)現(xiàn)象，所有的采場(chǎng)均開采并充填完畢，應(yīng)力集中主要發(fā)生在采場(chǎng)兩幫，方案2的最大主應(yīng)力最大，其次為方案3，方案1的最大主應(yīng)力最小。

2）數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果表明，主要巖層移動(dòng)位置出現(xiàn)在采空區(qū)的上方，越靠近采空區(qū)，圍巖的變形值越大；反之，距離采空區(qū)距離越遠(yuǎn)，圍巖的變形值越??；且上盤水平位移值大于下盤的水平位移值，位移云圖呈不對(duì)稱的形狀；方案1、方案2和方案3的地表最大沉降值分別為124.16 mm、260.47 mm和184.94 mm，地表最大水平位移分別為29.74 mm、46.14 mm和65.08 mm。

3）當(dāng)采用分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法只開采-100～-400 m礦體，或采用上向水平分層充填采礦法對(duì)-40～-100 m礦體進(jìn)行開采時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶距離地表高度大于100 m，地表河流處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)采用分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法對(duì)-40～-100 m礦體進(jìn)行開采，塑性區(qū)范圍顯著增加，導(dǎo)水裂隙帶距離地表距離相對(duì)較近，因此，建議-40～-100 m礦體不開采或采用上向水平分層充填采礦法進(jìn)行開采。

4）工程應(yīng)用結(jié)果表明，目前礦山開采過程中，地表仍處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，但后期應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)對(duì)地表的安全性進(jìn)行分析。

［參 考 文 獻(xiàn)］

［1］ 李云濤，付煜，任海龍，等.眼前山鐵礦露天轉(zhuǎn)地下開采邊坡破壞過程及破壞機(jī)理研究［J］.采礦技術(shù)，2022，22（2）：61-70.

［2］ 牛淑慧.迤納廠鐵銅礦采空區(qū)及地表穩(wěn)定性現(xiàn)狀評(píng)價(jià)分析［J］.昆明冶金高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2021，37（3）：50-53.

［3］ 張康順.甕福磷礦穿巖洞礦段地下開采對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響研究［D］.貴陽：貴州大學(xué)，2021.

［4］ 逄銘璋，張愛民，任鵬召，等.某礦深部開采對(duì)地表及豎井穩(wěn)定性影響研究［J］.中國(guó)礦山工程，2021，50（6）：16-20.

［5］ 張超，宋衛(wèi)東，付建新，等.深部復(fù)雜金礦體充填開采對(duì)地表建筑物穩(wěn)定性影響［J］.東北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2021，42（8）：1 143-1 151，1 158.

［6］ 劉明宇，王榮林，劉發(fā)平.某鐵礦地下開采對(duì)地表設(shè)施的穩(wěn)定性影響分析［J］.現(xiàn)代礦業(yè)，2021，37（7）：254-257.

［7］ 丁飛，付俊，周罕，等.河流下開采巖層移動(dòng)及地表變形預(yù)測(cè)研究［J］.礦冶工程，2019，39（5）：14-16，21.

［8］ 劉仁冬，解聯(lián)庫(kù)，于世波.某硫鐵礦地下開采地表變形預(yù)測(cè)及影響評(píng)價(jià)［J］.有色金屬（礦山部分），2013，65（1）：40-43.

［9］ 呂文玉.河流下條帶充填開采可行性分析［J］.煤礦安全，2013，44（11）：201-203.

［10］ 陳嘉生.水域動(dòng)載荷條件下復(fù)雜礦體開采安全技術(shù)［D］.長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2010.

［11］ 閆照存.黃土溝壑區(qū)多工作面開采地表形變破壞分析與評(píng)價(jià)［D］.西安：西安科技大學(xué)，2021.

［12］ 陳玉平，鄧喀中.皖北礦區(qū)河流下煤炭安全開采技術(shù)［J］.煤礦安全，2012，43（7）：182-184.

［13］ 崔景文.地表河流水體煤柱回采可行性研究及開采措施［J］.煤炭技術(shù)，2009，28（6）：70-72.

［14］ 宋霽洪，于燈凱，孫洋，等.開采擾動(dòng)下三圣鐵礦滲流特性及涌水風(fēng)險(xiǎn)分析［J］.黃金，2022，43（11）：43-46.

Research on the influence of underground mining

of a mine on the safety of the rivers on the surface

Xu Zhao

（Shenzhen Shihe Safe Technology Counseling Co.，Ltd.）

Abstract：In a case study of one underground mine，based on the comprehensive analysis of the geological conditions and mining conditions，the typical exploration line section is taken as the research subject.A numerical model is established according to the finite difference software Flac^3D，and the influence of underground mining with different schemes on the safety of the rivers on the surface is studied.The results are applied on-site and verified.The research results show that the ore bodies buried between -100 m and -400 m can be extracted by sublevel open stope and subsequent mining methods for safe mining，and the ore bodies between -40 m and -100 m can be extracted by the cut-and-fill method or security pillar reservation mining method.At present，the stability of rivers on the surface is good.Later on，the monitoring of the safety of the rivers on the surface should be enhanced.The research results can provide a theoretical basis for the safe and efficient mining of similar mines，also it is of significance in protecting the safety of the rivers on the surface.

Keywords：filling mining method;rivers on the surface;numerical simulation;plastic zone;safety