開采擾動(dòng)下礦山地表沉降數(shù)值模擬分析研究

＊蘇生兵

（通化鋼鐵集團(tuán)大栗子礦業(yè)有限責(zé)任公司 吉林 134600）

引言

礦山開采擾動(dòng)影響下的地表沉降直接影響地表建構(gòu)筑物、重要設(shè)施（尾礦庫(kù)等）、地表河流等的穩(wěn)定性。因此，礦山在進(jìn)行地下開采設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)綜合考慮礦體賦存特征、礦巖物理力學(xué)性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、采礦方法等影響，確定巖層移動(dòng)角，圈定巖層移動(dòng)范圍，并以此確定井下保安礦柱的留設(shè)范圍，以控制井下開采擾動(dòng)引起的地表沉降[1]。

礦山地下開采誘發(fā)上覆巖層產(chǎn)生沉降受包括礦山工程地質(zhì)條件、礦巖物理力學(xué)性質(zhì)、采礦方法與工藝等因素的影響[2-3]。目前，常用的地表沉降分析方法主要為工程類比法、理論分析法、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析法、數(shù)值分析法等[4-5]。這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬分析法已被越來越多的研究人員所采用。尤其在礦山開采方案確定階段，大多采用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行地表沉降規(guī)律分析。谷中元等[6]利用FLAC3D軟件模擬分析了小栗子鐵礦井下充填開采誘發(fā)的礦山地表沉降規(guī)律，研究結(jié)果表明整個(gè)地表均較為穩(wěn)定。王少特等[7]綜合利用理論分析和FLAC3D數(shù)值模擬方法，分析了某礦山遺留采空區(qū)穩(wěn)定性和地表變形規(guī)律。劉偉等[8]采用FLAC3D對(duì)某金屬礦山井下開采移動(dòng)監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)的地表沉降進(jìn)行了模擬分析，結(jié)果表明充填法開采能夠有效減小地表沉降變形。

本文以某金屬礦山為研究對(duì)象，根據(jù)室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)及Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則計(jì)算出礦巖力學(xué)參數(shù)，采用FLAC3D軟件模擬計(jì)算井下開采擾動(dòng)對(duì)地表無名溝、尾礦庫(kù)、充填站以及道路等地表重要建構(gòu)筑物和設(shè)施的影響，為礦山的安全開采提供支撐。

1.巖體力學(xué)參數(shù)

巖體力學(xué)參數(shù)的合理確定是巖體工程中一項(xiàng)基礎(chǔ)的工作，直接關(guān)系到巖體工程的安全性和經(jīng)濟(jì)性[9]。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查結(jié)果可知，由于礦體構(gòu)造條件簡(jiǎn)單，故此次計(jì)算中主要采用了摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型[10]。將礦巖巖石力學(xué)參數(shù)代入修正的Hoek-Brown巖體強(qiáng)度計(jì)算準(zhǔn)則，折減得到巖體與充填體的物理力學(xué)參數(shù)，如表1所示。

表1 巖體與充填體物理力學(xué)參數(shù)

2.模型建立與穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)

(1)三維數(shù)值模型建立

根據(jù)三維地表地形圖，利用3Dmine-MIDAS-FLAC3D耦合的方法進(jìn)行模擬計(jì)算，模型如圖1所示。

圖1 計(jì)算模型圖

(2)地表穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)

地下礦體開采引起的地表變形一般采用的指標(biāo)包括位移場(chǎng)變化、傾斜變形、曲率、水平變形等[11]。

①地表傾斜i。地表傾斜為相鄰點(diǎn)在豎直方向的相對(duì)移動(dòng)量與兩相鄰點(diǎn)間水平距離的比值，通常表示計(jì)算公式為：

式中，wA、wB—地表A、B兩點(diǎn)的沉降值（垂直位移），mm；lO

AB—地表A、B兩點(diǎn)間的水平距離，m。②地表曲率K。地表曲率為兩相鄰線段的傾斜差和兩線段中點(diǎn)間的水平距離的比值。計(jì)算公式為：

式中：KB—曲率；iAB、iBC—分別代表地表A、B點(diǎn)間和B、C點(diǎn)間的平均斜率，mm/m；BC、AB—分別代表地表A、B點(diǎn)間和B、C點(diǎn)間的水平距離，m。

③地表水平變形ε。地表水平變形是相鄰兩點(diǎn)的水平移動(dòng)差值與兩點(diǎn)間水平距離的比值。計(jì)算公式為：

式中，uE、uF—地表兩點(diǎn)E、F水平位移，mm；lO

EF—地表兩點(diǎn)E、F間的水平距離，m。

本文參考《有色金屬采礦設(shè)計(jì)規(guī)范》和該礦山地表建構(gòu)筑物實(shí)際情況，將其列為保護(hù)等級(jí)（I級(jí)），地表沉降變形的極限允許值，如表2所示。

表2 建、構(gòu)筑物位移與變形的允許值

4.計(jì)算方案與結(jié)果分析

(1)計(jì)算方案

為保護(hù)地表充填站、道路、無名溝和2#尾礦庫(kù)等的安全，設(shè)計(jì)將1線～2線+20m間468m水平以上礦體、1線～5線+40m間468m水平以上礦體、2線+20m～4-6線間540m水平以上礦體保留為保安礦柱。采礦方法為分段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘?，采?chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)為：礦塊高30m，礦塊長(zhǎng)60m，頂柱3m，間柱6m，礦柱不回收，充填率取60%。

為保證分析接近實(shí)際生產(chǎn)，總體回采順序設(shè)置如表3所示。

表3 計(jì)算步驟表

(2)結(jié)果分析

①地表沉降位移規(guī)律

A.開挖回風(fēng)井巷（初始開挖）由圖2（a）可知，地表開始出現(xiàn)沉降位移，露天采場(chǎng)、無名溝、老辦公區(qū)、尾礦庫(kù)、道路及充填站沉降位移較小，最大位移均不足1mm。B.開挖510m中段采空區(qū)，根據(jù)圖2（b）可知，地表沉降位移增大，最大位移在空區(qū)正上方，位于2#尾礦庫(kù)東側(cè)，最大位移約1.3mm。其他區(qū)域沉降位移較小，最大位移均不足1mm。C.回采510m中段剩余礦體，根據(jù)圖2（c）可知，地表沉降位移增大，最大位移在空區(qū)正上方，位于2#尾礦庫(kù)東側(cè)，最大位移約1.4mm。其他區(qū)域沉降位移較小，最大位移均不足1mm。D.回采450m中段礦體，根據(jù)圖2（d）可知，地表沉降位移增大，最大位移在空區(qū)正上方，位于道路中央，最大位移約2.9mm。其他區(qū)域沉降位移較小，最大位移均不足1mm，2#尾礦庫(kù)東側(cè)邊坡及充填站邊緣沉降位移約1.25mm。E.回采390m中段礦體，由圖2（e）可知，地表沉降位移增大，最大位移在空區(qū)正上方，位于道路北向斜坡，最大位移約8mm；1#露天采場(chǎng)邊坡、無名溝中部最大位移約1.5mm、2#尾礦庫(kù)邊坡及充填站沉降位移約4mm。F.回采330m中段礦體，由圖2（f）可知，地表沉降位移增大，最大位移在空區(qū)正上方，位于道路北向斜坡，最大位移約11mm；1#露天采場(chǎng)邊坡、無名溝北端最大位移約2mm、2#尾礦庫(kù)邊坡及充填站沉降位移約5mm。G.回采270m中段礦體，由圖2（g）可知，地表沉降位移增大，最大位移在空區(qū)正上方，位于道路北向斜坡，最大位移約11mm；1#露天采場(chǎng)邊坡、無名溝北端最大位移約2mm、2#尾礦庫(kù)邊坡及充填站沉降位移約6mm。H.回采240m中段礦體，根據(jù)圖2（h）可知，地表沉降位移增大，最大位移在空區(qū)正上方，位于道路北向斜坡，最大位移約11mm，1#露天采場(chǎng)邊坡、無名溝和老辦公區(qū)北端最大位移約2mm、2#尾礦庫(kù)邊坡及充填站沉降位移約7mm。

圖2 地表沉降位移云圖

隨著礦體向下開挖的逐漸進(jìn)行，地表建構(gòu)筑物的整體沉降位移呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，可能原因?yàn)椋篈.礦體開采順序?yàn)橄滦惺?，在巖石移動(dòng)角一定的情況下，隨著開挖深度的增加，巖層移動(dòng)范圍逐漸擴(kuò)大；B.充填體強(qiáng)度較圍巖和礦體強(qiáng)度低，同時(shí)存在充填結(jié)頂?shù)葐栴}，不可避免會(huì)出現(xiàn)下部礦體開挖而導(dǎo)致的地表整體沉降位移增大。

②巖體移動(dòng)規(guī)律計(jì)算

基于公式（1）～（3），統(tǒng)計(jì)巖體移動(dòng)規(guī)律，計(jì)算結(jié)果如表4所示。由表可知，采用空?qǐng)鏊煤蟪涮罘▽?dǎo)致充填站及道路周邊出現(xiàn)最大沉降位移和最大傾斜率，最大沉降位移量為8.9mm，最大傾斜率為0.06mm/m；2#尾礦庫(kù)出現(xiàn)最大曲率0.00075×10-3/m和最大東西方向水平變形0.032mm/m，無名溝及老辦公區(qū)出現(xiàn)最大南北方向水平變形0.088mm/m。地表監(jiān)測(cè)區(qū)域各項(xiàng)變形指標(biāo)均在安全范圍內(nèi)，地表整體較為穩(wěn)定，表明了采用分段空?qǐng)鏊煤蟪涮铋_采是可行的。

表4 區(qū)域沉降響應(yīng)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

5.結(jié)論

為分析某鐵礦井下開采過程對(duì)地表整體及重要設(shè)施的穩(wěn)定性影響，利用FLAC3D對(duì)回采過程開展了模擬仿真分析，主要結(jié)論如下：（1）獲取了礦山井下各中段礦體回采后地表整體、2#尾礦庫(kù)、充填站、道路、1#露天采場(chǎng)、無名溝和老辦公區(qū)沉降位移變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)開采240m中段礦體時(shí)出現(xiàn)最大位移約11mm，仍處于安全允許范圍內(nèi)。（2）計(jì)算了分段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ㄩ_采擾動(dòng)下礦山地表巖體移動(dòng)規(guī)律，得出充填站、道路周邊出現(xiàn)最大沉降位移，2#尾礦庫(kù)出現(xiàn)最大曲率和最大東西方向水平變形，無名溝及老辦公區(qū)出現(xiàn)最大南北方向水平變形，且這些指標(biāo)值均小于規(guī)范允許值，表明采用分段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ㄩ_采對(duì)礦山地表穩(wěn)定性影響較小，地表整體較為穩(wěn)定、安全。