地下采動影響下地表沉陷的分析

王瑞星，孫洪洲，劉志義

(1.山東黃金礦業(萊州)有限公司三山島金礦 山東 萊州市 261442；2.中南大學 資源與安全工程學院, 湖南 長沙 410083)

地下采動影響下地表沉陷的分析

王瑞星1，孫洪洲1，劉志義2

(1.山東黃金礦業(萊州)有限公司三山島金礦 山東 萊州市 261442；2.中南大學 資源與安全工程學院, 湖南 長沙 410083)

三山島金礦直屬礦區屬于濱海礦床，礦體開采技術條件復雜，上覆巖層或者地表沉陷都有可能導致海水大量的滲入，為確保礦山安全，采用有限元數值軟件對直屬礦區深部取消點柱后的礦體建立模型，通過計算下沉、水平位移、傾斜、曲率、水平變形、扭曲和剪應變等指標，定量的分析取消點柱后地下采動對地表沉陷的影響。結果表明，三山島金礦直屬礦區深部開采取消礦柱后上覆巖層不發生破壞，對地表建筑物不構成影響。

濱海礦床；采動影響；地表沉陷；數值計算

0 引 言

當地下工作面開采達到一定距離后，地下開采便波及地表，受采動影響的地表從原來的標高向下沉降，從而在采空區上方形成一個比采空區大得多的沉陷區域，這種地表沉陷區域稱為地表移動盆地，或稱下沉盆地[1]。在地表移動盆地的形成過程中，逐漸改變了地表的原有形態，引起地表標高、水平位置發生變化，從而導致位于影響范圍的建(構)筑物的損壞。

三山島金礦直屬礦區屬于濱海礦床，礦體開采技術條件復雜，上覆巖層或者地表沉陷都有可能導致海水大量的滲入，嚴重影響礦山安全[2]。鑒于此，選取取消點柱的分界深度為-555 m，-555 m以下礦體開采全面取消礦柱。為研究取消礦柱后巖層移動及濱海地表沉降規律，采用有限元分析軟件ANSYS進行數值模擬，分析取消點柱后采動對地表沉陷的影響，從而確保礦山安全生產。

表1 巖體力學參數折減系數

表2 模擬中巖體力學參數

1 ANSYS計算模型的建立

1.1 巖石力學參數

三山島金礦區的巖石主要是黃鐵絹英巖質碎裂巖、黃鐵絹英巖化花崗質碎裂巖、絹英巖化花崗巖[2]。考慮到巖石力學實驗中所用的試件與工程中巖體的差別，對實驗數據需要進行折減，折減系數值如表1所示，模擬使用的基本巖石力學參數如表2所示。

原巖應力包括自重應力和構造應力，根據地應力測量報告，水平構造應力主應力σhmax垂直礦體走向，主應力方向σhmix沿礦體走向，構造應力變化規律如下[3]：

σhmax=0.11+0.0539H

(1)

σhmix=0.13+0.0181H

(2)

σz=0.08+0.0315H

(3)

式中,H為豎直方向深度，m。

1.2 計算模型的建立

實體模型的建立,一是要根據移動角大體估算可能的移動范圍，二是要考慮計算機的可實現性。建立的模型參數如下：計算模型取走向1230 m，寬度為500 m，深度為1000 m，礦房中礦柱尺寸取4 m×4 m，網度15 m×15 m，頂底柱3 m。由于研究對象為地面建筑，同時考慮開采沉陷范圍，計算模型在往陸地方向取長度1100 m，往海水延伸方向取100 m。

根據上述參數建立有限元模型網格如圖1所示。模型中共有70413個單元，單元類型為solid45。

圖1 計算模型

2 ANSYS計算結果分析

從地表移動的力學過程及工程技術問題的需要出發，地表移動的狀態可用垂直移動和水平移動進行描述。常用的定量指標有下沉、傾斜、曲率、水平變形、扭曲和剪應變[4]。

2.1 定量指標計算

地表點的沉降叫下沉，是地表移動向量的垂直分量。下沉曲線表示地表移動盆地內下沉的分布規律，設主斷面方向為x軸，下沉位移為y軸，地表移動盆地主斷面上的下沉曲線如圖2所示。

圖2 垂直礦體走向主斷面下沉曲線

對垂直礦體走向沉降點分別進行擬合，擬合結果為：y=-2.089×10-18x6+8.378×10-15x5-1.237×10-11x4+7.463×10-9x3-4.765×10-7x2-0.00109x+0.130988,擬合系數為0.9974，擬合度較好。

傾斜曲線表示地表移動盆地傾斜的變化規律，為下沉的一階導數，通過對下沉曲線數據的處理，可得到地表移動盆地垂直礦體走向主斷面上的傾斜曲線,如圖3所示。

對垂直礦體走向沉降點斜率分別進行擬合，擬合結果為：y=-5.911×10-25x6-1.044×10-17x5+3.35110-14x4-3.711×10-11x3+1.493×10-8x2-4.764×10-7x-0.00109,擬合系數為1，擬合度較好。

圖3 垂直礦體走向主斷面下沉傾斜曲線

曲率曲線表示地表移動盆地內曲率的變化規律，它是傾斜的一階導數，通過對傾斜曲線數據的處理，可得到地表移動盆地垂直礦體走向主斷面上的曲率曲線,如圖4所示。

圖4 垂直礦體走向主斷面下沉曲率曲線

對垂直礦體走向沉降點曲率分別進行擬合，擬合結果為：y= 1.102×10-27x6-7.736×10-24x5-4.175 ×10-17x4+1.005×10-13x3-7.422×10-11x2+1.493×10-8x-4.764×10-7，擬合系數為1，擬合度較好。

水平變形是水平移動的一階導數，通過對水平移動曲線數據的處理，可得到地表移動盆地垂直礦體走向主斷面上的水平變形曲線，如圖5所示。

對垂直礦體走向水平移動變形分別進行擬合，擬合結果為：y=-2.138×10-30x8+1.07×10-22x7-4.964×10-19x6+9.27×10-16x5-8.85×10-13x3+4.5×10-10x3-1.136×10-7x2+1.103 ×10-5x-0.00031946，擬合系數為1，擬合度較好。

2.2 計算結果分析

(1) 豎直沉降分析。礦區最大沉降位移區域位于垂直走向430 m處，最大沉降值達到140.642 mm，正好處于點柱式開采與盤區法開采分界處的上方，與理論分析結果吻合。

圖5 垂直礦體走向主斷面水平移動變形曲線

(2) 傾斜及曲線分析。礦區最小傾斜區域均位于點柱式開采與盤區法開采分界處的上方。結合地下采空區平面圖及地表下沉曲線圖，對地表斜率變化規律進行分析，發現點柱式開采引起的傾斜情況比盤區式開采引起的傾斜較大一些。

(3) 曲率曲線分析。礦區最大曲率區域均位于盤區法開采礦體的上方，最大值達0.003×10-3/m。結合曲率曲線圖可以看出，曲率變化在-150 m和-600 m以及-1000 m附近有拐點，在開采中應對這些區域加強觀測。

(4) 水平變形曲線。由水平變形曲線圖可知，點柱式開采變形為負，在600 m左右水平變形減為0，盤區式開采部分礦體上方地表位移表現為距離活動采場越遠的地方，水平變形逐漸增大。

3 結 論

根據計算結果，三山島金礦深部開采取消礦柱后，主斷面上地表垂直位移為14 cm，最大水平變形為0.4 mm/m，最大曲率為0.003×10-3/m，最大傾斜0.011 mm/m。分析可知,上覆巖層不會發生破壞,按國家規定的等級分類，建筑物的損壞等級為Ⅰ級，地表建筑物的自然磚墻上可能會出現1 mm左右的裂縫，對建筑物的使用不構成影響，可以不進行結構處理。

[1] 何國清,楊 倫.礦山開采沉陷學[M].北京:中國礦業大學出版社,1991:45-59.

[2] 彭 康,李夕兵.基于響應面法的海下框架式采場結構優化[J].中南大學學報:自然科學版，2011(8):2417-2423.

[3] 彭 康,李夕兵.三山島金礦中段盤區間合理回采順序動態模擬選擇[J].礦冶工程，2010(6):8-12.

[4] 武龍飛.充填開采引起地表沉陷的影響因素探討[J].能源技術與管理,2008(1):21-26.

2013-09-25)

王瑞星(1970-)，男，黑龍江齊齊哈爾人，工程師，本科，主要從事采礦工藝研究工作,Email：liuzhiyi20czh@163.com。