某礦井下開采地表沉降范圍及發展趨勢

劉詩杰　李　鐵　馬海濤　劉三平

(1.北京科技大學土木與環境工程學院，北京 100083；2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083；3.中國安全生產科學研究院，北京 100012；4.礦山采空區災害防治國家安全生產監督管理總局安全生產重點實驗室，北京 100012)

某礦井下開采地表沉降范圍及發展趨勢

劉詩杰1,2，3李鐵1，2馬海濤3,4劉三平1,3

(1.北京科技大學土木與環境工程學院，北京 100083；2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083；3.中國安全生產科學研究院，北京 100012；4.礦山采空區災害防治國家安全生產監督管理總局安全生產重點實驗室，北京 100012)

通過概率積分法與數值模擬相結合的方式，對山東某鐵礦井下開采對地表周邊民居建筑的影響進行了研究。分析表明，礦區周邊居民住宅位于開采沉降范圍邊界處，地表變形的傾斜、曲率、水平移動分別為0.08 mm/m、0.009×10-3m、0.4 mm/m，符合相關規范要求；數值模擬地表沉降范圍較概率積分法計算結果大，同一截面處對比顯示，數值模擬中地表沉降寬度達407.6 m，大于概率積分法的366.7 m。礦區沉降監測數據的擬合分析表明，該區域近年來沉降變化斜率小于0.03，地表穩定，沒有新的沉降變形趨勢。因此，可以認為周邊居民小區住宅不會因井下作業受到影響。概率積分法中反映覆巖巖性影響的參數選取可能引起誤差，導致依概率積分法計算結果與數值模擬存在差別，在實際運用中應當通過多種方法協同論證，確保結論正確，實現井下生產與居民生活的和諧穩定。

概率積分法地表沉降數值模擬FLAC

礦山井下開采作業引起的地表沉降變形發展緩慢，時間效應長，影響范圍廣，且影響沉降分布因素復雜，個別極端案例中，地表因地下空區冒落產生大面積塌陷災變，造成巨大人員、財產損失。因此，針對空區變形引起的地表沉降量及范圍的研究具有極高的經濟、社會效益[1-2]。

為了減少開采引起的地表沉降對礦區居民、建筑的影響，我國政府出臺了相關規范[3]，各礦山也積極改進采礦方法，使用充填體處理空區，以取代崩落法作業，取得了良好效果。過往也有許多學者對沉降相關理論進行了研究，提出了如概率積分法，典型曲線法，剖面函數法以及灰色模型理論等分析方法。概率積分法[4-5]為適用于非連續介質模型的影響函數法，綜合考慮了巖層性質，空區深度，礦房高度，是否揭露地表等多種因素，相關研究較為充分，因而被廣泛應用于各大礦山地表沉降范圍及沉降量分析中。概率積分法可以求得一定面積、深度下的空區引起的地表沉降范圍與沉降分布特征參數，通過將特征參數與相關規范對比，即可判斷該區域是否安全穩定。

1　工程概況

山東某鐵礦采區面積1.484 km2，年產量45 萬t/m，開采礦體埋深+250～-400 m，位于閃長巖與大理巖接觸帶內，頂板為大理巖，上覆巖層以灰巖、頁巖為主，地表覆蓋有一定厚度的第四紀地表土。礦體形態不規則，呈NE—WS分布，主礦體走向長約1 300 m，傾角40°～80°，屬急傾斜礦體。

礦區東北側有一在建商業居民小區，該小區為鋼筋混凝土結構，距離礦區較近；礦區南部及其他周邊位置也分布有少量普通居民樓房，易受采動影響。該礦平面概況如圖1所示。

圖1　礦區概況

該礦從建礦之初一直以崩落法對0 m以上礦段進行開采，在礦區內形成了范圍巨大的沉陷區域及塌陷坑，對礦區地貌造成了巨大破壞，在礦區北部形成一個沉降量較大的沉降中心。2006年后，采礦方法改為下向進路尾砂膠結充填法，并對歷史遺留空區進行了回填處理。經檢驗，空區充填率達90%以上，充填效果良好。

根據經驗，充填率達到90%以上的空區頂板沉降變形量極小，不會對地表建筑造成影響[6]，但也曾有過因充填體質量或局部充填率不達標造成地面不均勻沉降的案例。因此，對礦區地表沉降的研究一方面要計算歷史遺留空區變形引起的沉降，圈定沉降范圍，確定相關參數，另一方面應基于監測數據對充填處理空區后的地表沉降發展趨勢進行預測研究，確保地表居民建筑安全。

2　沉降范圍計算

2.1概率積分法

作為開采沉陷的主體，巖體的接觸形式可用連續介質模型與非連續介質模型描述。概率積分法基于非連續介質模型，認為巖體介質由極小單元組成，單元之間無應力聯系，允許相對運用。在研究各單元移動規律時，該方法假設巖移為完全隨機形式，服從正太分布[7-8]，其理論模型如圖2所示。對于一定面積與范圍的地下空區，其上部不同位置處的巖層向臨空方向移動概率依豎向、水平距離的變化呈正態分布，因此形成的下沉盆地形式與正太分布函數曲線一致。

圖2　概率積分法理論模型

空區頂板重心的下沉量wmax并非等于空區高度，而是與礦體傾角α，采厚m，下沉系數q相關，滿足

wmax=qmcosα.

(1)

基于該最大下沉量wmax,結合正態分布函數可求得沿傾斜剖面的下沉量w(y)、傾斜度iy、曲率Ky和水平應變εy，即

(2)

式中，y為距開采中心距離，m；b為水平移動系數；θ為開采影響傳播角,與礦體開采角有關,即

α≤45ο時，θ=90ο-0.68α，

α≥45ο時，θ=28.8ο+0.68α；

r為影響半徑，r=H/tanβ，β為影響范圍邊界與開采邊界的直線與水平所成的夾角,

tanβ=(1-0.003 8α)(D+0.003 2H);

(3)

D為巖性影響系數，巖性堅硬取0.7～1.25，中硬取1.2～2.0，軟弱取2.0～2.8[9]；H為礦體埋深，m。

2.2沉降范圍計算

該礦礦體走向較長，將礦體按走向劃分并編號0～43切線，對各切線礦體剖面分別計算。限于篇幅，在此僅列出3線剖面圖及相關計算。對剖面礦體集中段分別進行編號計算，如圖3所示。

襯墊采用的COOLMAX材料，需要貼近人肌膚的外表面采用超疏水自清潔涂層，表面的污染物或灰塵能在重力或雨水、風力等外力作用下自動脫落或被降解的一種表面。給用戶提供了有力的清潔保障。

圖3　3線剖面

根據概率積分法對各礦段上下表面分別計算，分析影響半徑，如表1所示。根據表1計算結果，3線標高0 m以上礦體采空后引起的地表變形寬度L1=366.4 m。

表1　3線剖面各礦段概率積分法計算

通過對各剖面圖中集中礦段分別計算，可在地表劃出各礦段采空后分別形成的沉降圈，繪出所有沉降圈的包絡線，即為歷史遺留空區引起地表沉降變形的最大范圍。根據本文計算，該礦井下生產形成的地表沉降范圍如圖4所示。

圖4　概率積分法地表沉降范圍

2.3地表建筑危險性判斷

根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》對建筑物保護等級及允許變形值的規定，采場影響范圍內地表建(構)筑物按照重要性、用途和受影響后果的不同，可分為四級保護等級，對不同保護等級的地表建(構)筑物，應保證一定的保護帶寬度，建(構)筑物外圍保護帶的寬度按照表2規定的數值選用。

表2　建筑物變形等級

根據式(2)，礦區地表傾斜、曲率和水平應變分別為6.43 mm/m，0.446×10-3/m，4.13 mm/m，屬移動帶；但礦區邊界處居民住宅區域的地表變形參數分別為0.08 mm/m，0.009×10-3/m，0.4 mm/m，計算結果符合變形等級I級要求。因此，依據概率積分法計算結果，礦區內及周邊地表建筑較為安全，采礦活動不會對其穩定性產生影響。

3　FLAC數值模擬驗證

為了驗證概率積分法計算結果的合理性，使用有限差分法軟件FLAC進行了數值模擬研究。由于該礦結構復雜，分布有大量零星礦段，建模較為復雜，因此僅對主體礦段進行研究。建成的FLAC模型尺寸為2 500 m×1 300 m×630 m，包含2個地質地層，3個計算組即大理巖、閃長巖和礦體，模型總計267 534個三維計算單元，48 685個網格節點。數值模擬模型如圖5所示。

圖5　FLAC數值模擬模型

根據該礦礦房礦柱布置方案，礦房高度為5 m，模擬5 m分段回采，0 m以上礦段采空并迭代穩定后模型地表產生了大面積沉降，如圖6所示(沉降值單位為mm)。

圖6　數值模擬地表沉降分布

由于近地表部分零星礦體沒有反映在模型中，數值模擬中地表沉降量與實際情況有所出入，但沉降變化趨勢和分布規律與實際情況基本吻合，礦區內塌陷坑的位置與數值模擬最大沉降量位置對應，表明數值模擬模型具有較高可信度。

在FLAC模型中，觀測地表勘探線3線剖面中標高0 m以上礦體采空后的沉降發育，如圖7所示(沉降值單位為mm)。經測量，3線剖面標高0 m以上礦段采空后引起的地表沉降寬度 。

概率積分法與數值模擬方法對3線剖面礦段的計算表明，在開采引起的沉降范圍計算上，數值模擬手段更加趨于保守，沉降范圍更大；此外，對比圖4與圖7可以看到，礦區東北側與南部居民住宅都大部分位于概率積分法沉降范圍外，數值模擬沉降范圍之內，表明該區域可能出現了一定的沉降，但沉降量極小,該區域寬度d=180 m，計算得到地表傾斜為i=0.11 mm/m，符合規范。

4　地表沉降變化趨勢分析

礦區內布設的地表沉降監測點基本覆蓋了礦區大部分位置，尤其對東北部靠近商業居民住宅處進行了重點監測，監測工作從2012年持續至今，積累了大量的數據。將監測所得地表沉降數據使用Origin軟件進行直線擬合，得到各監測點沉降量變化函數。21號監測點數據及擬合方程如圖8所示。

圖7　勘探3線剖面礦段采空地表沉降范圍

圖8　21號監測點位移及擬合方程

該點沉降量擬合方程斜率極小，隨著時間推移，該點沉降量基本不會變化。因此，可以認為該處地表沉降穩定，基本不受井下充填采掘活動影響。其他監測點沉降預測如表3所示。

通過對地表監測點沉降量的預測分析，可以看到，該礦區雖因早期使用崩落法開采，導致地面沉降變形較大，但經改進生產工藝，充填處理空區，且采掘深度逐漸加深后，井下生產對地表沉降影響更小，沉降量趨于穩定[10]，不會對地表建筑物產生影響。

5　結　論

(1)理論計算與數值模擬結果都符合相關規定中的限定值，表明井下生產活動不會對礦區內及周邊民居建筑穩定性產生影響。隨著采深逐漸增大，近幾年來的監測數據表明了地表穩定，沒有發生較大規模的沉降量的變化。

(2)概率積分法使用由巖石堅硬程度決定的巖性影響系數D綜合反映覆巖性質對沉降傳播的影響。覆巖巖性為單一大理巖，但地表覆蓋有較大厚度的地表土，二者性質差別大，可能導致D取值存在較大誤差，影響概率積分法計算準確程度。因此，使用數值模擬手段進行了修正，事實證明，數值模擬計算結果趨于保守。

表3其他測點豎向沉降變形預測

Table 3Subsiding forecast of other monitoring points mm

監測點變 形 量2015年6月2016年6月2017年6月2018年6月2019年6月2020年6月精度(殘余誤差平方和)10#0.614041.228081.842122.456163.07023.684240.0604315#0.128520.257040.385560.514080.64260.771120.0498720#0.026040.052080.078120.104160.13020.156240.0395721#0.266040.532080.798121.064161.33021.596240.0372322#0.485160.970321.455481.940642.42582.910960.0404323#0.441000.882001.323001.764002.20502.646000.08626

(3)目前對于地表沉降量及沉降范圍的研究方法眾多，但大部分理論都基于特定假設，并對相關參數簡化選取，可能導致最終結果與實際存在誤差，因此，在實際運用中，應當運用多種方法論證，相互修正，確保研究結論的正確性。

(4)地表監測數據顯示，近年來隨著地下采礦作業采深增大，地表沉降趨于穩定，幾乎沒有變化，但計算結果表明，仍有一部分民居建筑位于數值模擬沉降范圍內。因此，仍應繼續沉降監測工作，同時繼續改進充填工藝，保證安全生產，避免地表沉降對居民生活影響。

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(責任編輯徐志宏)

Study on the Ground Subsiding Area Caused by Underground Mining and Its Developing Tendency

Liu Shijie1,2,3Li Tie1,2Ma Haitao3,4Liu Sanping1,3

(1.SchoolofCivilandEnvironmentalEngineering，UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Beijing100083，China；2.KeyLaboratoryofHigh-efficientMiningandSafetyofMetalMine,MinlstryofEducation,Beijing100083，China；3.ChinaAcademyofSafetyScience&Technology，Beijing100012，China；4.KeyLaboratoryonMiningGoafDisasterPreventionofSAWS，Beijing100012，China)

Combined with the probability integral method and numerical simulation，the effect that underground mining conduct on the residential buildings around is studied.Results show that the residential buildings are at the boundary of the mining subsiding area，the dipping，curvature and horizontal deformation of subsidence are 0.08 mm/m，0.009×10-3m，0.4 mm/m respectively，which are within the indexes given in related standards.The subsiding scope in numerical simulation is larger than that in probability integral method.Comparison of the subsiding scope at the same section shows that the subsiding width in numerical simulation is 407.6 m，larger than 366.7 m in probability integral method.Besides，fitting analysis on the subsiding monitoring data shows that the slope of the subsidence changing in recent years is less than 0.03，which means the ground subsiding tends to be steady and there is no new subsiding trend.Therefore，it is concluded that the residential buildings around will not be affected by the underground mining activities.It's found that error may occur in the choosing of the parameter reflecting the property of the overlying stratus，which lead to a difference between the results solved by probability integral method and numerical simulation.It's better to conduct studies in different ways to avoid error in dealing with problems in order to ensure the correction of the results and the harmony between underground mining and people's daily lives.

Probability integral method，Ground subsiding，Numerical simulation，FLAC

2015-07-22

劉詩杰(1992—)，男，碩士研究生。

TD73

A

1001-1250(2015)-09-152-05