某鐵礦地下開采地表變形數值模擬

徐祥熙　武　斌

(山東金嶺礦業股份有限公司)

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某鐵礦地下開采地表變形數值模擬

徐祥熙武斌

(山東金嶺礦業股份有限公司)

地下礦產的開發不可避免地造成地表沉陷和移動變形，對礦區地表建(構)筑物造成一定的影響。為定性和定量研究礦區地表變形特征，運用FLAC3D數值模擬方法，對某鐵礦開采引起的地表變形區域進行了劃分，結果表明，地表建(構)筑物大多位于地表移動邊界之外，擴界開采帶來的影響較小。

地下開采開采沉陷地表沉降數值模擬移動邊界

地下礦山開采對地表產生了不同程度的影響，隨著地下采掘范圍的擴大，導致地表出現不均勻沉降，嚴重者甚至造成地表塌陷，在礦區附近地表往往會出現塌陷坑、地裂縫等采礦活動引起的地表大變形現象[1-4]。若采場距地表建筑(構)物較近，便會導致建筑(構)物地基的穩定性受到影響，造成地表房屋開裂、破壞。為確保某鐵礦在擴界開挖過程中，礦區附近的居民房屋安全以及企事業單位的正常運行，需對采礦引起的地表變形程度和范圍進行定性定量分析。

1　工程背景

某鐵礦至今開采已逾50 a，目前開采標高+250～-200 m，采區面積1.048 4 km2，采礦方法為下向進路膠結充填法，生產規模45萬t/a。經擴界后礦區在開采面積上有所增加，開采深度從-200 m延深至-350 m。該礦礦體分布較復雜，礦體形態不規則，分布有零星礦體無法開采，但總體而言，礦體位于大理巖和閃長巖接觸帶中，頂板多為大理巖，底板為矽卡巖及蝕變閃長巖。該鐵礦采用的下向進路膠結充填采礦法可有效限制采礦活動引起的地表變形，為遏制地表變形發展發揮了積極作用。該方法自上而下分層回采、分層充填，以巷道進路方式在上分層的人工假底保護下進行回采，每一分層回采是在掘進完分層聯絡道后，以分層全高垂直走向或沿走向劃分進路，間隔或連續地進行進路采礦，第一批進路回采完畢后便立即鋪設人工假底并進行膠結充填接頂，在此基礎上回采并充填相鄰進路，待整個分層的回采與鋪設人工假底、充填工作結束后，再進行進路回采下一分層。該方法的主要優點在于回采安全，礦石回收率高，貧化率低，進路的方向、位置及數量可根據礦山地質情況進行調整，靈活性強。

2　數值模擬

2.1模型構建

該鐵礦礦區面積較大，礦體廣泛分布于-1#～53#線，原礦體豎向分布主要從地表附近至-200 m，擴界的豎向區域主要為-200～-350 m，但擴界區域內礦體較薄，主要分布于19#～23#線，部分區域礦脈厚度較小，無法開采。礦區地表有較薄的第四系地表土，地表大部分區域直接與巖石接觸，地表以下主要巖石為大理巖，其間夾雜少量的礫石和灰巖，該部分可簡化為大理巖層，而實際地層為傾斜地層，為簡化數值模擬過程，在不影響計算結果的前提下，將該部分地層簡化為水平地層，大理巖地層下伏為閃長巖層。根據該礦圈定的研究范圍，建立了三維數值計算模型，最終模型尺寸為2 500 m×1 300 m×630 m(長×寬×高)，計算模型共分為2個地質地層，3個計算組(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。三維仿真模型及礦體形態如圖1所示。

圖1　數值計算模型

該計算模型采用的邊界條件為側面限制水平移動，底面固定，模型上表面為自由邊界。模型全部采用實體單元模擬，巖土體材料破壞特征符合Mohr-Coulomb強度準則。模型計算所需的力學參數取值見表1。

表1　某鐵礦數值模擬各地層力學參數

模型數值模擬運算過程為：①在給定的力學條件和邊界約束情況下，計算模型的初始應力，以達到初始應力平衡狀態；②計算實際分步開采回填過程中地表的沉降變形，得到地表移動邊界，分析開采過程中地表建(構)筑物的安全性。

2.2數值模擬結果分析

根據實際礦體開采情況(0 m以上采用崩落法開采，0～-200 m為充填法開采，擴界開采部分也采用充填法開采)，得到地表變形位移云圖，如圖2所示。由圖2可知：礦區地表主要有2個沉降盆地，左側盆地最大沉降量約25 mm，右側約75 mm，該2個盆地為礦體集中分布區域，兩處礦體均較厚大，采出土石及礦石方量大，故地表沉降值較大，與地表在兩處形成塌陷坑的實際情況相符。由于該礦前期采用崩落法開采，未能及時進行填充才造成了塌陷坑的生成，現已對老采空區進行了尾砂膠結充填處理，地表塌陷坑也進行了填埋，地表沉降已基本趨于穩定。取沉降15 mm作為移動邊界(圖2中黑色粗實線)，則可知該礦區地表主要建筑(構)物和民居都位于移動邊界外，該鐵礦地下開采對地表建(構)筑物的影響較小。對該礦區地表最大沉降量累積進行了統計，結果見表3。

圖2　地表沉降位移云圖(單位：mm)

由圖3可知：地表最大沉降約為75 mm，擴界前的開采過程地表沉降增長速度較快，而擴界后地表沉降趨于穩定。這是因為：①頂板為大理石頂板，較完整，地質條件較好，強度較大，抗變形能力強；②隨著開采深度的增大，雖然對地表的影響范圍增大，但對地表的影響程度逐漸減小，擴界開采時與地表的距離在300 m以上，因此地表所引起的變形微乎其微；③由于對崩落法采礦造成的老采空區進行了充填，之后的采礦活動采用膠結充填法致使采礦活動引起的沉陷得到限制，巖土體的強度得到保護，因此在開采下部礦體時其造成的影響也相應減小，擴界開采引起地表沉降量變化較小[5-7]。

圖3　地表最大沉降累積

礦區在井下采掘工作的影響下，地表將形成2個沉降中心。隨著擴界開采深度的增加，開采對地表的影響逐漸變小，擴界開采并填充采場后，地表受采動影響，產生的沉降變形趨于平緩穩定。地表沉降中心位于礦區內部，由于礦體空間位置較集中，地表沉陷云圖呈偏態閉合橢圓形，最大沉降中心與現有的塌陷坑位置相吻合。礦區周邊主要建(構)筑物位于地表移動界限外，擴界生產對其造成的影響較小。

3　結　語

采用FLAC3D軟件對某鐵礦山地下開采對地表變形的影響進行了數值模擬分析，結果表明，該礦區地表主要建筑(構)物均位于開采移動邊界外，礦山開采過程對其影響較小，本研究分析結果對于確保該礦區安全生產有一定的參考價值。

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2016-05-06)

徐祥熙(1988—)，男，工程師，255000 山東省淄博市張店區中埠鎮。