馬城礦多中段疊加開采對上覆巖體移動與變形的影響

孫世國 馬銀閣

（北方工業大學土木工程學院，北京100144）

地下礦產資源開發誘發地表移動變形的研究一直是我國巖土工程領域研究中的重點課題［1-3］。我國金屬礦產資源豐富，隨著我國工業化進程的加快，對能源與礦產的需求日益增長。淺部礦山已經逐漸開采完畢，許多礦山開始向更深范圍開采，如紅透山銅礦等均己進入地下1 000多m的深度開采［4］。在多次重復開采的過程中，地下采空區會對上覆巖體的變形產生疊加作用［5］。本研究以馬城礦為依托，模擬不同開采中段對采空區上覆巖體的穩定性影響，在分析地表沉降與水平變形的基礎上，重點分析了傾斜、曲率、水平變形等指標的變化，為實際工程提供參考。

1 工程概況

馬城礦段為一大型鞍山式沉積變質鐵礦床，隸屬河北省灤南縣馬城鎮所轄，礦區南北長約6 km，東西長約2 km，地面海拔標高15～20 m。全區共分為17個礦體，依次編號為Ⅰ～ⅩⅦ，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ號為主礦體。礦體總體呈北北西走向，層狀產出，傾向北西或南西，傾角39°～56°。礦區斷裂構造發育，分別命名為F1、F2、F3，3條斷裂帶相互關聯、互相影響。由于馬城礦體賦存條件和水文地質、地表環境條件的復雜性，設計采用嗣后充填法。

2 上覆巖體移動與變形

2.1 計算模型設計參數的選取

應用FLAC3D軟件建立模型，如圖1所示，本次設計開采對象為17個礦體中的6個，即I號、II號、III號、V號、XI號和XII號礦體，范圍為-240～-900 m，并劃分為2個采區，其中-240～-540 m為上部采區，-540～-900 m為下部采區，以60 m為一個中段，上、下采區同時開采。本模型（見圖1）尺寸：東西長度為3 168 m、南北長度為6 850 m、深度1 670 m。三維模型劃分216 703個單元，84 153個節點，其中含3條斷裂帶F1、F2、F3以及構造破碎帶。

力學參數如表1所示。

2.2 地表移動變形規律綜合分析

2.2.1 地表位移規律

不同開采厚度誘發走向方向地表沉降曲線如圖2所示。隨著采空區頂板面積增大，臨空面失去支撐而產生了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下沉盆地。隨著各中段的不斷開采，工作面不斷向上部推進，由于接頂率無法達到100%，導致各個中段開采誘發的變形產生疊加效應，由此地表下沉量隨開采中段數的增加而逐漸增大。地表變形與開采擾動相關，距離Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ號礦體較遠區域，開采擾動效應逐漸減小，地表位移量也逐漸減小，直至變為零而無影響。6個中段開采結束后，地表最大沉降量為4.13 m（Y=1 800 m），下沉盆地范圍在Y=400～4 500 m之間，長約4 100 m。

走向方向地表水平位移曲線如圖3所示。從圖中可以看出，礦產開挖初期，地表的水平位移基本呈對稱狀態。隨著礦產資源的不斷開挖，當進行到第三中段時，地表水平位移逐漸呈現不對稱分布，且逐漸增大。遠離采空區水平位移逐漸變為零。地表水平位移的最大值分別為1.16 m（Y=1 600 m）以及-0.40 m（Y=3 400 m），水平位移范圍大概在Y=600～4 500 m之間，長約3 900 m。

不同開挖高度下傾向地表沉降曲線如圖4所示。可以看出隨著開采工作面不斷向上部推進，地表下沉量也逐漸增大，6個中段開采完成后，最大沉降量為-4.22 m（X=2 000 m），下沉盆地范圍大概在X=750～2 750 m之間，長約2 000 m。

傾向方向地表水平位移曲線如圖5所示。傾向方向水平位移與走向方向水平位移變化趨勢基本一致，隨著礦產資源的不斷開挖，地表水平位移逐漸呈現不對稱分布，且逐漸增大。地表水平位移的最大值分別為1.86 m（X=1 600 m）以及-1.53 m（X=2 200 m），水平位移范圍大概在X=550～2 800 m之間，長約2 250 m。

2.2.2 傾斜變形

地表傾斜往往發生在移動盆地邊緣區，位于拐點處的地表傾斜最大。地表傾斜能使排水系統改變坡度，這對于靠流體重力作用的自流管道影響很大。地表傾斜變形也會對鐵路、公路有一定的危害，尤其是鐵路，線路的坡度的增加將使列車運行阻力有所增加。同樣，地表傾斜對底面積小、高度大的建筑物或構筑物的影響很大，會使這些建筑重心發生偏斜，引起應力重新分布，當傾斜過大時，會使構筑物折斷或傾倒。

走向方向地表傾斜變形曲線如圖6所示。隨著開采工作面不斷向上部推進，地表傾斜變形量也逐漸增大。左側模型埋深較深，所以模型右側地表傾斜變形特征比左側明顯。6個中段開采完成后，模型左側地表傾斜變形最大值為-6.57 mm/m（Y=800 m），模型右側地表傾斜變形最大值為6.22 mm/m（Y=2 600 m）。

傾向地表傾斜變形曲線如圖7所示。同樣隨著開采工作面不斷向上部推進，地表傾斜變形量也逐漸增大。6個中段開采完成后，模型左右兩側地表傾斜變形最小值為-9.75 mm/m（X=1 400 m）和最大值10.41 mm/m（X=2 000 m）。

2.2.3 地表曲率變形

地表曲率有正、負曲率之分，由不均勻沉降引起的地表曲率變形會引起管道在豎向面內產生彎曲。地表曲率變形同樣會引起建筑物上附加應力增大，一般是隨著曲率半徑減小、建筑物長度增大，建筑物產生的破壞也加大。

走向方向地表曲率變形曲線如圖8所示，可以看出隨著開采工作面不斷向上部推進，地表曲率變形量顯著增大，地表曲率變形波動也較大。模型右側（X=4 000～6 850 m）地表曲率變形數值基本為0。6個中段開采完成后，模型地表曲率變形在Y=600 m處出現最小值為-0.023 mm/m2。

傾向方向地表曲率變形曲線如圖9所示，隨著開采工作面不斷向上部推進，地表曲率變形量顯著增大。模型左右兩側（X=0～500 m、X=2 800～3 750 m）地表曲率變形數值基本為0。6個中段開采完成后，模型地表曲率變形最大值為-0.027 mm/m2（Y=1 200 m）。

2.2.4 地表水平變形

地表的拉伸和壓縮稱為水平變形，正值表示拉伸變形，負值表示壓縮變形。

走向方向地表水平變形曲線如圖10所示，隨著開采工作面不斷向上部推進，地表水平變形量逐漸增大。6個中段開采完成后，模型地表水平變形最大值為2.16 mm/m（Y=800 m）和-2.60 mm/m（Y=2 600 m）。

23線剖面（傾向）地表水平變形曲線如圖11所示，6個中段開采完成后，模型地表水平變形最大值為-7.6 mm/m（Y=2 000 m）。

2.2.5 采空區移動角的確定

在我國通常使用傾斜i、曲率k和水平變形ε來衡量建筑物的破壞程度。規范規定［6］：以盆地內地表移動變形對建筑物有無危害而劃分的邊界，一般磚石結構建筑物的臨界變形值：傾斜i=3 mm/m、曲率k=0.2 mm/m2和水平變形ε=2 mm/m。確定移動角時以3個變形值中最外的為邊界。圖12為移動角示意圖。

當開采厚度較小時，其相應的移動角大；當開采厚度依次增大時，其移動角相應減小，即移動范圍增大；當開采達到一定厚度之后，上覆巖體達到充分采動時，移動角不再減小而穩定在某個數值上；各個中段開采結束后移動角大小如表2所示，總體移動規律是隨著開采厚度增大移動角變小。由于許多工程設施位于其危險變形區內，為了保障其安全性，需要強化動態監測，實時掌握其動態發展趨勢，避免地表產生破壞性變形誘發各種建筑物和市政設施的破壞，從而誘發次生災害。

3 結 論

（1）多次重復開采加劇了地表位移變形，增大地表沉陷盆地的范圍與水平變形劇烈程度。根據模擬結果得到，位移值在采空區中心最大，向兩側依次減小;隨著開采中段的增加，水平位移值、沉降值均增大。

（2）分析了地表變形的3項指標，均隨著開采中段的增加而不斷增大。根據傾斜、曲率、水平3項變形值可以更好地預測地表建筑物的破壞程度。

（3）確定傾向主斷面的移動角以及傾向方向保護邊界，分別是采區上盤移動角為66.04°，即向左側擴展400 m，采區上盤移動角為48.47°，即向右側擴展797 m。