板廟子金礦急傾斜薄礦脈深部充填采礦誘發地表沉降影響范圍分析*

趙興東，趙一凡，魏 慧，陳玉民

(東北大學 采礦地壓與控制研究中心， 遼寧 沈陽 110819)

0 引 言

地下采動造成巖體內部原有的應力平衡遭到破壞，導致采場圍巖將依次發生冒落、斷裂、彎曲、沉降等巖體移動變形，波及地表構建筑物，造成其產生不同程度破壞。地表塌陷嚴重時危及井下作業人員生命安全，甚至造成地下資源無法開采[1]。當前我國分析淺部井下采動對地表沉降影響范圍圈定，主要采用經驗公式法、工程類比法以及現場監測法等[2]。但隨著地下金屬礦床開采深度的增加，應用上述方法分析地表沉降影響范圍，常導致圈定的地表巖體移動影響范圍越來越大，致使礦山不得不擴大地表移動保護范圍、擴大征地面積，甚至迫使礦山改擴建井建工程，嚴重影響到礦山的經濟效益。對于深部采動影響地表沉降范圍圈定過小，則無法保證地表構建筑物的安全，同時可能造成地表環境遭到嚴重破壞。

對于井下采動對地表巖移影響范圍的圈定，國內外巖石力學工作者與采礦工程師作了大量的研究工作。早在 19世紀末，地下采礦引起的地表巖層移動、破壞以及由此造成的地表構建筑物的破壞就引起了人們的注意，并進行了觀察和記錄[3-4]。在20世紀30年代，波蘭、德國、英國、美國等國家已開始對地表巖體移動進行監測和研究。從 20世紀 70年代至今，隨著新理論、新技術、新方法以及計算機技術的迅速發展，對于井下采動造成地表巖移影響范圍的研究取得了許多進展[5]。在李特維尼申的隨機介質理論基礎上[6]，劉寶琛等采用隨機介質理論考慮影響地表移動的影響因素，分析井下采動巖石移動問題[7]。Hoek[8-9]針對使用崩落法的露天轉地下開采礦山，計算漸進崩落的極限平衡分析方法，分析斷裂面以上的由楔形塊和崩落覆巖的重量以及張開裂縫中水壓而形成的合力超過滑動面上的抗剪力而產生的阻力時，巖體將產生失穩斷裂。任偉中等[10]認為地下采空區周圍存在一定的破損區，巖體在松動區內將會發生沉陷或較大的位移，而在松動區外則有自成平衡的穩定趨勢。崩落區確定方法是以松動區邊界最寬的位置作鉛垂線，垂線與地表的交點作為崩落區。移動區范圍的確定是從采空區頂板作橫線，與上述兩條鉛垂線相交于兩點，分別以此兩點按類似礦山的移動角作出兩條斜線，與地表相交于兩點，該兩點之間的范圍為移動區。從“垂線理論”到“法線理論”，再由Dumon修正提出了下沉量的計算公式 W=m×cosa，以及Jlcinsky的“二等分理論”和Oesterr的“自然斜面理論”[11]，主要對覆巖變形移動和地表沉降關系進行了研究，建立了相關的幾何理論模型。楊倫[12]提出了巖層二次壓縮理論，將地表下沉直接與巖體的物理力學性質聯系起來。李增琪[13]建立了巖層移動的三維層狀模型。謝和平[14]應用有限元分析井下采動巖層移動規律。目前有限差分軟件FLAC3D被廣泛應用于井下采動對地表移動影響范圍的研究中[15-16]。

本文針對板廟子金礦深部采礦誘發巖體移動與地表沉降影響范圍問題，采用FLAC構建礦體三維空間賦存條件模型，模擬井下開采過程，分析井下采動過程對地表沉降影響，結合礦山構建的地表監測數據，圈定板廟子金礦深部采動對地表移動沉降影響范圍。

1 工程概況

板廟子金礦位于吉林省樺甸市夾皮溝鎮錦山村板廟子屯，夾皮溝成礦帶北西端。板廟子金礦主要開采302-7號、302-7-1號、302-8號、303-13號4條金礦體，此4條礦體賦存于北西向蝕變帶中，傾角為70°～89°，礦體為含金硫化物石英脈，圍巖主要為花崗質片麻巖。礦體水平厚度0.10～8.14 m，平均厚度2.2 m。礦山設計生產能力：2×104t/a；采用明豎井+兩段盲豎井開拓，井筒開拓深度為1010 m。采用上向水平分層干式充填采礦方法開采礦體，中段高度40 m，礦房走向長度40～50 m，回采分層高度3 m，采用鋼筋混凝土人工假底。深部充填采場主要分部在4號～33.2號勘探線之間，500中段（-90 m標高）以上，采空區均用廢石料充填。現有生產中段5個（540 m中段、580 m中段、620 m中段和653 m中段）；目前礦體開采深度為678 m[17]。

圖1 理論模型

為有效分析板廟子金礦井下干式充填開采誘發地表產生沉降變形的影響范圍（見圖1），需要系統分析井下充填開采過程中采場、礦柱以及圍巖的穩定性，最終實現井下開采對地表移動影響范圍圈定。

2 數值分析方案

2.1 數值模型建立

本文對板廟子金礦 22條礦體構建三維數值模型，逐一開采充填分析巖體移動規律。根據礦山提供的地表地形圖、勘探線剖面圖、中段平面圖及礦體縱投影圖，使用3Dmine軟件建立礦體實體模型，并導出地表地形圖等高線賦值高程。使用MidasGTSNX之地形生成器導入等高線生產地表面文件，并建立礦區范圍礦體及其圍巖三維數值模型，將圍巖及礦體連接，優化拓補關系，對圍巖及各個礦體劃分網格，導出網格節點及單元文件。

根據礦山提供的地質資料建立了數值模擬計算模型（見圖2），數值模型的尺寸：X方向1700 m，Y方向1400 m，Z方向1100 m（-500 m～地表，地表起伏無確定值），共劃分 23個分組，其中 1～22分組分別代表22個礦體，23分組為圍巖。該數值模型共有258 875個節點，劃分1 486 266個單元。

圖2 板廟子金礦井下三維數值計算模型

2.2 數值參數選取及破壞準則

分析地表沉降時，做如下簡化和假設：假設巖體為連續的、均質的、各向同性的介質；不考慮構造應力場，初始應力場由巖體的自重生成；研究范圍內的巖性比較簡單，簡化為圍巖和礦體兩類。

計算過程采用Mohr-Coulomb本構模型，采用空模型實現對礦體開采充填的模擬。

邊界約束條件為：模型四周約束水平位移，模型底部約束水平及垂直位移，上部地表為自由表面。由于主要分析井下采動對地表巖移沉降影響，采用巖體自重力作為荷載條件。數值模型的巖體力學參數主要通過在現場取樣進行巖石力學實驗，應用Hoek-Brown對礦體（石英脈）及圍巖（花崗質片麻巖）的巖體力學參數進行折減。因此，數值計算中采用的巖體物理力學參數見表1。

表1 巖體力學參數

2.3 數值計算方案

在數值計算中表現為1至22分組逐一開采，模型計算共23步，第1步在自重條件下計算初始應力平衡，第2～23步逐一開挖礦體。

3 數值計算結果分析

3.1 井下采動對地表沉降影響分析

應用 FLAC3D對板廟子金礦井下采動數值模擬發現，板廟子金礦井下采動過程造成該礦的地表及采空區、礦體上下盤均產生了不同程度的巖石移動，并且在地表形成了類橢圓形的沉降等值線（見圖3），即地表移動盆地。但由于板廟子金礦礦體近直立，且開采礦體薄、不連續，并且使用上向分層干式充填采礦有效的控制井下采動巖體的移動，因此板廟子金礦急傾斜薄礦體開采導致礦區地表沉降區域集中在四個區域，地表最大水平位移點坐標為（x:4759308，y:4760033），最大垂直位移點坐標為（x:42605975，y:4758800），最大水平位移點向遠離礦體方向移動，最大垂直位移點向火藥庫方向移動。但三維數值計算的井下開采結束后地表總沉降位移均在3 mm之內。

圖3 板廟子金礦井下全部采動結束后地表沉降影響范圍

礦體開采形成了兩個近乎獨立的地表沉降移動盆地，反映了地下礦體開采結束后誘發地表巖體移動沉降規律。為進一步分析井下采動對地表沉降的影響，在地表沉降區劃分三個剖面（見圖4），即：1#剖面沿礦體走向長軸方向剖面，2#、3#剖面沿不同勘探線短軸方向剖面，提取地表位移沉降數據（見圖5），分析井下采動過程誘發地表沉降位移變化規律及其影響范圍。從圖4可以看出，2#剖面經過地表位置的移動盆地范圍較3#剖面小，但最大位移值較大，根據圖2分析其主要原因是因為2#剖面所處位置地下礦體距離地表較近，3#剖面所處位置地下礦體分布范圍較大且數量多。在 1#、2#、3#3個剖面上提取總位移數據，并作散點圖用于分析（見圖 5）可以看出，兩個地表移動盆地最大位移量分別為2.1 mm和2.7 mm。

圖4 板廟子金礦井下采動誘發地表沉降結果

3.2 數值計算結果與地表實測巖移數據對比分析

為進一步驗證數值分析結果的合理性，對礦山構建的地表巖移監測系統的典型監測數據與數值分析沉降位移進行對比?，F場地表沉降監測數據共選擇與數值模型結果相對應的 3個觀測點，即：1號點位于舊豎井工業場地信號塔，2號點位于舊豎井工業場地倉庫房前，3號點位于舊豎井附近。地表位移沉降觀測點坐標位置見表2。

圖6不同觀測點的觀測數據可以看出，每個觀測點各方向位移值均很小，且處于波動的狀態，主要由于觀測點位移數據小于1 mm，且礦山使用的全站儀的精度僅僅達到mm級，每次測量距離和角度均存在系統誤差，導致每次測量觀測點的初始位置圍繞平均位置周圍波動（見圖 7）。平均沉降位移位置點距離點初始位置位移變化均不足1 mm。即現場沉降觀測結果表明盡管井下采動，但是地表未發生大的位移沉降，這與三維數值分析結果相吻合（見表2）。

圖5 礦體開采后誘發地表沉降分布曲線

表2 現場沉降觀測點巖移數據與FLAC3D計算結果對比

圖6 板廟子金礦地表沉降觀測數據分析

圖7 1/2/3號觀測點數據分布

綜上分析可以看出，盡管板廟子金礦開拓深度超過1000 m，但由于該礦體近直立、礦體薄、分布不連續，且采用干式充填進行開采，采用三維數值分析與現場沉降監測綜合分析，井下采動誘發地表沉降的3項指標的數值均小于臨界變形值，該礦山開采不會誘發地表產生大的沉降。

4 結 論

板廟子金礦屬于急傾斜脈狀薄礦脈，幾條礦脈平行分布在礦區內，且單礦體在走向方向分布不連續，呈脈狀、似脈狀、透鏡狀、扁豆狀產出，礦體真厚度在0.22～8.14 m，主要集中在1～1.2 m；礦體傾角多在 80°～85°。應用 FLAC3D對井下深部礦體開采誘發地表產生應力、位移分析計算可知，井下采場采用干式充填采礦其誘發地表產生的形變（傾斜、曲率、水平變形三項指標）數值均小于規程規范允許的臨界變形值；通過建立深部礦體三維空間數字模型，并對其進行干式充填開采，其井下深部干式充填開采對地表沉降位移數據均小于1 mm，可知對于深部急傾斜分散薄礦脈開采對地表影響很小，不會導致地表建構筑物及設施設備產生變形、損壞。