近地表急傾斜厚礦體地表移動規律及影響因素的敏感性分析

韓智勇 曹建立 劉 洋 劉 歡 李廣輝 譚寶會

（東北大學資源與土木工程學院，遼寧沈陽110819）

金屬礦床地下開采，引起圍巖移動、破壞。研究地表巖移規律，對于合理確定地表移動范圍，優化礦山地表總圖布置、保障生產安全等意義重大。目前對傾斜、緩傾斜煤層開采移動機理認識較深入，已建立各種可指導生產的地表及巖層移動的預計理論和模型［1-2］，對急傾斜煤層開采巖層移動規律和機理的研究起步較晚，但也取得了眾多代表性成果［3-7］。金屬礦山具有與沉積煤礦不同的巖體、地質、開采條件與采礦方法，對其急傾斜金屬礦開采難以應用煤礦通用的方法來研究地表移動規律，我國部分金屬礦山通過建立各類觀測站研究開采沉降規律［8-11］，空間測量和大地測量精度受天氣和環境影響較大，費用高，而且由于起步較晚，國內金屬礦地表巖移數據相對較少。隨著數值方法分析能力的提高，大容量、高速度的計算機出現，數值模擬［12-14］已經成為研究地表巖移和預測的重要手段之一，但這些研究多針對某一具體的工程背景，對于急傾斜厚礦體這一大類的礦體開采地表移動規律的研究還不夠深入。本項目利用FLAC3D有限元分析軟件，根據開采深度、礦體傾角、礦體厚度三因素進行正交試驗設計模型方案，對急傾斜厚礦體開采的巖移規律進行系統研究，為地表沉陷變形進行預測和分析工程實踐提供理論依據。

1 數值模擬計算模型和計算方案

針對礦體傾角、礦體厚度、開采深度3個因素，選取4個水平，設計L16（45）正交試驗方案（其中2個位空白列），各因素取值及試驗方案如表1所示。

根據試驗方案建立FLAC數值模型，模型尺寸長度為800 m，寬度為100 m，礦體埋深100 m，分為4個中段進行開采，階段高度為60 m，礦體開采之后空區不充填；模型四周約束水平位移，底邊界約束x、y和z方向位移，上表面為自由表面，模型采用Mohr-Coulomb彈塑性本構模型，并在模型表面每隔15 m設置位移監測點，數值模擬計算基礎簡化模型如圖1所示，模擬計算參數如表2所示。

2 巖移影響因素敏感性分析

各方案試驗結果見表3。

對表3中的試驗結果進行了極差分析，結果見表4，KSLi、KSVi、KLi分別為指標 SL、SV、L 在水平 i下指標的偏差平均值（i=1、2、3、4），R為極差。各因素列的極差均大于空白列的極差，說明計算結果可靠。對于SL、L指標，均有RH＞RA＞RB，即開采深度的影響程度最顯著，對于SV指標，RA＞RH＞RB，即礦體傾角的影響程度最顯著。礦體傾角A與礦體開采深度H對應的各個指標的極差值，相差較小，表明2因素對各指標影響程度相近。

表5為試驗結果的方差統計結果，在顯著性水平α=0.05時F值為4.76。在指標L上，礦體傾角、礦體厚度和開采深度均有顯著影響，其中礦體傾角和開采深度影響非常顯著，對于指標SL、SV，礦體傾角和開采深度具有顯著影響。對于指標L和SL，因素H的F比值要大于因素A所取得的F比值，表明因素H的影響程度要高于因素A；對于指標SV，因素A的F比值要大于因素H的F比值，表明因素A的影響程度高于因素H，和極差分析結果一致。

3 地表巖移規律分析

3.1 水平移動與水平變形特征分析

由于礦體厚度對地表巖移的影響程度最小，因此將角度相同的開挖方案的位移曲線作為同一組進行比較。圖2為各方案的地表水平移動曲線，可見地表水平移動為非對稱的“山峰—山谷”狀曲線，相同傾角條件下，曲線峰值即水平移動的極值隨開采深度的增加而增加，峰值位置與回采中心線的距離隨開采深度的增加而增加，相同開采深度條件下，曲線峰值隨傾角的增加而減小，峰值位置與回采中心線的距離隨傾角的增加而減小；上山側坡度要普遍小于下山側坡度，即靠近中心線側的水平變形值較高。在礦體上盤地表水平位移山峰曲線之后在靠近礦體中心線位置形成一個小的山谷型曲線，即上盤擠壓變形區，傾角越小，該曲線越完整，隨著傾角的增加上盤擠壓變形區消失，如方案16，在下盤形成和上盤近乎對稱的山谷曲線，即拉伸變形區。各方案的最大水平變形值位于“山腳處”，方案13的最大水平變形為0.77 mm，也是16個方案中的最大值。

3.2 下沉與傾斜變形特征分析

圖3為各方案的下沉曲線，圖3（a）為較為規整的漏斗型曲線，當角度為65°時，方案2和方案6的下沉曲線也是漏斗形曲線，當角度為75°時，方案3和方案7也會在緊靠礦體上盤部位出現隆起區，當角度為85°時，方案4和方案8也會在緊靠礦體上盤部位出現隆起區。隨著礦體厚度的增加，緊靠礦體上盤的部位開始出現隆起區，方案4、方案7、方案3的隆起區最為明顯，表明當開采深度增加到某一深度后，靠近礦體中心附近的巖體會發生隆起。在傾角為55°、65°時，相同監測點垂直位移隨礦體厚度、開采深度的增加而增加，在傾角為75°、85°時，沉降中心上盤側監測點符合此規律，方案3和方案15的最大垂直位移相差不多，方案6的最大垂直位移要遠高于同傾角的其他方案，表明在傾角較小時開采深度影響程度要高于礦體厚度，當傾角增加時，開采厚度的影響程度趨于顯著。最大垂直位移隨傾角的增加，整體呈現出減小的趨勢。

3.3 移動邊界角隨各因素的變化規律

根據文獻［1］研究成果，以地表監測點沉降10 mm作為移動盆地的邊界。礦體厚度為35 m條件下，不同傾角礦體的邊界角隨開采深度的變化曲線如圖4所示，在傾角為55°時，開采深度為30 m時即在地表出現移動盆地，隨著礦體傾角的增加，在地表出現移動盆地的開采深度增加，即礦體傾角越小，越容易在形成地表移動盆地。形成的邊界角隨著開采深度的增加而減小，逐漸穩定于50°左右，礦體的傾角越大，邊界角趨于穩定的速度越快。

4 結論

（1）對于SL、L指標，均有RH＞RA＞RB，即礦體開采深度的影響程度最顯著，對于SV指標，RA＞RH＞RB，即礦體傾角的影響程度最顯著。礦體傾角A與礦體開采深度H對應的各個指標的極差值，相差較小，表明礦體傾角和開采深度對各指標影響程度相近，且明顯顯著于礦體厚度。

（2）地表水平移動為非對稱的“山峰—山谷”狀曲線，相同傾角條件下，曲線峰值即水平移動的極值隨開采深度的增加而增加，峰值位置與回采中心線的距離隨開采深度的增加而增加，相同開采深度條件下，曲線峰值隨傾角的增加而減小，峰值位置與回采中心線的距離隨傾角的增加而減小；下沉曲線為漏斗形曲線，當開采深度增加到某一深度后，靠近礦體中心附近的巖體會發生隆起，最大垂直位移隨傾角的增加，整體呈現出減小的趨勢。

（3）隨著礦體傾角的增加，影響地表出現移動盆地的礦體開采深度也相應增加，即礦體傾角越小，越容易在地表形成移動盆地。形成的邊界角隨著開采深度的增加而減小，逐漸穩定于50°左右，礦體的傾角越大，邊界角趨于穩定的速度越快。