風(fēng)景名勝區(qū)下銅礦開采地表沉降安全影響研究

李同鵬 胡 崴 方勝勇 李何林 婁廣文 1

（1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司，安徽 馬鞍山 243000；2.金屬礦山安全與健康國家重點(diǎn)實驗室，安徽 馬鞍山 243000；3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司，安徽 馬鞍山 243000；4.銅陵有色股份鳳凰山礦業(yè)有限公司，安徽 銅陵 244000）

礦山地下開采對地表的安全影響是地下礦山開采過程中普遍存在的問題，開采過程中產(chǎn)生的地表沉降不僅會造成礦區(qū)生態(tài)環(huán)境破壞，還可能導(dǎo)致地表建構(gòu)筑物破壞，嚴(yán)重時還將造成地表塌陷等地質(zhì)災(zāi)害。隨著礦產(chǎn)資源的持續(xù)開發(fā)，大部分易采礦體已經(jīng)基本開采殆盡，未來越來越多的地下礦山面臨對建構(gòu)筑物、水體等壓覆的礦產(chǎn)資源進(jìn)行回采。且近年來，國家全面推進(jìn)綠色礦山建設(shè)，在新時代生態(tài)文明建設(shè)和綠水青山就是金山銀山的發(fā)展理念下，為保護(hù)地表生態(tài)環(huán)境和建構(gòu)筑物安全，對控制地表沉降造成的影響也提出了更高的要求［1-3］。

鳳凰山銅礦位于鳳凰山風(fēng)景名勝區(qū)下方，礦區(qū)及周邊地表分布有景區(qū)已有的和規(guī)劃建設(shè)的各類建構(gòu)筑物，礦山開采可能對景區(qū)地表建構(gòu)筑物安全造成影響。本研究在對礦山現(xiàn)狀和地質(zhì)條件進(jìn)行全面調(diào)查和分析的基礎(chǔ)上，采用理論計算和數(shù)值模擬分析手段，研究礦山地下開采對風(fēng)景名勝區(qū)的安全影響，為礦山后續(xù)開采和景區(qū)建設(shè)安全提供理論依據(jù)。

1 工程概況

鳳凰山銅礦始建于1965年，自1971年正式投產(chǎn)至今，已有近50年的開采歷史，井下共形成了8個中段，其中-440 m水平以上礦體已全部開采結(jié)束，前期形成的采空區(qū)均已采用尾砂和廢石進(jìn)行了充填或已冒落塌實。目前主要開采范圍為-500 m中段和-560 m中段礦體，設(shè)計采用上向分層水平充填法進(jìn)行開采，礦塊沿走向布置，長度為50 m，寬度為礦體水平厚度，間柱寬4～5 m，頂柱3～5 m，底柱7 m，礦房中間留有?5 m不規(guī)則的礦柱，采場高60 m。礦體與地表相對位置見圖1。

2 臨時采空區(qū)冒落安全影響分析

根據(jù)設(shè)計和生產(chǎn)實際，礦山-440 m以下全部采用上向分層充填采礦法開采，分層回采高度3 m，采場分層礦石出完，形成5～6 m高的臨時采空區(qū)后進(jìn)行充填。故空頂高度最大為6 m。若形成的采空區(qū)未及時充填，則可能造成臨時采空區(qū)垮塌。本次研究借鑒“三帶”理論計算經(jīng)驗公式，通過計算冒落帶、裂隙帶高度分析地下開采對地表的安全影響。

冒落帶高度［4-5］

裂隙帶高度［4-5］

式中，M為空頂高度。

根據(jù)計算，冒落帶高度為10.5～14.9 m，裂隙帶高度為39.85～51.05 m，則臨時采空區(qū)冒落影響高度最大為14.9 m+51.05 m=65.95 m。即鳳凰山銅礦-440 m水平以下按設(shè)計采礦方法和參數(shù)進(jìn)行開采時，采空區(qū)垮塌造成的最大影響高度為-440 m水平以上65.95 m，不會對地表安全造成影響。

3 開采沉陷數(shù)值模擬

基于礦山開采現(xiàn)狀和設(shè)計情況，利用FLAC3D軟件對礦山不同開采階段下的開采及充填過程進(jìn)行模擬，分析地表沉降和變形的總體情況和對風(fēng)景區(qū)建構(gòu)筑物的影響。

（1）模型建立。為合理模擬鳳凰山銅礦地下開采對風(fēng)景區(qū)建構(gòu)筑物的安全影響，在充分研究已有地質(zhì)資料與多次試算基礎(chǔ)上，確定了數(shù)值模型的平面范圍，模型平面范圍東西向長1 200 m，南北向?qū)? 000 m。礦區(qū)地表分布有排土場和露天采坑，露天采坑底部采用膠結(jié)尾砂充填，根據(jù)礦區(qū)實測地形圖和各中段平面圖建立了地表和礦體模型，見圖2。

（2）巖體力學(xué)參數(shù)取值。依據(jù)礦山提供的巖石力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)及礦區(qū)工程地質(zhì)條件，參考采礦設(shè)計手冊中巖石力學(xué)參數(shù)的經(jīng)驗數(shù)據(jù)及工程巖體質(zhì)量分級標(biāo)準(zhǔn)，通過折減，確定本次數(shù)值計算模型中圍巖及礦體材料物理力學(xué)參數(shù)，詳見表1。

（3）模擬過程。為盡可能真實地反映鳳凰山銅礦礦體開采及覆巖的變形特征，數(shù)值計算按以下幾個步驟進(jìn)行：①形成初始應(yīng)力場；②模擬鳳凰山銅礦-440m水平以上已采礦體回采和充填過程；③模擬-440 m水平以下（-500 m中段和-560 m中段）礦體回采和充填過程。每個步驟的計算均在前一步計算基礎(chǔ)上連續(xù)進(jìn)行，并且逐步推進(jìn)和計算，從而客觀地反映多個過程的疊加效應(yīng)［6-8］。

（4）-440 m以上已開采礦體開采數(shù)值模擬。-440 m以上為礦山前期已開采的礦體，包括-40 m、-80m、-120 m、-180 m、-240 m、-300 m、-360 m和-440 m共8個中段。-440 m以上各中段開采后的地表垂直位移和水平位移云圖見圖3。通過模擬分析可知，-440 m以上開采結(jié)束后，地表產(chǎn)生的最大垂直位移約41.05 cm，主要集中在露天采坑底部，其四周主要表現(xiàn)為整體均勻沉降。最大水平位移約8.47 cm，水平變形影響區(qū)主要位于露天采坑底部及其西側(cè)區(qū)域，數(shù)值模擬結(jié)果與礦山現(xiàn)狀情況較為吻合。

（5）-440 m以下礦體開采數(shù)值模擬。在-440 m以上礦體回采后地表產(chǎn)生的應(yīng)力和位移場的基礎(chǔ)上，對-440 m以下礦體開采過程進(jìn)行模擬分析。-440 m以下（-500 m中段和-560 m中段）回采后的地表垂直位移和水平位移見圖4。通過對-440 m水平以下礦體開采過程模擬分析可知，隨著開采過程的進(jìn)行，地表變形進(jìn)一步增大，地表最大垂直位移約43.75 cm，最大水平位移約8.96 cm，比-440 m以上開采結(jié)束時垂直位移和水平位移分別增大2.70 cm和0.39 cm。

4 地表沉降對建構(gòu)筑物安全影響分析

鳳凰山銅礦地表需保護(hù)的建構(gòu)筑物主要有采礦遺址、戶外露營基地、道路等景區(qū)設(shè)施，根據(jù)《GB 50771—2012有色金屬采礦設(shè)計規(guī)范》中的等級劃分，其保護(hù)等級分別為Ⅰ級和Ⅱ級，對建構(gòu)筑物的影響程度主要考慮傾斜、曲率和水平變形值，變形允許值見表2。

根據(jù)鳳凰山銅礦開采結(jié)束后地表垂直位移云圖（見圖5），在建構(gòu)筑物附近各剖面線（A線～I(xiàn)線）上每隔2 m提取1個垂直位移數(shù)據(jù)，每條剖面線提取了30個垂直位移數(shù)據(jù)，根據(jù)公式［9-12］計算得出了地表建構(gòu)筑物附近的最大傾斜為0.75 mm/m；最大曲率為0.17 mm/m，滿足Ⅰ級建筑物變形允許值要求。各剖面線建構(gòu)筑物附近的垂直位移曲線見圖6。

根據(jù)鳳凰山銅礦開采結(jié)束后地表水平位移云圖（見圖7），在建構(gòu)筑物附近各剖面線（A線～I(xiàn)線）上每隔2 m提取1個水平位移數(shù)據(jù)，每條剖面線提取了30個水平位移數(shù)據(jù)，計算得出了地表建構(gòu)筑物附近的最大傾斜為0.44 mm/m，滿足Ⅰ級建筑物變形允許值要求，各剖面線建構(gòu)筑物附近的水平位移曲線見圖8。

5 結(jié) 論

（1）根據(jù)理論計算分析，鳳凰山銅礦深部-440 m以下采用上向水平充填采礦法開采，僅有單層5～6 m高的臨時采空區(qū)，采空區(qū)坍塌最大影響高度約為65.95 m，不會造成地表出現(xiàn)明顯沉降或塌陷，可以保障風(fēng)景區(qū)地表安全。

（2）根據(jù)數(shù)值模擬計算分析，鳳凰山銅礦深部-440 m以下開采所產(chǎn)生的地表最大垂直位移增量為2.69 cm，最大水平位移增量為0.39 cm；地表建構(gòu)筑物所處位置產(chǎn)生的傾斜、曲率和水平變形值均在《GB 50771—2012有色金屬采礦設(shè)計規(guī)范》所規(guī)定的Ⅰ級保護(hù)建構(gòu)筑物變形允許值范圍內(nèi)，可以保障風(fēng)景區(qū)地表建構(gòu)筑物安全。

（3）本次研究為鳳凰山銅礦深部開采和鳳凰山風(fēng)景名勝區(qū)建設(shè)安全提供了理論依據(jù)，推動了礦山開采與風(fēng)景名勝區(qū)建設(shè)共生共存、協(xié)調(diào)發(fā)展，同時也為類似礦山地表沉降安全影響分析提供了借鑒。