高速公路壓覆礦體開采地表變形預(yù)測

曹易恒，尹賢剛，李向東，甯瑜琳

(1.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司，長沙410012；2.國家金屬采礦工程技術(shù)研究中心，長沙410012)

建筑物下、鐵(公)路下和水體下埋藏的礦體稱為“三下”礦體，“三下”礦體的開采可能導(dǎo)致位于地表的建筑物、交通工程、水利工程發(fā)生破壞失穩(wěn)，從而產(chǎn)生一系列威脅人員生命財(cái)產(chǎn)安全的問題[1]。

壓覆礦體開采的關(guān)鍵是如何控制地下開采引起上覆巖層和地表移動變形，國內(nèi)外已有許多研究人員對此進(jìn)行了研究。許家林等提出關(guān)鍵層理論，分析了關(guān)鍵層活動對覆巖與地表移動的影響[2]；劉仁冬等通過數(shù)值模擬方式研究了“三下”礦體開采造成的地表移動變形，分析了地表移動變形規(guī)律[3-5]；陳則連等通過理論計(jì)算或數(shù)值模擬研究了公路鐵路下開采造成的地表移動變形，并提出了具體的保護(hù)措施[6-8]；王偉等采用數(shù)值模擬方式研究了充填采礦法的地表變形，表明充填體對減小采礦引起地表變形具有重要作用[9-10]。

本研究以盤龍鉛鋅礦礦區(qū)的高速公路壓覆礦體開采為例，綜合利用理論計(jì)算和數(shù)值模擬的方式得出壓覆礦體開采造成的地表移動變形結(jié)果，并導(dǎo)出數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行后處理，生成地表移動變形等值線復(fù)合圖，以此可直觀對照大致得出諸如建筑物、公路等地表保護(hù)對象的移動變形值，從而判定壓覆礦體開采是否會使得高速公路發(fā)生破壞。

1 工程概況

礦區(qū)主要出露地層為第四系土層，平均厚度16 m。礦區(qū)地表有建筑物、河流、公路等，地表不允許塌陷，其中礦區(qū)4～6勘探線之間有高速公路通過，礦區(qū)東部有寬約500 m、水位40～45 m的黔江流過，為防止突水淹礦和嚴(yán)重巖溶地面塌陷問題的發(fā)生，礦區(qū)東部設(shè)有注漿帷幕擋水工程。東部礦體主要賦存于白云巖中，總體走向北東向，走向長750 m，最大傾斜延伸1 100 m，傾向340°，傾角平均82°，厚度平均18 m，賦存標(biāo)高62～-1 140 m。

為延長礦山服務(wù)年限，增加可采資源儲量，綜合考慮后決定試采位于2～16線，-220 m標(biāo)高以下高速公路壓覆的礦體，設(shè)計(jì)采礦方法為機(jī)械化上向水平分層充填法，中段高60 m，采場垂直走向布置，兩步驟回采，礦房礦柱寬度均為15 m，分層高度4～5 m。

2 理論計(jì)算

概率積分法基本原理是以正態(tài)分布函數(shù)為影響函數(shù)用積分式表示地表下沉盆地，是我國應(yīng)用于地表開采沉陷預(yù)測比較成熟的一種理論預(yù)計(jì)方法。本文具體采用了P系數(shù)法、條帶經(jīng)驗(yàn)公式法、特殊開采法三種計(jì)算方法進(jìn)行預(yù)測，三種計(jì)算方法的計(jì)算結(jié)果見表1，計(jì)算結(jié)果與2017年頒發(fā)的《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》規(guī)程對比可知，理論計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)程安全要求，表明地表建構(gòu)筑物未發(fā)生破壞。

表1 概率積分法理論計(jì)算結(jié)果

3 數(shù)值模擬

3.1 模型建立及參數(shù)

依據(jù)勘探線剖面圖提取的礦巖邊界，綜合利用3Dmine生成礦體邊界、Midas GTS建立礦體實(shí)體并劃分網(wǎng)格、FLAC3D模擬開挖計(jì)算，最終實(shí)現(xiàn)壓覆礦體數(shù)值模擬開挖計(jì)算。模型X方向長1 500 m，Y方向長500 m，Z方向-1 100 m至地表，數(shù)值模擬計(jì)算模型如圖1所示。模型單元體數(shù)量為126.6萬，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為23.9萬。

圖1 數(shù)值模擬計(jì)算模型Fig.1 Numerical simulation model

約束方式為邊界位移約束，模型X、Y方向端部平面分別只約束X方向、Y方向位移，模型底部只約束Z方向位移，頂部地表面為自由邊界。將模型巖體簡化為各向同性的材料，以Mohr-Coulomb準(zhǔn)則為屈服準(zhǔn)則，礦巖力學(xué)參數(shù)具體見表2。

表2 礦巖物理力學(xué)參數(shù)表

3.2 開挖步驟及回采順序

模擬開挖步驟依照該礦山壓覆礦體機(jī)械化上向水平分層充填法回采方案，中段間的開挖順序?yàn)橛缮现料拢来位夭沙涮?380 m中段至-980 m中段，最后回采充填-270 m、-320 m中段；中段內(nèi)的開挖順序?yàn)閮刹襟E回采，隔一采一，一步驟采場回采寬度15 m，二步驟采場回采寬度15 m，同一水平的采場同時作業(yè)。模擬回采充填步驟見表3。

表3 模擬回采充填步驟表

3.3 模擬計(jì)算結(jié)果

由于FLAC3D云圖等值線上沒有標(biāo)明數(shù)值，且無法單獨(dú)展示地表移動變形云圖，由此導(dǎo)出的地表移動變形云圖可讀性不強(qiáng)，利用相關(guān)軟件將結(jié)果進(jìn)行可視化后處理便于直觀閱讀地表移動變形結(jié)果，后處理所得等值線復(fù)合圖具體如下：

地表最大沉降量約為12.3 mm，主要位于6～10線，地表沉降變形情況如圖2所示；地表最大傾斜絕對值0.011 7 mm/m，位于16線附近，地表傾斜變形情況如圖3所示；地表水平變形情況如圖4所示，地表最大水平變形絕對值為0.010 6 mm/m；地表最大曲率絕對值為0.003×10-3/m，位于X=37 369 100，Y=2 600 300附近。

圖2 地表沉降位移等值線復(fù)合圖Fig.2 Composite contour sheet of surface settlement displacement

圖3 地表傾斜變形情況Fig.3 Surface tilt deformation

3.4 結(jié)果分析

2017年頒發(fā)的《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》，其中規(guī)定地表移動邊界按實(shí)測下沉值10 mm的點(diǎn)確定，Ⅰ級保護(hù)建筑物的變形臨界允許值：傾斜變形i=±3 mm/m，水平變形ε=±2 mm/m，曲率變形K=±0.2×10-3/m。

圖5 地表沉降三維云圖Fig.5 Three dimensional cloud chart of surface settlement

依據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，按沉降10 mm作為邊界可圈出地表沉降盆地東西向邊界。對比分析地表沉降三維云圖(圖5)和地表最大變形-沉降等值線復(fù)合圖(圖6)可知，地表最大傾斜變形0.011 7 mm/m，位于地表沉降盆地中腰部；地表最大水平變形0.010 6 mm/m，位于模型邊界、沉降量最大區(qū)域；最大曲率變形0.003×10-3/m，位于沉降量最大區(qū)域、沉降盆地中心圈內(nèi)。由表4數(shù)值模擬結(jié)果與規(guī)程要求對比可知，以上變形結(jié)果均小于臨界允許值，這表明壓覆礦體模擬開采后，地表建構(gòu)筑物未發(fā)生破壞。

圖6 地表最大變形-沉降等值線復(fù)合圖Fig.6 Composite contour sheet of maximum surface deformation and settlement

表4 數(shù)值模擬結(jié)果表

4 結(jié)論

為探討“三下”礦體開采引起的地表移動變形，以盤龍鉛鋅礦高速公路壓覆礦體開采為例，采用數(shù)值模擬和理論計(jì)算的方法進(jìn)行研究，取得如下結(jié)論：

1)概率積分法理論計(jì)算得出地表最大傾斜變形0.101 mm/m、最大水平變形0.078 mm/m、最大曲率變形0.000 4×10-3/m；數(shù)值模擬得出地表最大傾斜變形0.011 7 mm/m、最大水平變形0.010 6 mm/m、最大曲率變形0.003×10-3/m。理論計(jì)算和數(shù)值模擬結(jié)果均符合規(guī)程要求，表明壓覆礦體開挖后，包括高速公路在內(nèi)的地表建構(gòu)筑物未發(fā)生破壞。

2)最大傾斜變形位于沉降盆地中腰部，最大水平變形位于沉降量大的模型邊界，最大曲率變形位于沉降盆地中心圈內(nèi)。

3)數(shù)值模擬分析及理論計(jì)算結(jié)果為研究高速公路壓覆礦體開采引起地表移動變形和論證類似壓覆礦體是否能開采提供了依據(jù)，對于類似礦山具有重要意義。