銅陵金口嶺銅礦“三下”開采地表變形研究

楊家冕 李鵬程3

（1.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司;2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室）

根據(jù)2017年原國土資源部聯(lián)合六個相關職能部門印發(fā)并實施的《關于加快建設綠色礦山的實施意見》文件內容，國家對礦山的地表環(huán)境保護要求越來越嚴格，如何避免開采后造成地表的變形、塌陷，保持地表原始地貌等問題，已經(jīng)擺放在礦山人的面前［1-5］。銅陵金口嶺銅礦位于城市邊緣，地表移動范圍內有城市干道及部分民房，不允許發(fā)生較大的變形。為此，擬采用FLAC3D數(shù)值模擬得到地下開采時的地表變形特征，并與《有色金屬采礦設計規(guī)范》的地表變形允許標準進行對比，分析地下開采對地表建（構）筑物的影響，以期為礦山提供技術指導。

1 工程概況

銅陵金口嶺銅礦主要分為金口嶺、羅家村、筆山等3個采區(qū)。近些年，礦山主要開采的是筆山采區(qū)-450及-510 m中段的深部礦體，礦體厚度為2.5~9.5 m，平均為4.29 m，厚度變化系數(shù)43%，為均勻型。斜深為30.0~110.1 m，平均為65.63 m。礦體主要賦存于大理巖與石英閃長巖的接觸帶內。

自2009年試生產(chǎn)以來，礦體回采采用淺孔留礦法，礦塊沿礦體走向布置，礦塊長度30~50 m，中段高度為60 m，采場寬度為礦體厚度，間柱為8 m，頂柱為4~6 m。掘進的廢石用于井下采空區(qū)充填。經(jīng)調查，采后留下大小采空區(qū)約為9.4×104m3，單個采空區(qū)最大不超過2.5×104m3。截止2018年7月，地下存在的采空區(qū)賦存狀態(tài)見表1。

由表1可知，筆山深部采空區(qū)體積約為104 939 m3，已通過尾砂或矸石充填處理了11 000 m3，現(xiàn)仍存9.3萬m3的采空區(qū)未充填。礦山深部開采引起的地表巖層移動范圍內有部分民房、廠房等建（構）筑物，且礦區(qū)西北側有城市干道穿過，屬于典型的“三下”開采案例。因此，研究在既有采空區(qū)未充填的條件下地表變形對建（構）筑物的影響是十分有必要的。

2 數(shù)值模型的構建

2.1 模擬范圍

根據(jù)金口嶺銅礦地形地質圖，筆山-45、-85、-390和-510 m等中段地質平面圖以及金口嶺筆東采空區(qū)統(tǒng)計圖等，構建了金口嶺銅礦筆山礦段采場三維數(shù)值計算模型。模型x軸、y軸分別與東西向、南北向一致，z軸為豎直方向。數(shù)值模型長寬均為1 400 m，數(shù)值方向為-600 m水平至地表。

模擬礦區(qū)的三維模型見圖1，礦體、礦柱以及采空區(qū)分布如圖2所示。整個三維數(shù)值計算模型共包含1 676 187個四面體單元與279 094個節(jié)點。模擬過程主要分三步，首先開采30~-131 m高程范圍內礦體；接著開采-350~-500 m高程范圍內上部礦體，并采用存窟礦石進行充填，形成上部采空區(qū)；然后開采下部礦體，同樣充填存窟礦石，形成最終采空區(qū)形態(tài)。

2.2 邊界條件及強度準則

（1）模型前后及左右邊界均設定水平應力約束。

（2）模型底部邊界設定位移全約束。

（3）模型頂部為地表自由面，不施加邊界條件。

（4）原始應力場垂直方向采用重力場施加，忽略水平構造應力。

（5）假設模型中礦巖體均為理想彈塑性連續(xù)介質，采用摩爾-庫倫（Mohr-Coulomb）屈服準則。

2.3 礦巖物理參數(shù)

查閱礦山相關資料以及類比周邊礦山相似巖體，得到礦區(qū)地質巖層的物理力學參數(shù)（表2）。

3 地表沉降及變形特征分析

3.1 地表沉降特征

經(jīng)模擬開挖和采空區(qū)部分充填后，得到礦區(qū)地表的沉降變形特征，如圖3所示。

由圖3可知，所有采空區(qū)形成后，礦區(qū)地表最大沉降為1.16 mm，位于礦體正上方。銅都大道地處礦區(qū)西北側，最大沉降量約為0.5 mm，地表沉降由礦體中心向四周呈環(huán)狀逐漸遞減的趨勢。

3.2 地表傾斜變形及水平變形分析

圖4為所有采空區(qū)形成后地表水平變形及傾斜變形分布特征，由圖4（a）可知，礦區(qū)地表最大水平變形為0.033 mm/m，較大水平變形位置主要集中在距離礦體中心約300 m的環(huán)狀區(qū)域，距離此區(qū)域越遠對應水平變形位移越小，其中在礦體中心正上方以及模型四周水平變形幾乎為零。銅都大道區(qū)域最大水平變形約為0.017 mm/m，民房所在位置的最大水平變形為0.022 mm/m，小于《有色金屬采礦設計規(guī)范》中對一級保護對象規(guī)定的水平變形臨界值2 mm/m。由圖4（b）可知，銅都大道區(qū)域與民房的最大傾斜變形值分別為0.002 7和0.032 mm/m，同樣小于《有色金屬采礦設計規(guī)范》中對一級保護對象規(guī)定的傾斜變形臨界值3 mm/m。綜上所述，在既有采空區(qū)存在的條件下，礦區(qū)地表的建（構）筑物能保證自身穩(wěn)定，受地下空區(qū)的影響較小。

4 結語

通過數(shù)值模擬結果分析可知，所有采空區(qū)形成后，礦區(qū)地表最大沉降為1.16 mm。在現(xiàn)有采空區(qū)存在及部分采空區(qū)已充填條件下，銅都大道區(qū)域和地表民房最大水平變形量分別為0.017和0.022 mm/m，最大沉降和水平位移分別為0.5和0.35 mm，地表民房所在位置的沉降和水平位移分別為0.8和0.64 mm，最大傾斜變形值分別為0.002 7和0.032 mm/m，均小于《有色金屬采礦設計規(guī)范》的相關標準。由此說明銅陵金口嶺銅礦采用部分采空區(qū)充填的處理方法較為合理。