某鐵礦地下開采對地表建（構）筑物的安全影響研究

李何林 周 磊 祝小龍 胡 崴 楊強勝

（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；3.華唯金屬礦產資源高效循環利用國家工程研究中心有限公司；4.馬鋼（集團）控股有限公司姑山礦業公司）

地下礦床開采破壞了采場上覆巖層原有的力學平衡狀態，當礦體開采規模超過一定范圍時，起始于采場附近的變形和移動將向地表擴散，產生連續或非連續的地表變形，導致地表出現沉降或塌陷，可能引起地表建（構）筑物出現開裂、傾斜或倒塌，造成人員傷亡和財產損失。因此，對地表沉降進行科學合理地預測，并對其產生的安全影響進行研究，以減輕和避免因地表沉降帶來的危害［1-2］。

礦山地下開采造成的地表沉降問題，受礦區地質構造、礦體賦存條件、巖體力學性質和采礦方法等多種因素影響，是一項復雜的工程問題。目前，國內外針對地表沉降預測的研究方法主要有概率積分法、模糊數學法、相似模擬試驗法和數值模擬法等。數值模擬法基于有限元和有限差分法，在建立仿真模型和賦值時，可綜合考慮礦區地質條件和采礦方法等因素，并且能將地表沉降預測結果直觀展示出來，因而在礦山地表沉降預測研究中應用較為廣泛［3-4］。本次利用理論計算和數值模擬分析方法，對某鐵礦隔水護頂礦柱厚度、礦山地下開采造成的地表沉降以及對礦區地表建（構）筑的安全影響進行研究，為礦山建設和生產安全管理提供理論依據。

1 工程概況

某鐵礦為新建礦山，設計生產能力為200 萬t/a，采用進路充填法和分段鑿巖階段空場嗣后充填采礦法進行開采。設計階段高度為60 m，自上而下劃分-200，-260，-320，-380，-440，-500，-560 m 共7 個生產中段，每個中段內設4個分段，分段高度為15 m。首采中段為-440 m 中段。為保證產能，-440 m 中段回采完成后需雙中段同時回采，-200～-380 m 礦體自上而下回采，-440～-560 m 的礦體自下而上回采。礦區地表水十分發育，地下水有孔隙水、裂隙水及巖溶裂隙水3 種類型，各含水巖組都有水力聯系，構成統一水位面的含水系統，水文地質條件復雜，是以孔隙水、裂隙水直接充水為主的水文地質類型。礦區巖組均為Ⅳ類基巖組成，巖體質量均屬差—較差，巖體完整性均屬較破碎，工程地質條件為復雜類型。礦山周邊環境較為復雜，礦區范圍內地表存在村莊、運礦鐵路、縣道和高速公路等建（構）筑物，其中，縣道和高速公路位于設計地表移動范圍外。

由于礦區地表水系發育，工程地質及水文地質條件復雜、礦體埋藏淺，且礦區地表存在民房、道路等建（構）筑物，為保護礦區地表建構筑物和地表水，防止開采造成地表水漏失和建構筑物破壞等事故，需在開采礦體上部留設隔水護頂礦柱。若隔水護頂礦柱留設厚度過大，將造成礦產資源浪費，若留設過小，又將對礦山安全生產造成威脅。因此，對隔水護頂礦柱留設厚度進行研究是十分必要的。

2 隔水護頂礦柱厚度分析

計算護頂礦柱安全厚度的理論方法有多種，常用的主要由荷載傳遞交匯線理論、K.B.魯別涅依他公式、冒落帶、裂隙帶高度計算公式、厚跨比法、結構力學梁理論和平板梁理論等。由于需要考慮礦區地表民房以及道路運輸車輛的外部荷載，且預留的礦柱還需要起到隔水作用，本次研究選取了荷載傳遞交匯線理論、K.B.魯別涅依他公式和冒落帶、裂隙帶高度計算公式進行計算。

2.1 荷載傳遞交匯線理論

該方法是假定上部載荷由采場頂板中心位置按豎直線成30°～35°夾角向下傳遞，當傳遞線位于頂板與采場幫壁的交點以外時，即認為采場幫壁對采場頂板起到直接支撐作用，則采場頂板是安全的，此時的安全隔離礦柱厚度計算公式如下。

式中，H為護頂礦柱安全厚度，m；L為采場跨度，4.5 m；θ為荷載傳遞線與頂板中心豎直線之間的夾角，30°～35°；K為安全系數，考慮礦區地表存在民房和道路等建（構）筑物，安全系數取10。

2.2 K.B.魯別涅依他公式

該方法考慮了采場跨度、頂板巖體強度、地質構造和外部荷載等因素對隔離層安全厚度的影響，計算公式如下：

式中，γ為頂板巖石密度，2.65 t/m3；σB為考慮強度安全系數和結構削弱系數條件下頂板強度極限，MPa；σn3=（7%～10%）σc，MPa，σc為單軸抗壓強度，MPa；K3為強度安全系數，取7～10；K0為結構削弱系數，取2～3；F為外部荷載對護頂礦柱的壓力，考慮礦區地表道路運輸車輛的荷載影響，取4 MPa。

2.3 冒落帶、裂隙帶高度計算公式

礦體采出后，根據采空區周圍巖體的破壞程度，可將其分為冒落帶和裂隙帶。裂隙帶高度的確定是水體下開采設計和隔水采礦的重要基礎。根據有關規范，冒落帶、裂隙帶高度及隔水護頂礦柱厚度計算

公式如下。

式中，Hm為冒落帶厚度，m；Hd為導水裂隙帶厚度，m；M為分層回采厚度，4.0 m。

根據理論計算，得出3種方法確定的隔水護頂礦柱的厚度范圍為16.9～58.4 m（表1），出于保守考慮，取3種方法計算厚度的最大值，推薦隔水護頂礦柱的留設厚度為60 m，詳見圖1。

3 地下開采安全影響分析

3.1 模型建立與參數取值

3.1.1 模型建立與模擬過程

根據前文研究結果，在留設60 m 隔水護頂礦柱的基礎上，根據礦山實測地形圖和地質剖面圖建立了礦區開采范圍內的礦體及圍巖數值計算模型，整體模型尺寸為1 800 m×1 600 m×660 m（長×寬×高）。采場模型按照不同采礦方法的設計參數，進路充填法開采進路為4.5 m×4 m（寬×高），分段鑿巖階段空場嗣后充填采礦法礦房和礦柱規格為15 m×15 m（寬×高）。根據礦山設計，將模擬開采過程分為4 個階段：第一階段開采-440 m 中段，第二階段開采-200 和-560 m 中段，第三階段開采-260和-500 m 中段，第四階段開采-320 和-380 m 中段。數值計算模型見圖2。

3.1.2 參數取值

在室內巖石力學試驗基礎上，結合工程巖體質量分級標準，并根據礦山巖體完整程度及巖體基本質量分級情況，對巖石力學參數進行了折減，得到了計算采用的巖體力學參數指標，見表2。

3.2 沉降預測分析

通過4個階段開采后的地表沉降云圖（圖3）可以看出，隨著開采活動的進行，地表沉降值不斷增大，最大沉降值分別為4.87，7.11，10.59 和21.77 cm。第一階段和第二階段開采時，地表沉降中心主要位于村莊C 附近，第三階段和第四階段開采時，地表沉降中心向村莊B 附近轉移，這與礦體形態、產狀和回采區域高度變化等因素影響有關。整個開采過程中，運礦鐵路和村莊E均位于開采沉降區范圍之外，高速公路、村莊A 和村莊D 位于沉降區邊緣附近，其中高速公路、村莊A 和村莊D 處最大沉降值約2.0 cm，縣道、村莊B 和村莊C 位于沉降中心附近，最大沉降值為10～12 cm。

從地表沉降值分析可知，礦山開采沉降對運礦鐵路和村莊E 基本不造成影響，對高速公路、村莊A和村莊D 影響相對小，對縣道、村莊B、村莊C 和村莊D影響相對較大。因此，礦山在生產過程中應重點對縣道、村莊B 和村莊C 的地表沉降值進行監測和分析，必要時及時采取有效的安全技術措施，如提高充填體強度和充填接頂率或預留間柱等。

3.3 建構筑物安全影響分析

根據《有色金屬采礦設計規范》（GB 50771—2012），礦區地表建（構）筑物中高速公路保護等級為Ⅰ級，民房、運礦鐵路、縣道等保護等級為Ⅱ級，對建（構）筑物的影響程度主要考慮傾斜、曲率和水平變形值，其允許值見表3，計算公式如下。

（1）傾斜計算公式為

式中，in為點n處的傾斜值，mm/m；Wn為點n處的下沉值，mm；Ln-n+1為地表點n與點n+1的水平距離，m。

（2）曲率計算公式為

式中，Kn為地表n點的曲率值，m-1。

（3）水平變形計算公式為

式中，εn為地表n點的水平變形值，mm/m；Hn為地表點n的水平移動值，mm［5-6］。

通過數值模擬得到了礦山開采后地表產生的垂直位移、水平位移，為進一步對地表變形值進行計算和分析，本次研究選取了10條勘探線，具體位置見圖4，在位移云圖上沿勘探線提取地表位移數據，并得到各勘探線上地表的位移曲線圖，見圖5 和圖6。根據地表位移數據和式（7）、式（8）和式（9），計算得出了各勘探線上的最大傾斜為1.72 mm/m，最大曲率為0.16×10-3m-1，最大水平變形為0.71 mm/m，均滿足Ⅰ級建筑物變形允許值要求。計算結果表明，礦山開采引起的地表變形對地表村莊、道路等建（構）筑物影響輕微，不會威脅地表建（構）筑物安全。

4 結論

（1）通過理論計算和數值模擬分析，確定了礦區隔水護頂礦柱的安全厚度為60 m，得出了礦山各開采階段的地表最大沉降值和沉降范圍，明確了礦山地下開采過程中地表需重點監測和防范的區域。

（2）通過位移數據提取和地表變形計算，得出地表各勘探線上的最大傾斜為1.72 mm/m；最大曲率為0.16×10-3m-1，最大水平變形值為0.71 mm/m，滿足相關規范要求。分析結果表明，礦山開采引起的地表變形不會威脅地表建（構）筑物安全。

（3）本次研究對礦山未來開采過程中引起的地表沉降變形和對建（構）筑物的安全影響進行了合理預測分析，為礦山建設和生產安全管理提供了指導依據。建議礦山在后續開采過程中，加強地表沉降變形監測，并根據揭露的巖體質量情況和地表變形情況，進一步開展安全專項研究，必要時采取對采礦設計參數和充填體強度進行優化等措施，減小地下開采造成的變形影響，確保地表水系和建（構）筑物安全。