深部金屬礦山崩落區沉降分析

沈 爽 周占星 郭祖江 楊 金 周 生

（1.玉溪礦業有限公司，云南 玉溪 653100；2.中南大學資源與安全工程學院，湖南 長沙 410083）

在地下金屬礦山開采過程中，崩落法是一種較為常用的開采方法，具有成本低、效率高、工藝簡單以及作業安全等優點。同時該方法也易引發一系列工程災害，主要表現為地表沉陷、巷道變形、圍巖剝離冒落、礦震等問題[1-5]。另外，使用崩落法回采礦石時，將形成從開采中段直至地表的大量空區，空區使得礦山整體穩定性下降，而大面積的崩落區的存在使其存在崩塌的隱患[6-7]。崩落區的頂板在自重應力及上覆巖層的壓力作用下，產生向下的彎曲和移動，當其所受的張拉應力超過巖層的抗拉強度極限時，頂板巖層會發生斷裂、破碎及冒落，隨著開采范圍的不斷擴大，會使崩落區的上方地表產生沉降，形成塌陷破壞[8-10]。同時，在回采結束的一段時間內，崩落區受地應力作用，會產生非即時災害，如應力集中、圍巖變形等[11-13]。

獅子山銅礦長期使用崩落法回采礦石，形成的大量空區并延伸至地表，而崩落區在應力集中、風化作用和爆破震動的長期作用下，崩落區穩定性降低，進而對礦山安全生產構成嚴重威脅。本研究在礦山開采現狀和勘探資料的基礎上，采用數值模擬分析，研究了崩落區沉降問題，從而為礦山的后續開采及地表監測提供參考。

1 工程概況

獅子山銅礦于1977年正式投產，已有40多年的開采歷史，井下共形成了18個中段。采礦工藝依據不同的礦體及其開采條件采用有底柱分段崩落法、階段強制崩落法和自然崩落法。由于礦山長期使用崩落法回采礦石，形成了大量崩落區，許多崩落區存在分布情況復雜、影響范圍不明的問題。崩落區在長期的應力集中、風化作用等影響因素作用下，巖體強度減弱，圍巖變形逐漸發生剝離脫離，穩定性持續降低，且隨著開采的持續進行，崩落區及巖層移動明顯，崩落區發生沉降，向上影響延伸至地表，導致地表下沉23.8 cm/a，沉降速率整體偏大，而且有加大趨勢，巖層位移也隨著深部階段崩落法開采持續增加，最大位移18 mm/a，具有極大的風險隱患。獅子山礦礦區及沉降區域如圖1所示。

2 數值模型

基于獅子山礦的開采現狀及基本地質勘探資料，通過數值模擬可以重現采用崩落法的礦山在開采過程中崩落區動態響應及災害演化過程，進而分析崩落區的沉降問題，為礦山安全開采提供參考。

（1）模型建立。為了研究獅子山礦崩落區沉降問題，以崩落區為基準，為防止計算邊界效應，再適當擴大研究范圍，并根據獅子山礦崩落區的實際形態及與周邊巖體之間的相互關系，采用多模塊建模軟件HyperMesh構建礦區三維有限元模型。模型范圍在x方向長1 030 m，在y方向上寬為640 m，在縱向（z向）上，凹陷區地表距模型底面為930 m，隆起區高點距模型底面為1 200 m，整個模型體積為1.61×109m3。崩落區從第四中段延伸至十七中段，并對崩落區內的斷裂構造進行了建模。最終獲得三維數值網絡模型共包含4 142 185個單元與4 222 400個單元節點。獅子山礦數值模型如圖2所示。

（2）邊界條件。邊界條件的設定也是三維數值模型建立中非常重要的一步，它關系到模型的合理性和可靠性。對模型邊界條件作如下規定：計算域邊界采取位移約束。由于受采動影響范圍有限，在離采場較遠處巖體位移值將很小，可將計算模型邊界處位移視為零。因此，計算域邊界采取位移約束，即模型底部所有節點采用z方向約束，x所在平面采用x方向約束，y平面采用y方向約束。

（3）巖石力學參數取值。通過大量的基礎巖石力學實驗，包括獅子山礦主要巖石及礦石基本物理力學參數測定，以及基于室內動靜組合加載巖石力學試驗獲得礦巖動態抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度、彈性模型及泊松比、容重等動態力學特性參數。基于相關試驗結果進行理論計算，獲得獅子山礦礦巖宏觀巖體力學參數，詳見表1。

3 模擬結果分析

在獅子山礦三維可視化模型的基礎上，利用大型商業軟件LS-DYNA數值模擬崩落區巖體動態響應，根據數值模擬結果對獅子山礦體地表移動變形規律及應力分布規律進行分析。截取崩落區數值模型25#、30#、35#和40#剖面顯示數值計算結果，剖面位置如圖3所示。

3.1 地表變形規律

一般來說，礦體開挖后由于卸荷作用的影響，礦體圍巖應力釋放產生位移，最大位移出現在礦體上方。獅子山礦長期采用崩落法進行開采，產生大量空區，空區內留存了大量的礦巖散體，由于散體支撐力較弱，崩落區圍巖可能在構造及自重應力作用下產生較大變形，最終發生巖體剝離、圍巖片幫及空區坍塌堵塞崩落區。隨著距礦體的距離不斷增加，巖體內應力的變化逐漸衰減，對地表的影響也逐漸減弱。巖體內應力的變化，表現在地表沉陷上為距采空區越遠，下沉值越小。

?

提取不同剖面礦體的z向位移云圖（見圖4）。由圖可得，在自重及構造應力作用下，獅子山礦崩落區巖體z向位移值范圍為下沉3.5 m至上鼓0.5 m。其中，下沉區域主要為崩落區圍巖上盤，30#、40#剖面下沉量較35#剖面下沉量更大。以30#剖面為例，崩落區的上盤及地表區域越接近崩落區，下沉量越大。需要指出的是，12中段的巖橋將崩落區分為上部和下部2個下沉區域，2個區域下沉量都達到了3 m以上。此外，崩落區范圍內發生了擠壓上升現象（底鼓），崩落區底部在構造應力的作用下沒有沉降反而產生了擠壓鼓出，鼓出量最大值為0.5 m。

根據數值計算結果，礦山地表沉降最大的區域位于崩落區正上方處。沿崩落區四周布置測點，共設置5個測點對崩落區上方地表沉降進行監測，分析以上5個測點z方向位移變化規律，各測點位移曲線如圖5所示。地表塌陷區域位移變化在3.8～4.7 m之間，最大下沉值的監測點位于崩落區正上方中心處。對比獅子山礦地表陷落區沉降監測結果，從2012年開始截止2019年8月22日，監測點最大沉降值為4.2 m。數值模擬結果與礦山現狀情況較為吻合。

3.2 應力分布規律

礦山應力主要包括構造應力及自重應力。崩落區圍巖在構造及自重應力下出現應力集中，崩落區應力集中是導致地下崩落區圍巖破壞的主要因素之一。

獅子山礦z方向應力分布如圖6所示，從計算結果可知，自礦體地表至礦體中部乃至深部，z方向應力大致呈線性遞增趨勢，這與傳統的地應力認知相符。隨著開采深度的不斷增加，在第十五中段、第十六中段乃至更深處，z方向的壓應力已經達到了20 MPa及以上，與獅子山礦現場地應力測量數據接近。從圖中可以看出，崩落區底部上盤出現了較強的應力集中（十五、十六中段）。此外，崩落區圍巖內壁大面積出現拉應力，崩落區整體拉應力水平中等，十二中段巖橋下邊緣出現較強的拉應力，具有一定的風險，但拉應力不高于巖體抗拉強度，現階段安全穩定。整體分析崩落區應力水平：獅子山礦崩落區壓應力較高，且崩落區底部上盤出現較高應力集中現象；拉應力沿崩落區內部廣泛分布，拉應力水平中等，現階段開采條件下崩落區靜力條件較穩定。

根據獅子山礦實際開采現狀，結合數值計算結果，選取4個中段（九中段、十一中段、十三中段、十五中段）對崩落區圍巖z方向拉應力進行監測，各中段在東西兩側各布置1個測點，對其拉應力分布進行研究。各中段z方向拉應力變化曲線如圖7所示，拉應力隨著開采深度的增加而呈現增大的趨勢，其中九中段崩落區圍壓拉應力最小，為0.5 MPa，十五中段崩落區圍巖拉應力最大，為2.2 MPa。

4 結論

（1）根據數值模擬結果顯示，礦體在自重及構造應力作用下，地表下沉區域主要為接近崩落區的區域，且距崩落區中心越近，下沉量越大。通過布置相應測點，得到地表塌陷區處位移變化在3.8～4.7 m之間，礦體地表最大下沉區域位于崩落區正上方。

（2）崩落區應力會隨著開采深度的增加而呈現增大的趨勢，其中壓應力較高，且崩落區底部上盤出現較高應力集中現象；拉應力沿崩落區內部廣泛分布，拉應力水平中等，現階段開采條件下崩落區靜力條件較穩定。

（3）隨著深部持續開采，地表移動范圍會逐漸向上盤方向（南偏東方向）偏移，建議在地表上盤方向一定范圍內布置地表移動變形觀測點，定期進行地表沉陷的觀測。