某礦山地下開采對地表河流安全性影響的研究

徐釗

摘要：以某地下開采礦山為研究對象，在對其進行地質條件和開采技術條件綜合分析的基礎上，選取典型勘探線剖面作為研究對象，采用有限差分軟件Flac^3D建立數值計算模型，研究不同開采方案地下開采對地表河流安全性的影響，并將其應用于現場，對其合理性進行驗證。研究結果表明：-100～-400 m礦體可采用分段空場嗣后充填采礦法進行安全開采，-40～-100 m的礦體應采用分層充填采礦法或留保安礦柱的方法對其進行開采；目前地表河流穩定性較好，后期應加強對地表河流安全性的監測。該研究結果可為類似礦山進行安全和高效開采提供理論依據，對保護地表河流的安全具有重要的意義。

關鍵詞：充填采礦法；地表河流；數值模擬；塑性區；安全性

中圖分類號：TD853文章編號：1001-1277（2023）03-0020-06

文獻標志碼：Adoi：10.11792/hj20230305

引 言

隨著社會的快速發展，礦產資源的開采力度呈現逐漸增加的趨勢，地下開采的礦山越來越多，但地下開采易引起地表塌陷、采空區失穩和地表環境污染等問題^［1-3］。研究表明，礦區范圍內通常在地表有建筑物和河流等重要設施，而地下開采可能會對地表產生一定程度的影響，進而對地表重要建（構）筑物的安全產生影響^［4-5］。因此，針對不同礦山的開采技術條件和工程地質條件，有必要開展地下開采對地表重要建（構）筑物安全性的影響分析。

國內外學者對地下開采礦山地表建（構）筑物的安全性進行了較為深入的研究，劉明宇等^［6-8］基于數值計算軟件，建立了礦山三維數值計算模型，研究了礦山開采對地表建（構）筑物穩定性的影響。呂文玉^［9］采用理論分析方法分析了充填開采方案的可行性，然后采用UDEC軟件對開采結構參數進行了優化。陳嘉生^［10］采用3DEC軟件構建礦山三維數值計算模型，研究了地下開采對地表建筑物的影響。閆照存^［11］首先對現場進行了調研，然后在現場布置一系列監測點，研究地下開采情況下地表的變形演化規律。陳玉平等^［12-13］結合礦山開采技術條件和工程地質條件，對礦山可能存在的安全隱患進行分析，提出了河流下開采的安全技術措施。綜上所述，國內外學者主要采用數值模擬、理論分析和實驗室試驗等手段對其進行了研究，但不同礦山開采技術條件和工程地質條件存在差異，因此，有必要結合不同礦山實際情況，研究地下開采對地表重要建（構）筑物的影響^［14］。

本次研究以某地下開采礦山為研究對象，分析該礦山工程地質條件和開采技術條件，采用有限差分軟件Flac^3D構建典型剖面的數值計算模型，分析不同開采方案圍巖應力、位移和塑性區演化規律，研究不同開采方案地下開采對地表河流穩定性的影響，并按照最優方案應用于礦山現場實際，對其合理性進行驗證。該研究結果可為類似礦山進行安全和高效開采提供一定的理論依據。

1 數值模擬方案

該礦山擬采用分段空場嗣后充填采礦法進行開采，根據礦山開采現狀，礦區地表有河流等重要的建（構）筑物，而地下礦體的開采易破壞圍巖的完整性，對地表產生一定的影響，進而影響地表河流的穩定性。因此，有必要研究地下開采對地表河流安全性的影響。

模擬該礦山地下開采對地表河流穩定性的影響，需結合礦山的開采技術條件進行分析。該礦山礦體的直接頂板為上盤圍巖。本次研究以-100～-400 m礦體和-40～-100 m礦體為研究對象，根據礦山設計，采用分段空場嗣后充填采礦法和上向水平分層充填采礦法開采。具體的開采方案如表1所示。

2 模型建立及邊界條件

2.1 模型建立

根據現場勘探地質資料，該礦山地表分布有河流等重要建（構）筑物，且該礦山分為上盤圍巖、礦體和下盤圍巖等。為了較好地分析地下開采對該礦山地表河流穩定性的影響，本次研究選取6#勘探線作為典型剖面。

本次研究主要考慮-100～-400 m礦體和-40～-100 m礦體開采對地表河流穩定性的影響。首先在Solidworks三維建模軟件中建立模型，然后利用ANSYS軟件的優勢，將建立的模型導入ANSYS軟件中，并對其進行網格劃分，最后將劃分網格的模型導入Flac^3D軟件中進行計算。根據圣維南原理，整體力學模型要按開挖空間直徑（或最大跨度）的3～5倍影響范圍進行截取。令模型長度方向為x，寬度方向為y，高度方向為z。且為了提高計算速度和精度，對礦體網格劃分較密，距離礦體較遠的圍巖網格劃分相對較大。最終得到該礦山典型剖面的數值計算模型如圖1所示。

2.2 巖體物理力學參數

根據該礦山開采技術條件和工程地質情況，礦山主要為上盤圍巖、下盤圍巖和礦體，但巖石和巖體的物理力學參數存在較大差異，因此，本次研究將室內試驗、工程類似和理論分析相結合，對巖石的物理力學參數進行處理，得到該礦山巖體物理力學參數如表2所示。

2.3 邊界條件

根據該礦山工程地質條件和開采技術條件，礦體開采深度較淺，無較大地應力場，因此，本次研究主要考慮圍巖自重應力場的作用，不考慮構造應力場的作用，垂直方向的應力場由圍巖的自重應力產生，由于垂直方向應力場的膨脹作用，可形成壓力拱，得到水平方向的應力場。

根據圣維南原理，采空區的開采會對周圍3～5倍圍巖產生一定程度的影響，在建立數值計算模型時，已考慮模型的尺寸，本次研究只需考慮模型的約束。由于主要研究地下開采對地表河流的影響，因此，地表為自由面，不施加任何約束，模型的前、后、左、右4個平面施加水平方向的約束，模型的底部施加固定約束條件。

3 結果分析

根據數值模擬計算方案，主要分析-100～-400 m礦體和-40～-100 m礦體的開采對地表河流穩定性的影響。為了便于計算結果的分析，本次研究主要給出各個方案最終開采與充填完畢的計算結果，且主要從應力、位移和塑性區的角度對圍巖和地表的穩定性進行分析。

3.1 應 力

典型勘探線剖面的最大主應力和最小主應力分布情況如圖2所示，礦體在未開采的情況下，巖體應力呈層狀分布，而隨著井下礦體的開采，原始應力狀態被打破，采場周邊的圍巖應力得到釋放，采場頂底板出現拱效應現象，此時圍巖強度降低，導致上覆巖體失去支撐，從而失去穩定性。采場兩幫出現較大的應力集中，越靠近采場幫壁，應力集中程度越大；越遠離采場幫壁，應力集中程度越小。方案1、方案2和方案3的最大主應力分別為22.55 MPa、23.85 MPa和23.32 MPa，且在采場底板均出現了拉應力。

從采場周圍最大主應力和最小主應力的云圖分布規律來看，當所有的采場均開采并充填完畢，應力集中主要發生在采場兩幫，表明充填體對圍巖也起到了一定的支撐作用，能改善采空區圍巖應力狀態，對采場的穩定性有利。其次，最大主應力在回采充填后的區域內產生了應力增高區并且產生了一定程度的應力集中現象。

3.2 位 移

由數值模擬的計算結果得到了不同方案典型勘探線剖面地表沉降和水平位移的變化趨勢，分別如圖3和圖4所示。從圖3、圖4可以看出：隨著礦產資源的開采與充填，采空區頂板及圍巖產生了指向采空區的移動，產生了沉降和水平位移。主要巖層移動位置出現在采空區的上方，越靠近采空區，圍巖的變形值越大;反之，距離采空區距離越遠，圍巖的變形值越小。由于礦體存在一定的傾角，致使上盤圍巖水平位移值大于下盤圍巖的水平位移值，最終的位移云圖呈現出不對稱的形狀。

隨著采空區頂板面積增大，臨空面失去支撐而產生下沉并依次向上傳遞，最后傳到地表，并逐漸在地面形成一個下沉盆地，且地表的沉降和水平位移均呈現不對稱分布。方案1、方案2和方案3的地表最大沉降值分別為124.16 mm、260.47 mm和184.94 mm，最大水平位移分別為29.74 mm、46.14 mm和65.08 mm。

對比3種開采方案，方案1的地表沉降量和水平位移均最小，方案2的地表沉降量和水平位移均最大，因此，當-100～-400 m和-40～-100 m礦體均采用分段空場嗣后充填采礦法開采時，地表沉降量和水平位移最大；若-40～-100 m礦體采用上向水平分層充填采礦法開采時，地表沉降量和水平位移減小至184.74 mm和46.14 mm；若-40～-100 m礦體暫時不予開采，則地表沉降量和水平位移最小。

3.3 塑性區

礦體開挖后，采空區上部覆巖會形成一定長度的貫穿裂縫。裂隙帶位于冒落帶和彎曲下沉帶之間，主要指存在橫向、縱向裂隙的巖層帶。其中，裂隙帶和冒落帶一般統稱為導水裂隙帶，它是覆巖中氣體、水縱向運移的主要通道，位于裂隙帶的巖層，其破壞形式以剪切破壞和拉伸破壞為主，因此可根據模型覆巖塑性破壞的高度，確定導水裂隙帶的高度。

典型勘探線剖面塑性區分布如圖5所示。從圖5可以看出：當只開挖-100～-400 m礦體時，塑性區上方最頂部與地表河流的距離為145 m左右；當繼續采用分段空場嗣后充填采礦法開采-40～-100 m礦體時，塑性區上方最頂部與地表河流的距離為25 m左右；如果采用上向水平分層充填采礦法開采-40～-100 m礦體，塑性區上方最頂部與地表河流的距離為80 m左右。因此，無論哪種開采方案，導水裂隙帶均未與地表小汶河直接貫通，小汶河穩定性相對較好。

方案1中，只開采-100～-400 m礦體，圍巖的塑性區主要發生在采場附近，且塑性區未貫通至地表。而方案2中采用分段空場嗣后充填采礦法對-40～-100 m礦體進行開采，圍巖中的塑性區面積顯著增加，且塑性區范圍與地表距離較近，由于-40～-100 m礦體的開采，其對地表小汶河的影響大于方案1。方案3中，采用上向水平分層充填采礦法對-40～-100 m礦體進行開采，雖然圍巖的塑性區面積會增加，但增加的幅度相對較小，且未與地表貫通。因此，建議-40～-100 m暫時先不開采，如果有必要開采，應采用上向水平分層充填采礦法開采或留保安礦柱等。

4 現場應用

根據礦山開采實際，結合數值模擬計算結果，該礦山已按照推薦的方案進行開采，即目前正采用分段空場嗣后充填采礦法開采-100～-400 m礦體，-40～-100 m礦體暫時不考慮開采。為了保證井下開采的安全，在地表河流布置了一系列位移監測點，該監測點與數值模擬剖面一致，沿著地表自左向右共計300 m，共布置16個位移監測點，相鄰兩點之間的距離為20 m，標記為X₁，X₂，…，X16（X剖面），地表監測方案如圖6所示。其中，與數值模擬模型相對應的監測點，沿著礦體走向同樣布置16個監測點，相鄰監測點的間距為20 m，標記為Y₁，Y₂，…，Y16（Y剖面）。

本次研究從礦山開采初期開始對地表監測點進行監測，目前-100～-160 m、-160～-220 m和-220～-280 m 3個中段已開采完畢，正在回采-280～-340 m礦體，-340～-400 m礦體還未開采，通過現場監測，得到監測點地表沉降、傾斜和曲率的曲線，如圖7所示。

從圖7可以看出：地表最大沉降值為70 mm，最大傾斜值為0.001 35 mm/m，最大曲率值為1.00×10^-4mm/m2，根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》規定：一般磚石結構建筑物的臨界變形值取為：傾斜值3 mm/m，曲率值0.2 mm/m2。可以看出，地表監測點的傾斜值和曲率值明顯小于規范規定的允許值，且現場監測的最大沉降值明顯小于數值模擬得到的地表最大沉降值。這是由于現場實際中，礦體還未開采完成，目前礦山開采過程中，地表仍處于相對安全的狀態，但后期應加強監測，實時對地表的安全性進行分析。

5 結 論

1）隨著井下礦體的開采，原始應力狀態被打破，采場周邊的圍巖應力得到釋放，采場頂底板出現了拱效應現象，所有的采場均開采并充填完畢，應力集中主要發生在采場兩幫，方案2的最大主應力最大，其次為方案3，方案1的最大主應力最小。

2）數值模擬計算結果表明，主要巖層移動位置出現在采空區的上方，越靠近采空區，圍巖的變形值越大；反之，距離采空區距離越遠，圍巖的變形值越小；且上盤水平位移值大于下盤的水平位移值，位移云圖呈不對稱的形狀；方案1、方案2和方案3的地表最大沉降值分別為124.16 mm、260.47 mm和184.94 mm，地表最大水平位移分別為29.74 mm、46.14 mm和65.08 mm。

3）當采用分段空場嗣后充填采礦法只開采-100～-400 m礦體，或采用上向水平分層充填采礦法對-40～-100 m礦體進行開采時，導水裂隙帶距離地表高度大于100 m，地表河流處于相對穩定狀態；當采用分段空場嗣后充填采礦法對-40～-100 m礦體進行開采，塑性區范圍顯著增加，導水裂隙帶距離地表距離相對較近，因此，建議-40～-100 m礦體不開采或采用上向水平分層充填采礦法進行開采。

4）工程應用結果表明，目前礦山開采過程中，地表仍處于相對穩定的狀態，但后期應加強監測，實時對地表的安全性進行分析。

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Research on the influence of underground mining

of a mine on the safety of the rivers on the surface

Xu Zhao

（Shenzhen Shihe Safe Technology Counseling Co.，Ltd.）

Abstract：In a case study of one underground mine，based on the comprehensive analysis of the geological conditions and mining conditions，the typical exploration line section is taken as the research subject.A numerical model is established according to the finite difference software Flac^3D，and the influence of underground mining with different schemes on the safety of the rivers on the surface is studied.The results are applied on-site and verified.The research results show that the ore bodies buried between -100 m and -400 m can be extracted by sublevel open stope and subsequent mining methods for safe mining，and the ore bodies between -40 m and -100 m can be extracted by the cut-and-fill method or security pillar reservation mining method.At present，the stability of rivers on the surface is good.Later on，the monitoring of the safety of the rivers on the surface should be enhanced.The research results can provide a theoretical basis for the safe and efficient mining of similar mines，also it is of significance in protecting the safety of the rivers on the surface.

Keywords：filling mining method;rivers on the surface;numerical simulation;plastic zone;safety