開采擾動下礦山地表沉降數值模擬分析研究

＊蘇生兵

（通化鋼鐵集團大栗子礦業有限責任公司 吉林 134600）

引言

礦山開采擾動影響下的地表沉降直接影響地表建構筑物、重要設施（尾礦庫等）、地表河流等的穩定性。因此，礦山在進行地下開采設計時，會綜合考慮礦體賦存特征、礦巖物理力學性質、地質構造、采礦方法等影響，確定巖層移動角，圈定巖層移動范圍，并以此確定井下保安礦柱的留設范圍，以控制井下開采擾動引起的地表沉降[1]。

礦山地下開采誘發上覆巖層產生沉降受包括礦山工程地質條件、礦巖物理力學性質、采礦方法與工藝等因素的影響[2-3]。目前，常用的地表沉降分析方法主要為工程類比法、理論分析法、現場監測分析法、數值分析法等[4-5]。這些方法各有優缺點，隨著計算機技術的發展，數值模擬分析法已被越來越多的研究人員所采用。尤其在礦山開采方案確定階段，大多采用數值模擬的方法進行地表沉降規律分析。谷中元等[6]利用FLAC3D軟件模擬分析了小栗子鐵礦井下充填開采誘發的礦山地表沉降規律，研究結果表明整個地表均較為穩定。王少特等[7]綜合利用理論分析和FLAC3D數值模擬方法，分析了某礦山遺留采空區穩定性和地表變形規律。劉偉等[8]采用FLAC3D對某金屬礦山井下開采移動監測范圍內的地表沉降進行了模擬分析，結果表明充填法開采能夠有效減小地表沉降變形。

本文以某金屬礦山為研究對象，根據室內巖石力學試驗及Hoek-Brown強度準則計算出礦巖力學參數，采用FLAC3D軟件模擬計算井下開采擾動對地表無名溝、尾礦庫、充填站以及道路等地表重要建構筑物和設施的影響，為礦山的安全開采提供支撐。

1.巖體力學參數

巖體力學參數的合理確定是巖體工程中一項基礎的工作，直接關系到巖體工程的安全性和經濟性[9]。根據現場工程地質調查結果可知，由于礦體構造條件簡單，故此次計算中主要采用了摩爾-庫倫本構模型[10]。將礦巖巖石力學參數代入修正的Hoek-Brown巖體強度計算準則，折減得到巖體與充填體的物理力學參數，如表1所示。

表1 巖體與充填體物理力學參數

2.模型建立與穩定性評價指標

(1)三維數值模型建立

根據三維地表地形圖，利用3Dmine-MIDAS-FLAC3D耦合的方法進行模擬計算，模型如圖1所示。

圖1 計算模型圖

(2)地表穩定性評價指標

地下礦體開采引起的地表變形一般采用的指標包括位移場變化、傾斜變形、曲率、水平變形等[11]。

①地表傾斜i。地表傾斜為相鄰點在豎直方向的相對移動量與兩相鄰點間水平距離的比值，通常表示計算公式為：

式中，wA、wB—地表A、B兩點的沉降值（垂直位移），mm；lO

AB—地表A、B兩點間的水平距離，m。②地表曲率K。地表曲率為兩相鄰線段的傾斜差和兩線段中點間的水平距離的比值。計算公式為：

式中：KB—曲率；iAB、iBC—分別代表地表A、B點間和B、C點間的平均斜率，mm/m；BC、AB—分別代表地表A、B點間和B、C點間的水平距離，m。

③地表水平變形ε。地表水平變形是相鄰兩點的水平移動差值與兩點間水平距離的比值。計算公式為：

式中，uE、uF—地表兩點E、F水平位移，mm；lO

EF—地表兩點E、F間的水平距離，m。

本文參考《有色金屬采礦設計規范》和該礦山地表建構筑物實際情況，將其列為保護等級（I級），地表沉降變形的極限允許值，如表2所示。

表2 建、構筑物位移與變形的允許值

4.計算方案與結果分析

(1)計算方案

為保護地表充填站、道路、無名溝和2#尾礦庫等的安全，設計將1線～2線+20m間468m水平以上礦體、1線～5線+40m間468m水平以上礦體、2線+20m～4-6線間540m水平以上礦體保留為保安礦柱。采礦方法為分段空場嗣后充填法，采場結構參數為：礦塊高30m，礦塊長60m，頂柱3m，間柱6m，礦柱不回收，充填率取60%。

為保證分析接近實際生產，總體回采順序設置如表3所示。

表3 計算步驟表

(2)結果分析

①地表沉降位移規律

A.開挖回風井巷（初始開挖）由圖2（a）可知，地表開始出現沉降位移，露天采場、無名溝、老辦公區、尾礦庫、道路及充填站沉降位移較小，最大位移均不足1mm。B.開挖510m中段采空區，根據圖2（b）可知，地表沉降位移增大，最大位移在空區正上方，位于2#尾礦庫東側，最大位移約1.3mm。其他區域沉降位移較小，最大位移均不足1mm。C.回采510m中段剩余礦體，根據圖2（c）可知，地表沉降位移增大，最大位移在空區正上方，位于2#尾礦庫東側，最大位移約1.4mm。其他區域沉降位移較小，最大位移均不足1mm。D.回采450m中段礦體，根據圖2（d）可知，地表沉降位移增大，最大位移在空區正上方，位于道路中央，最大位移約2.9mm。其他區域沉降位移較小，最大位移均不足1mm，2#尾礦庫東側邊坡及充填站邊緣沉降位移約1.25mm。E.回采390m中段礦體，由圖2（e）可知，地表沉降位移增大，最大位移在空區正上方，位于道路北向斜坡，最大位移約8mm；1#露天采場邊坡、無名溝中部最大位移約1.5mm、2#尾礦庫邊坡及充填站沉降位移約4mm。F.回采330m中段礦體，由圖2（f）可知，地表沉降位移增大，最大位移在空區正上方，位于道路北向斜坡，最大位移約11mm；1#露天采場邊坡、無名溝北端最大位移約2mm、2#尾礦庫邊坡及充填站沉降位移約5mm。G.回采270m中段礦體，由圖2（g）可知，地表沉降位移增大，最大位移在空區正上方，位于道路北向斜坡，最大位移約11mm；1#露天采場邊坡、無名溝北端最大位移約2mm、2#尾礦庫邊坡及充填站沉降位移約6mm。H.回采240m中段礦體，根據圖2（h）可知，地表沉降位移增大，最大位移在空區正上方，位于道路北向斜坡，最大位移約11mm，1#露天采場邊坡、無名溝和老辦公區北端最大位移約2mm、2#尾礦庫邊坡及充填站沉降位移約7mm。

圖2 地表沉降位移云圖

隨著礦體向下開挖的逐漸進行，地表建構筑物的整體沉降位移呈現逐漸增大的趨勢，可能原因為：A.礦體開采順序為下行式，在巖石移動角一定的情況下，隨著開挖深度的增加，巖層移動范圍逐漸擴大；B.充填體強度較圍巖和礦體強度低，同時存在充填結頂等問題，不可避免會出現下部礦體開挖而導致的地表整體沉降位移增大。

②巖體移動規律計算

基于公式（1）～（3），統計巖體移動規律，計算結果如表4所示。由表可知，采用空場嗣后充填法導致充填站及道路周邊出現最大沉降位移和最大傾斜率，最大沉降位移量為8.9mm，最大傾斜率為0.06mm/m；2#尾礦庫出現最大曲率0.00075×10-3/m和最大東西方向水平變形0.032mm/m，無名溝及老辦公區出現最大南北方向水平變形0.088mm/m。地表監測區域各項變形指標均在安全范圍內，地表整體較為穩定，表明了采用分段空場嗣后充填開采是可行的。

表4 區域沉降響應指標統計

5.結論

為分析某鐵礦井下開采過程對地表整體及重要設施的穩定性影響，利用FLAC3D對回采過程開展了模擬仿真分析，主要結論如下：（1）獲取了礦山井下各中段礦體回采后地表整體、2#尾礦庫、充填站、道路、1#露天采場、無名溝和老辦公區沉降位移變化規律，發現開采240m中段礦體時出現最大位移約11mm，仍處于安全允許范圍內。（2）計算了分段空場嗣后充填法開采擾動下礦山地表巖體移動規律，得出充填站、道路周邊出現最大沉降位移，2#尾礦庫出現最大曲率和最大東西方向水平變形，無名溝及老辦公區出現最大南北方向水平變形，且這些指標值均小于規范允許值，表明采用分段空場嗣后充填法開采對礦山地表穩定性影響較小，地表整體較為穩定、安全。