某礦山地下開采對地表公路的影響分析

摘要：某礦山地下開采礦體在地表公路的保安礦柱范圍內，為了確保公路的穩定性，采用Flac^3D軟件的數值分析方式進行了開采影響分析，同時論證了采礦爆破振動對公路的影響。結果表明：-300 m中段礦體開采后，地表公路最大沉降為1.2 mm，地表x向傾斜值最大為0.185 mm/m，y向傾斜值最大為0.13 mm/m；地表x向曲率值最大為0.011×10^-3m^-1，y向曲率值最大為0.012×10^-3m^-1；地表x向水平變形最大值為0.15 mm/m，y向水平變形最大值為0.12 mm/m，均滿足相關規范要求。采礦爆破時的地表質點振速小于規范規定的安全允許振速，采場爆破振動對地表影響很小。研究結果對該礦山深部開采提供了技術支撐。

關鍵詞：地下開采；保安礦柱；數值模擬；地表公路；爆破

中圖分類號：TD803 文章編號：1001-1277（2024）02-0024-05

文獻標志碼：Adoi：10.11792/hj20240205

引 言

某礦山采用地下開采方式，開拓中段為-200 m、-250 m、-300 m 3個中段。礦山地表有公路從礦區西南側通過（見圖1），按照設計規范及相關規定，在礦區范圍內按照公路邊界從上至下劃定中段開采移動界線，巖體上、下盤移動角為65°，端部為70°，第四系為45°，并據此圈定了地表公路保安礦柱范圍。在基建過程中發現，該礦山主礦體主要賦存在-300 m中段，其余中段資源量很少，無開采價值。但是，探獲的礦體均在原設計-300 m中段禁采線以內，為安全合理地開發利用礦產資源，亟須開展地下開采對地表公路的影響分析論證，以解放礦山禁采礦量^［1-4］。

1 工程概況

1.1 礦體開采技術條件

礦區位居長江中下游南岸沿江丘陵平原區，區內無大的地表水體及水系，礦床地處分水嶺，自然排水條件好。礦體產于閃長巖接觸帶及其圍巖中，賦礦層位主要為三疊系中統南陵湖組和下統塔山組。礦床水文地質類型以巖溶裂隙含水層充水為主，水文地質條件中等類型。地質巖組主要分為第四系松散巖組、強風化軟弱巖組和未風化基巖堅硬巖組3組，根據現場勘查，礦山礦體巖性為含黃鐵礦大理巖和含黃鐵礦閃長巖，圍巖主要為大理巖及閃長巖。礦體及頂底板巖石較堅硬，巖體較完整，巖石質量較好，但局部地段巖石蝕變強烈，需支護處理，工程地質條件為中等類型。4號礦體平均厚度14.4 m，礦體總體走向為180°～195°，向西陡傾，傾角65°～85°，賦存標高為-325～-235 m。

1.2 開采現狀

該礦山曾采用無底柱分段崩落采礦法開采-110 m標高以上礦體，后礦山利用廢石土對上部采空區及產生塌陷的地表塌陷坑（見圖2）進行回填并壓實，現處于穩定狀態。礦山實際基建過程中，在-110～-200 m標高，未發現具有開采價值的主要礦體，僅在-300 m中段發現了4號礦體。因此，該礦山目前只開采-300 m中段。

目前礦山采用豎井開拓，中段高度50 m，-300 m中段作為生產中段，-250 m中段作為回風中段，-200 m中段作為爆破器材發放站中段。采礦方法為分段鑿巖階段礦房采礦法，礦塊沿走向布置，長50 m，寬15 m左右，中段高50 m，底柱高6 m，間柱寬6 m，分段高度5 m，漏斗間距6～7 m。回采結束后采用廢石干式充填。

1.3 巖體物理力學參數

采用巴頓巖體質量分類法對該礦山巖體進行分類，圍巖為Ⅱ類巖石，礦體為Ⅲ類巖石。通過巖體力學計算公式，依據各工程地質巖組地質強度指標GSI值和巖石單軸抗壓強度，計算得到各工程巖組的巖體物理力學參數，見表1。

2 地下開采對地表公路的影響分析

2.1 數值模擬分析模型

本次主要采用Flac^3D軟件^［5］進行數值模擬分析，采空區模型為-110 m標高以上采空區和-250 m中段采空區。由于礦山采用廢石干式充填，以及淺部采空區填充情況不明，在建立采空區數值模型時，留設未充填區域：-250 m中段采空區頂部留有2 m高不進行充填；淺部采空區留有10 m高不進行充填。

根據礦山工程地質條件，三維數值模型劃分第四系松散層、風化帶及未風化堅硬巖組（見圖3）。第四系以平均厚度15 m建立模型，風化帶厚度為15 m，采空區根據礦山的采空區中段平面圖、剖面圖、縱投影平面圖建立。主要建立淺部-110 m標高以上歷史采空區、-250 m中段采空區和-300 m中段采場。最終建立模型南北向（y向）長730 m，東西向（x向）長695 m，高390 m，共建立67萬個網格，12.2萬個節點。

2.2 地表影響變形值判定依據

該礦山地表存在縣道公路及村莊民房等建（構）筑物，為Ⅲ級保護等級。地表建（構）筑物位移與變形允許臨界變形值按照最高保護等級選取，允許臨界變形值為：地表傾斜3 mm/m，地表曲率0.2×10^-3m^-1，地表水平變形2 mm/m^［6-7］。根據模擬得到的地表變形數據，通過整理與分析數據，評價該礦山地下開采對地表建（構）筑物的影響程度。

2.3 地表變形特征分析

根據數值模擬計算結果，采用數據分析軟件提取模型地表沉降數據，計算礦區地表各變形值，各項指標具體分析如下。

2.3.1 地表下沉特征

礦區地表下沉云圖見圖4。由圖4可知：礦區深部開采造成的地表沉降最大約為4.6 mm，地表沉降主要集中在原淺部-100 m中段以上礦體開采正上方，深部開采對地表影響較小。地表公路最大沉降為1.2 mm，認為礦區地下開采對地表造成的位移整體較小。

2.3.2 地表傾斜特征

礦區地表變形值計算分為x向、y向，x向、y向分別為東西向和南北向。地表x向、y向傾斜云圖見圖5。由圖5可知：礦區地表傾斜值均不大。礦區地表x向傾斜值最大為0.185 mm/m，y向傾斜值最大為0.13 mm/m。地表各建（構）筑物位置的傾斜值均很小，根據GB 50830—2013 《冶金礦山采礦設計規范》，以上地表傾斜變形值均遠小于Ⅰ類保護等級建（構）筑物允許臨界變形值（3 mm/m）。

2.3.3 地表曲率特征

礦區地表曲率云圖見圖6。由圖6可知：礦區地表曲率值非常小，礦區地表x向曲率值最大為0.011×10^-3m^-1，y向曲率值最大為0.012×10^-3m^-1。根據GB 50830—2013 《冶金礦山采礦設計規范》，以上地表曲率變形值均遠小于Ⅰ類保護等級建（構）筑物允許臨界變形值0.2×10^-3m^-1。

2.3.4 地表水平變形特征

礦區地表水平變形云圖見圖7。由圖7可知：地表x向水平變形最大值為0.15 mm/m，y向水平變形最大值為0.12 mm/m。根據GB 50830—2013 《冶金礦山采礦設計規范》，以上地表水平變形值均遠小于Ⅰ類保護等級建（構）筑物允許臨界變形值2 mm/m。

3 采礦爆破振動對地表公路的影響

3.1 爆破回采工藝

該礦山設計采用分段鑿巖階段礦房采礦法，分段高度5 m，采用淺孔爆破落礦。鑿巖采用YT-27風動鑿巖機，配FM-140B氣腿，釬頭直徑38 mm，一字形，釬桿為中空圓形鋼管，釬桿組為0.8 m、1.5 m、2.0 m 3組。炮孔垂直上向平行布置，炮孔最小抵抗線0.6～0.7 m，孔深1.8～2.0 m，每次爆破35～40個孔，每次崩礦量約140 t。爆破采用乳化炸藥，微差非電導爆系統，一次起爆，每日爆破一次。

3.2 爆破安全判據

炸藥爆炸能量釋放有沖擊波和爆炸氣體2種表現形式。隨著傳播距離的增大，沖擊波衰減為應力波和地震波，而由地震波引起的地面（近地表）振動稱為地振動。在分析爆破引起的地振動對地表建（構）筑物的影響時，通常以保護對象所在地質點的峰值振動速度和主振頻率為判據，GB 6722—2014 《爆破安全規程》中對建（構）筑物在爆破荷載作用下的安全性判據作出了相應規定^［8］，見表2。

礦山地表主要保護對象為村莊民宅與地表公路等。礦山開采方法為分段鑿巖階段礦房采礦法，采用淺孔爆破。振動頻率范圍可按表2選取，地下淺孔爆破f=60～300 Hz。

根據表2，由于地表公路在擬開采范圍的巖石移動范圍內，保守起見，選擇要求較高的一般民用建筑物確定安全允許振速，為2.5～3.0 cm/s。為確保保護對象安全性，安全允許振速選擇保守值為2.5 cm/s，即井下生產爆破在保護對象位置引起的振動速度超過相應安全允許振速時，可能會對保護對象產生破壞性影響。

3.3 開采爆破振動對地表建（構）筑物影響

工程爆破中通常采用薩道夫斯基公式進行爆破振動分析，目前GB 6722—2014 《爆破安全規程》中采用的薩道夫斯基公式為：

R=（K/V）^1/αQ^1/3（1）

式中：R為測點與爆心之間的直線距離（m）；K為與地質、爆破方法等因素有關的系數；V為保護對象所在地安全允許質點振速（cm/s）；α為與地質條件、地形有關的地震波衰減系數;Q為炸藥量（kg），齊發爆破為總藥量，延時爆破為最大段藥量。

由式（1）可知，在K和α已知的條件下，當炸藥量與安全允許距離已知時，可由式（1）計算得到最小爆心距離下的地表質點振速，因此公式中K和α值的確定至關重要。

1）K和α參數選取。該礦山K、α值可參考GB 6722—2014 《爆破安全規程》內K和α的推薦值進行選取，見表3。礦山礦體及圍巖為中硬—堅硬以上巖石，K值可選取250，α值可選取1.5。

2）地表質點振速計算。通過公式轉換，在K、α及爆破藥量已知的條件下，可根據式（2）計算礦山開采爆破時地表質點振速。

V=K/（R/Q^1/3）^α（2）

礦山采用分段鑿巖階段礦房采礦法開采，采用淺孔爆破。炮孔垂直上向平行布置，炮孔最小抵抗線0.6～0.7 m，孔深1.8～2.0 m，每次爆破35～40個孔，每次崩礦量約140 t。根據礦山實際情況，采場實際爆破總藥量不超過40 kg，一般分為3段爆破。

該礦山淺部已經結束生產多年，目前生產中段為-300 m中段，地表標高為51 m，開采深度為351 m，設爆破距地表最近距離約為300 m。根據選取的K和α值，由此計算得到地表質點振速為0.38 cm/s。該地表質點振速小于規范規定的安全允許振速（2.5 cm/s）。而礦山實際采場爆破時采用3段爆破，單段爆破藥量更少，因此采場爆破振動對地表影響很小。

4 結 論

根據該礦山開采技術條件，采用數值模擬和經驗法開展了礦山地下開采及爆破振動對地表公路的影響分析，得到結論如下：

1）根據數值模擬結果，-300 m中段礦體開采后，地表公路最大沉降為1.2 mm，地表x向傾斜值最大為0.185 mm/m，y向傾斜值最大為0.13 mm/m；地表x向曲率值最大為0.011×10^-3m^-1，y向曲率值最大為0.012×10^-3m^-1；地表x向水平變形最大值為0.15 mm/m，y向水平變形最大值為0.12 mm/m；均滿足相關規范要求，說明地下開采對地表公路影響較小。

2）結合GB 6722—2014 《爆破安全規程》選取了反映該礦山爆破振動傳播規律的K和α值，并根據礦山采礦方法及地表公路等建（構）筑物選取了安全允許振速為2.5 cm/s。礦山當前開采深度均大于300 m，以此計算得到地表質點振速最大為0.38 cm/s，小于規范規定的安全允許振速2.5 cm/s，因此礦山開采爆破對地表影響較小。

3）建議礦山在生產過程中加強地表公路的位移監測。

［參 考 文 獻］

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Analysis of the impact of underground mining on surface highway of a mine

Wang Haichang¹，Pan Jian²，Yin Yu²，Guo Zhenpeng²

（1.Xinjiang Karatunk Mining Co.，Ltd.;

2.Sinosteel Maanshan Mining Research Institute Co.，Ltd.）

Abstract：An underground ore body of a mine is within the security pillar range of a surface highway.In order to ensure the stability of the highway，Flac^3D numerical analysis method was used to conduct a mining impact analysis，and the impact of mining blasting on the highway was demonstrated.The results show that the maximum subsidence of surface highway is 1.2 mm，the maximum slope value in the x direction of the surface is 0.185 mm/m，and the maximum slope value in the y direction is 0.13 mm/m after mining the ore body at -300 m level;the maximum curvature value in the x direction of the surface is 0.011×10^-3m^-1，maximum curvature value in y direction is 0.012×10^-3m^-1;the maximum horizontal deformation of the surface in the x direction is 0.15 mm/m，and the maximum horizontal deformation in the y direction is 0.12 mm/m，both of which meet the requirements of relevant specifications.The surface particle vibration velocity during mining blasting is less than the safety allowable vibration velocity specified in the specification，so it is considered that stope blasting has little impact on the surface.The research results provide technical support for the deep mining of the mine.

Keywords：underground mining;security pillar;numerical simulation;surface highway;blasting