胡建軍

(北京礦冶研究總院，北京 100160)

礦山有用礦體被采出后，采區(qū)周邊巖體應力將重新分布，此過程若發(fā)展到地表，則可能發(fā)生連續(xù)或非連續(xù)的地表變形，給地表建、構筑物帶來安全隱患[1-3]。目前已有的開采沉陷理論研究方法很多，如概率積分法[4]、典型曲線法[5]、剖面函數(shù)法[6]、拱形冒落論[7]、懸臂梁冒落論[8]、砌體梁平衡論[9]等，但是開采過程中復雜的地質(zhì)條件,以及眾多多變的影響因素，是此類方法無法考慮的，特別是受復雜空區(qū)群影響下的地表移動變形，以上研究方法難以給出較為合理的解答。隨著巖石力學的發(fā)展以及計算方法的不斷進步，數(shù)值模擬為巖石力學研究和工程設計提供了重要的依據(jù)，F(xiàn)LAC3D是基于連續(xù)介質(zhì)理論的有限差分軟件，其可以考慮巖層及斷層等地質(zhì)因素、礦山開采順序、復雜空區(qū)形態(tài)等眾多因素[10-12]，對于研究復雜空區(qū)群對地表移動變形影響具有很好的輔助作用，該研究方法對于研究地表移動變形具有重要的借鑒意義。

1 工程背景

某礦礦巖成因類型為層控接觸變質(zhì)類型的似層狀亞型，經(jīng)變質(zhì)作用蝕變而成。礦區(qū)位于海拔30～220m的丘陵低山環(huán)抱的盆地中，地勢東高西低，區(qū)內(nèi)斷裂有十二條，其中規(guī)模較大的斷裂為F8、FD12、FD14，均為正斷層，傾角60～80°，垂直斷距12～26m，對礦體有切割，前期開采留有保安礦柱，未切割采空區(qū)，礦體傾角10°左右，頂?shù)装寰鶠榇罄韼r。礦區(qū)地面建、構筑物主要有某高速公路及某國道從礦區(qū)東西兩側平行穿越礦區(qū)地表。

該礦一直采用全面空場采礦法開采，井下不劃分礦塊，不開掘采切巷道，在水平運輸兩側推進。采場內(nèi)留有規(guī)則或不規(guī)則礦柱，礦柱直徑大于3m，間距8～10m，局部頂板破碎處，用廢石水泥砂漿壘垛加強支撐，空頂面積80～100m2，預留的不規(guī)則礦柱形成了地下復雜空區(qū)(圖1)，空區(qū)圍巖破壞、變形可能會發(fā)展到地表，造成地表建構筑物破壞，形成隱患。

圖1 礦區(qū)礦柱分布圖

2 數(shù)值模型

礦區(qū)目前開采現(xiàn)狀采空區(qū)水平占地面積約420m×400m，隨礦體走勢分±0，-20，-40三個水平，為了保證模擬計算的快速、準確，選取平行斜井方向為X方向，水平面內(nèi)垂直斜井方向為Y方向，定義豎直向上為Z方向，建立數(shù)值模型。為了更加真實的反映圍巖環(huán)境，向礦區(qū)水平方向各增加了約400m，自目前采空區(qū)底板向下延伸160m，形成了尺寸為1220m×1200m×260m的計算模型，其中重點研究部位是礦區(qū)位置，如圖2所示。

當空區(qū)距地表較淺時，車輛荷載作用會在一定程度上加重地表沉降，該礦采空區(qū)平均埋深約100m，假設公路行駛一輛載重20t貨車，以集中荷載考慮，根據(jù)文獻[13]述，集中荷載作用下地基擾動深度為D=(30p/πγ)1/3，取p=20t，空區(qū)上覆巖土體平均容重取γ=25000kN/m3，計算得D=4.2m，即單輛車對巖體作用深度很有限。考慮到公路車輛為瞬時移動荷載，而且其對下方巖體作用又很有限，為研究方便，此次模型暫不考慮地表車輛荷載。

圖2 數(shù)值計算模型

模型四個側面設置位移邊界條件，限制水平移動，模型底面限制垂直移動。礦山目前開采現(xiàn)狀南北共有三個大采區(qū)，分±0，-20，-40三種水平。根據(jù)采空區(qū)劃分范圍數(shù)值計算的細化模型如圖3所示，巖土體及斷層力學參數(shù)如表1、表2所示。

圖3 采空區(qū)模型平面分布與地表公路對照圖

表1 巖體力學參數(shù)

表2 斷層力學參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場取樣和巖石力學試驗結果，研究的巖體以角礫巖和大理巖為主，屬于彈塑性材料，計算中采用莫爾-庫侖(Mohr-Coulomb)屈服準則判斷巖體的破壞。

式中，σ1、σ3分別是最大和最小主應力，c，φ分別是粘結力和摩擦角。當fs>0時，材料將發(fā)生剪切破壞。在通常應力狀態(tài)下，巖體的抗拉強度很低，因此可根據(jù)抗拉強度準則(σ3≥σT)判斷巖體是否產(chǎn)生拉破壞。

3 地表移動變形分析

從巖體應力及破壞狀態(tài)看，在開采現(xiàn)狀下，礦柱及頂板巖體受力狀態(tài)基本合理，礦柱所受最大主應力均小于其抗壓強度，處于穩(wěn)定狀態(tài)，但在一些小截面柱和帶尖角的礦柱處存在應力集中現(xiàn)象，應采取一些保護措施，以防其風化導致有效承擔面積減小而發(fā)生礦柱內(nèi)應力增大，從而造成失穩(wěn)破壞，增大地表移動變形。

在礦區(qū)范圍內(nèi)，高速公路和國道橫穿礦區(qū)地表，礦層開采引起的地表沉降可能會影響到這兩條公路的正常運行，空區(qū)可能對地表產(chǎn)生連續(xù)性或非連續(xù)性位移變形，采空區(qū)可對地表公路產(chǎn)生以下宏觀變形模式[14]：①產(chǎn)生陷坑、臺階；②路基、路面局部開裂；③坡度發(fā)生變化，彎道處易發(fā)生事故；④路面發(fā)生波浪起伏；⑤路面與路基間發(fā)生局部離層。

圖4是礦區(qū)范圍內(nèi)地表沉降圖，從圖中看出，礦區(qū)的開采對地表移動變形產(chǎn)生了一定程度的影響，由于FD12斷層的存在及空區(qū)的復雜不規(guī)則分布，其影響范圍并不關于礦區(qū)對稱分布。在南Ⅲ-20-1采區(qū)頂板局部破壞的影響下，地表沉降中心發(fā)生在南Ⅲ-20-1采區(qū)靠近FD12斷層部位的正上方，但沉降值不大。數(shù)值計算結果表明，地表大部分區(qū)域沉降值不到1mm，最大值控制在4mm之內(nèi)。

圖4 礦區(qū)地表沉降圖(單位：mm)

從礦區(qū)沉降等值線圖可以看出，地表變形后出現(xiàn)三個沉降中心，分別位于南Ⅲ-20-1采區(qū)，南Ⅲ±0-1采區(qū)和南Ⅲ-40采區(qū)附近的正上方；沉降中心遠離高速公路與國道。由于南Ⅲ-20-1采區(qū)礦柱尺寸較小，且開采面積較大，又受附近FD12斷層的影響，使得這一區(qū)域地表沉降量最大，變形相對嚴重。

國道與高速公路豎向變形曲線如圖5所示，可以看出沉降值不大，最大值僅為3mm，不影響公路運行。但因采空區(qū)上方公路兩側地表出現(xiàn)回彈，易使路面受拉伸開裂、壓縮隆起，路面發(fā)生波浪起伏及路面與路基間的局部離層。圖6為垂直于國道與高速公路方向的地表沉降曲線，可以看出，采空區(qū)引起縱向沉降量值不大，但不均勻沉降明顯，需注意單向傾斜使公路坡度發(fā)生變化，導致行馳車輛重心偏移。兩條公路遠偏離于沉降漏斗中心位置，即兩條公路沒有從地表沉降最嚴重的地方通過。

綜上所述，采空區(qū)對地表影響值不大，不影響公路運行，但采空區(qū)引起的公路坡度變化，易導致行馳車輛重心偏移；變形不協(xié)調(diào)導致路面壓縮隆起，發(fā)生波浪起伏及路面與路基間局部離層現(xiàn)象值得關注。

圖5 公路中心線沉降曲線

圖6 垂直公路斷面地表沉降曲線

4 結論

1) 對空區(qū)群現(xiàn)狀形成過程進行模擬反演表明，空區(qū)開采后地表沉降量較小，不影響公路正常運行，但采空區(qū)引起的公路坡度變化、波浪起伏及路面與路基間局部離層現(xiàn)象應予以重視。

2) 受礦山開采空區(qū)群復雜分布的特點影響，引起的地表沉降是不均勻的，地表公路受其影響下易發(fā)生路面起伏、坡度變化等危害。

3) 利用三維數(shù)值模擬軟件可以方便的模擬復雜空區(qū)開采，研究復雜空區(qū)影響下地表移動變形規(guī)律是可行的，能夠較為準確的預測地表移動變形情況，可供類似研究借鑒。

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