徐 鋒，肖春瑜，王 丹，李江紅，許 威，徐文鋒

（1.江西滸坑鎢業(yè)有限公司，江西 吉安343205；2.江西理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州341000；3.江西省贛州市自然資源局，江西 贛州341000）

0 引言

鎢礦地下開采形成了大量采空區(qū)，誘發(fā)的地表沉降會對地表構(gòu)筑物造成不利影響。地表構(gòu)筑物的沉降不僅與地質(zhì)條件和礦床賦存條件有關(guān)，還受到開采方法、開采順序與推進(jìn)速度的影響。當(dāng)?shù)乇順?gòu)筑物的沉降超過最大允許值時，構(gòu)筑物就會發(fā)生破壞，進(jìn)而導(dǎo)致事故發(fā)生。另外，地表構(gòu)筑物的沉降還與采場形狀、大小、巖性密切相關(guān)[1-5]。因此，對地下開采深度引發(fā)的地表沉降規(guī)律的研究是必要的。

國內(nèi)外學(xué)者在研究開采誘發(fā)地表移動規(guī)律時，通常只對實地監(jiān)控數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，得到的分布規(guī)律與地下開采進(jìn)程沒有直接的聯(lián)系，對地表變形機理的分析不夠透徹。郭延輝等[6]通過建立三維數(shù)值模型，系統(tǒng)地分析和研究了礦區(qū)深部持續(xù)開采過程中各階段的地表移動變形范圍。周振亮等[7]通過現(xiàn)場動態(tài)監(jiān)控，結(jié)合數(shù)值模擬的手段，對煤礦深部條帶開采引發(fā)的地表變形規(guī)律進(jìn)行了分析。譚志祥等[8]通過對觀測資料的整理分析，求取了概率積分法預(yù)計參數(shù)，獲得了該區(qū)條件下傾向條帶開采時的地表移動變形規(guī)律。宋許根等[9]利用實地監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)合巖層移動機制，對塌陷發(fā)生以后地表變形與擴展規(guī)律進(jìn)行分析。

本研究是在巖土力學(xué)試驗的基礎(chǔ)上，建立鎢礦地下開采三維數(shù)值模型，對剖面位移進(jìn)行分析，得到了開采至不同深度時地表沉降分布及巖體位移變化規(guī)律，并對地表構(gòu)筑物穩(wěn)定性進(jìn)行了預(yù)測。

1 工程概況

礦體出露最大標(biāo)高為687 m，最低標(biāo)高為-445 m，礦區(qū)最南部河床為礦區(qū)最低侵蝕面，標(biāo)高216 m，開采方式為地下坑采，采礦工藝主要為淺孔留礦法。礦區(qū)現(xiàn)已開拓有495 m、437 m、382 m、336 m、289 m、240 m、190 m、140 m、90 m、40 m、-10 m、-60 m、-110 m、-160 m共14個中段，289 m中段為最低水平開拓中段。本次工程地質(zhì)調(diào)查選取了289 m、140 m、40 m、-60 m、-110 m等5個中段448.64 m巷道、1795條結(jié)構(gòu)面。目前，+495 m～336 m中段已于20世紀(jì)80年代初結(jié)束采礦，采空區(qū)采用崩落、充填和封閉等方式處理；+289 m～+90 m中段大部分采空區(qū)已充填；90 m～-160 m中段為主要生產(chǎn)區(qū)正在進(jìn)行開采工作。

礦區(qū)附近為工業(yè)場地，主要構(gòu)筑物有：2#豎井、3#豎井、回風(fēng)井、選礦廠和尾礦壩。2#、3#豎井在礦體邊部上方，在移動帶范圍內(nèi)；回風(fēng)井、選礦廠及尾礦壩位于現(xiàn)有采空區(qū)移動帶外側(cè)。在開采過程中，地表構(gòu)筑物會受到沉降影響，破壞現(xiàn)有平衡狀態(tài)，使豎井等構(gòu)筑物產(chǎn)生變形甚至破壞，導(dǎo)致事故的發(fā)生。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

根據(jù)礦山地形地質(zhì)圖，在AutoCAD中提取等高線及標(biāo)高，數(shù)值模型的平面范圍為東西長2 400 m、南北寬1 650 m，垂直方向最大深度為-359 m。在Rhinoceros中，使用“曲線分段-嵌面”命令生成礦區(qū)地表模型。

綜合考慮各地層空間分布及其與礦體的位置關(guān)系，將圍巖簡化為中細(xì)?；◢弾r，礦體為含鎢石英脈。根據(jù)技術(shù)部門提供的水平斷面圖和勘探線剖面圖，在Rhinoceros中采用相連段法，得到礦體模型并與地表模型復(fù)合，構(gòu)建礦區(qū)地下開采三維數(shù)值模型。在已建立的三維數(shù)值模型的基礎(chǔ)上，對現(xiàn)有采空區(qū)、深部礦體、圍巖模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，礦體網(wǎng)格長度為10 m，圍巖網(wǎng)格長度為20 m。將網(wǎng)格導(dǎo)入到FLAC3D軟件生成三維數(shù)值計算模型，見圖1。

圖1 礦區(qū)地下礦體數(shù)值計算模型Fig.1 Numerical calculation model of underground ore body

2.2 物理力學(xué)參數(shù)

通過現(xiàn)場取樣、室內(nèi)測定和理論分析，綜合彈性波法和系數(shù)換算法，結(jié)合礦山相關(guān)資料，得到鎢礦巖體物理力學(xué)參數(shù)及工程巖體的參數(shù)推薦值，見表1。

表1 工程巖體推薦物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Recommended physical and mechanical parameters of engineering rock mass

2.3 初始應(yīng)力場

模型的四周及底部采用位移邊界條件，上部邊界為地表，采用自由邊界。模擬僅考慮自重應(yīng)力，對其施加鉛直方向的自重應(yīng)力σz計算如式（1）所示。

模型在自重應(yīng)力下，產(chǎn)生水平方向的擠壓應(yīng)力（水平自重應(yīng)力）σx、σy，計算如式（2）所示。

式中：σz為垂直應(yīng)力，MPa；σx、σy為水平應(yīng)力，MPa；λ為上覆巖層容重，N/m；Z為深度，m；μ為上覆巖層泊松比。

在彈性和塑性分布計算平衡后，得到模型的初始應(yīng)力場，見圖2。

圖2 滸坑礦區(qū)自重應(yīng)力場Fig.2 Gravity stress field in HuKeng mining area

2.4 破壞準(zhǔn)則

模型中巖礦體均假設(shè)為理想彈塑性連續(xù)介質(zhì)，采用摩爾-庫侖屈服準(zhǔn)則，見式（3），其物理力學(xué)模型采用彈塑性力學(xué)模型。

式中：σ1為最大主應(yīng)力，MPa；σ3為最小主應(yīng)力，MPa；φ為內(nèi)摩擦角，°；c為介質(zhì)黏結(jié)力，MPa；fs為破壞判斷系數(shù)。

（1）當(dāng)fs≤0時，材料處于彈性變形階段；（2）當(dāng)fs≥0，時，材料處于塑性流動狀態(tài)。若巖體處于拉應(yīng)力作用下，如果拉應(yīng)力超過材料的抗拉強度，將發(fā)生抗拉破壞。

3 結(jié)果分析

建立現(xiàn)有采空區(qū)、深部開采區(qū)兩個模型，并分別對開采不同深度、自重應(yīng)力一種受力狀態(tài)進(jìn)行三維數(shù)值模擬計算（見表2），分析地表沉降和地表建筑物的穩(wěn)定性。

表2 地表變形評價Tab.2 Surface deformation evaluation

3.1 地表沉降

圖3、圖4為地表位移等值線圖，其中所標(biāo)記的三條測線為地表沉降等值線較密集處即沉降差較大處，可直觀看出地表沉降最大約在礦體中心在地表投影處，且地表變形呈現(xiàn)非對稱性。

由圖3（a）、圖3（b）可得-160 m開采X方向位移最大值為17 mm，水平變形最大值為0.073 80 mm/m，Y方向位移最大值為22 mm，水平變形最大值為0.096 13 mm/m。圖3（c）為地表沉降，Z位移最大值為48 mm，礦山地表移動帶范圍之外，地表沉降基本為0，說明開采至-160 m時，對地表穩(wěn)定性影響不顯著。

圖3 開采至-160 m地表位移等值線Fig.3 Isolines of surface displacement when mined to-160 m

圖4 開采至-310 m地表位移等值線Fig.4 Isolines of surface displacement when mined to-310 m

圖4（a）、圖4（b）得到-310 m開采X方向位移最大值為21 mm，水平變形最大值為0.102 315 mm/m，Y方向位移最大值為28 mm，水平變形最大值為0.084 228 mm/m。圖4（c）為地表沉降，位移最大值為56 mm。

圖3、圖4對比分析可以發(fā)現(xiàn)：地表沉降最大值點約在礦體中心在地表投影處，隨著開采深度的增加，礦山地表各向位移逐漸增加，地表移動帶范圍增大，沉降位移范圍明顯向左擴展。

3.2 圍巖沉降

為全面地分析巖體位移變化，在模型中切出如下P1、P2及P3剖面進(jìn)行分析，剖面位置見圖5。P1，P2與深部礦體以不同的角度相交，能夠表明深部礦體的開采對周邊巖體的影響；P3與深部礦體距離較遠(yuǎn)，能夠描述深部開采條件下，現(xiàn)有采空區(qū)的位移變化。

圖6、圖7分別為開采深度為-160m、-310m不同剖面沉降位移分布云圖。由圖6可以發(fā)現(xiàn)，在開采至-160 m深度時，三個剖面上位移最大處均在-160 m附近，在遠(yuǎn)離采空區(qū)的位置位移普遍較小且均勻，這說明采空區(qū)是產(chǎn)生沉降位移的主要原因，并且沉降位移隨著深度的增加也逐漸增大。

圖5 剖面位置Fig.5 Profile position

圖6 開采至-160 m不同剖面沉降位移分布Fig.6 Settlement and displacement distribution in different sections when mined to-160 m

圖7 開采至-310 m不同剖面沉降位移分布Fig.7 Settlement and displacement distribution in different sections when mined to-310 m

圖7表明，在開采至-310 m時，剖面P1、P2上Z方向位移明顯增大，并且位移最大區(qū)域明顯向左下角移動，說明在開采深度增大過程中，礦體周邊Z方向位移增大，同時越靠近開采區(qū)域的Z方向位移越大。P2剖面位移分布的變化規(guī)律與P1剖面一致。P3剖面不與深部礦體相交，可以看到在-160 m與-310 m的位移場沒有明顯的不同，這說明深部開采對較遠(yuǎn)水平位置位移場的影響較小。

3.3 地表構(gòu)筑物穩(wěn)定性

在地表敏感位置設(shè)置觀測點，回風(fēng)井、2#井、3#井和工業(yè)場地各設(shè)置1個監(jiān)測點。表3為地表監(jiān)測點的傾斜、曲率及水平變形的計算結(jié)果。

表3 監(jiān)測點地表變形參數(shù)表Tab.3 Surface deformation parameters of monitoring points

由表3計算結(jié)果，結(jié)合國家規(guī)范可知礦山開采至-310 m地表監(jiān)測點傾斜、曲率及水平變形均小于《有色金屬采礦設(shè)計規(guī)范》（GB 50771—2012）所規(guī)定的建筑物保護(hù)等級Ⅰ級的要求、《煤礦測量試行規(guī)程》一般磚石結(jié)構(gòu)建筑物規(guī)定[10]，說明開采至-310 m時，豎井及地表建筑物為穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)論

（1）隨著開采深度的增加，礦山地表各向沉降增加，地表移動帶將隨著采空區(qū)延伸方向擴展，地表沉降最大值點位于礦體中心地表投影點位置。

（2）由-160 m開采至-310 m時，剖面P1沉降位移值增幅減??；剖面P2所示位置塑性區(qū)有明顯增加，沉降增加區(qū)域集中在圖中左下角；剖面P3位置位移場沒有明顯變化。

（3）豎井及地表工業(yè)場所監(jiān)測點的沉降均滿足國家標(biāo)準(zhǔn)，說明開采至-310 m對2#、3#豎井及地表工業(yè)場地的影響仍然在可靠范圍內(nèi)。