趙興東，朱乾坤，趙一凡

(東北大學(xué) 采礦地壓與控制研究中心， 遼寧 沈陽(yáng) 110819)

地下開采時(shí)，礦產(chǎn)資源被大量采出后，巖體原有的平衡狀態(tài)受到破壞，上覆巖層將依次發(fā)生冒落、斷裂、彎曲等變形破壞，最終波及到地表，在采空區(qū)的上方造成大面積的地表沉陷，形成一個(gè)比開采面積大得多的下沉盆地。在地表沉降影響區(qū)的外圍，會(huì)因受拉而產(chǎn)生地表裂縫。礦山開采造成的地表沉降和環(huán)境損害等一系列問(wèn)題，在我國(guó)及世界范圍內(nèi)越來(lái)越引起人們的關(guān)注[1-2]。目前金屬礦山常采用留設(shè)礦柱與采空區(qū)充填等方法控制地表沉降，已取得較為理想的地表沉降控制效果，但是目前對(duì)深部地下金屬礦床開采尤其是急傾斜礦體深部開采誘發(fā)覆巖移動(dòng)規(guī)律及地表沉降控制對(duì)策研究比較少。

關(guān)于金屬礦山開采巖層移動(dòng)規(guī)律方面，夏開宗等[3-4]以典型陡傾結(jié)構(gòu)面條件下的金屬礦山-程潮鐵礦西區(qū)為例，通過(guò)對(duì)礦區(qū)的地表變形監(jiān)測(cè)資料及宏觀破壞特征分析，認(rèn)為礦區(qū)的巖層移動(dòng)分為采空區(qū)頂板巖體破壞擴(kuò)展至地表引起塌陷階段和采空區(qū)周邊圍巖向采空區(qū)的傾倒破壞階段，并得出了傾倒滑移區(qū)的地表巖體變形規(guī)律。礦山開采地表沉降預(yù)計(jì)通常采用概率積分法[5-6]，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及數(shù)值模擬方法的引入及發(fā)展，數(shù)值模擬方法逐漸成為地表沉陷與巖層移動(dòng)領(lǐng)域的主流方法之一。張國(guó)權(quán)等[7]以金山店鐵礦東區(qū)為例，利用離散元軟件UDEC模擬該礦區(qū)2#礦體-130 m水平以上礦體開挖以及-270 m放頂工程引起的地表移動(dòng)變形，探究了兩開采活動(dòng)所引起的地表移動(dòng)變形規(guī)律。王彥瑋等[8]根據(jù)望兒山金礦區(qū)淺部回采的工程地質(zhì)與采礦條件，采用數(shù)值模擬手段對(duì)開采引起的地表沉陷災(zāi)害進(jìn)行了研究。李一帆等[9]利用UDEC軟件結(jié)合某磷礦山的具體工程地質(zhì)情況，對(duì)破碎帶下采礦誘發(fā)地表沉陷的地質(zhì)力學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。丁德民等[10]運(yùn)用ADINA 軟件對(duì)金川鎳礦不同充填開采條件下的圍巖應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)變化特征進(jìn)行了探討。本論文分析得出急傾斜薄礦體開采覆巖移動(dòng)破壞規(guī)律，結(jié)合吉林省樺甸市板廟子金礦工程地質(zhì)概況，采用FLAC3D軟件對(duì)該礦深部開采誘發(fā)的地表沉陷控制方法進(jìn)行了研究。

1 急傾斜薄礦體開采覆巖移動(dòng)誘發(fā)地表沉降與控制方法

根據(jù)文獻(xiàn)[11]可知，急傾斜礦體開采上覆巖層呈現(xiàn)非對(duì)稱破壞方式，分為滑移變形區(qū)、錐形破壞區(qū)(見圖1)；由于金屬礦山多為含節(jié)理裂隙巖體或完整巖體，開采誘發(fā)的覆巖變形破壞區(qū)域形成機(jī)制略有不同。隨著礦體采出，采空區(qū)體積逐漸增大，巖體在重力作用下發(fā)生彎曲變形，這期間頂柱及其巖體會(huì)發(fā)生拉剪破壞而產(chǎn)生巖體破裂面，然后上覆巖體沿著破裂面或先期存在結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生整體滑移變形，即為滑移變形區(qū)，此時(shí)地表形成下沉盆地，地表大致可分為連續(xù)變形帶和非連續(xù)變形帶(見圖2)。

圖2 急斜礦體開采誘發(fā)地表移動(dòng)模型

在巖體上盤通常形成楔形破壞區(qū)，楔形破壞區(qū)尖部朝向頂板深部，其發(fā)展演化過(guò)程為礦體上方巖體在自重應(yīng)力、采動(dòng)應(yīng)力作用下發(fā)生變形，當(dāng)變形達(dá)到一定程度后使得臨空面巖體產(chǎn)生平行于臨空面的板狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)變形持續(xù)增加，板狀結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)失穩(wěn)產(chǎn)生潰屈破壞乃至上盤巖體冒落，這種破壞由上盤圍巖淺部逐漸向深部發(fā)展形成楔形破壞區(qū)(見圖3)。

圖3 上盤楔形破壞區(qū)

由于巖體發(fā)生變形破壞，會(huì)導(dǎo)致圍巖部分區(qū)域應(yīng)力得以釋放，形成低應(yīng)力區(qū)，同時(shí)由于采動(dòng)應(yīng)力的影響，仍然存在高應(yīng)力區(qū)域(見圖4)。

圖4 急傾斜薄礦體開采圍巖應(yīng)力重新分布

針對(duì)上述覆巖移動(dòng)破壞特征，常見控制方法為充填開采和留設(shè)隔離礦柱，隔離礦柱設(shè)計(jì)方法有極限跨度法、經(jīng)驗(yàn)公式法以及極限平衡分析方法等[12]。

2 板廟子金礦深部開采誘發(fā)地表沉降控制研究

板廟子金礦位于吉林省樺甸市夾皮溝鎮(zhèn)錦山村板廟子屯，位于長(zhǎng)白山脈與張廣才嶺交接地帶，屬丘陵地貌，最高峰503.14 m，最低侵蝕基準(zhǔn)面標(biāo)高為350 m，坑口豎井標(biāo)高430 m。板廟子金礦主要開采的礦體有4條，即：302-7號(hào)、302-7-1號(hào)、302-8號(hào)、303-13號(hào)4條金礦體，傾角為70°～89°，礦體為含金硫化物石英脈，其圍巖主要為花崗質(zhì)片麻巖及一系列由北西向剪切帶形成的礦化破碎蝕變帶。該礦屬井下開采，采用明豎井+兩段盲豎井開拓，明豎井地表標(biāo)高為435 m，井底標(biāo)高為-575 m，井筒開拓深度為1010 m。當(dāng)前礦體開采在540中段(-130 m)至952中段(-542 m)，共計(jì)有11個(gè)開拓中段，主要開采302-7號(hào)、302-8號(hào)、303-13號(hào)礦體；現(xiàn)生產(chǎn)中段有5個(gè)(540中段、580中段、620中段和653中段)；當(dāng)前礦體開采深度為678 m。該礦采用上向分層干式充填采礦法，礦房的中段高度40 m，礦體走向長(zhǎng)度40～50 m，回采分層高度為3 m，采用鋼筋混凝土人工假底。深部礦房充填空區(qū)主要分布在4號(hào)～33.2號(hào)勘探線之間，500中段(-90 m標(biāo)高)以上，采空區(qū)均用廢石料充填。

2.1 板廟子金礦深部開采誘發(fā)地表沉降控制方案

針對(duì)板廟子深部開采誘發(fā)地表沉降現(xiàn)狀，考慮到其現(xiàn)有開采方法和工程狀況，結(jié)合覆巖移動(dòng)與破壞特征，提出以下4種控制方案進(jìn)行分析研究：方案1為既不留設(shè)礦柱，也不進(jìn)行充填，模擬時(shí)完全將礦體采出；方案2留設(shè)1隔離礦柱，礦柱位于-246 m水平以上，厚度為20 m；方案3在-118， -246， -384 m水平各留設(shè)厚度為20 m礦柱；方案4在-210， -370 m水平各留設(shè)厚度為20 m礦柱(見圖5)，且對(duì)開采后的采場(chǎng)進(jìn)行充填。方案1～方案4均按從上往下開采順序開采。

圖5 隔離礦柱留設(shè)方案4

2.2 數(shù)值模型建立

建模時(shí)將礦體開采模型視為平面應(yīng)變模型，假定巖層內(nèi)部為均勻連續(xù)介質(zhì)。模型采用位移邊界條件，即模型兩側(cè)和底部均為限定垂直和水平方向的位移。在數(shù)值模擬計(jì)算過(guò)程中，不考慮構(gòu)造應(yīng)力影響，僅考慮巖體自重引起的應(yīng)力。巖體內(nèi)部初始應(yīng)力狀態(tài)取決于上覆巖層的重量和性質(zhì)。

建模時(shí)將模型建至地表，礦體平均厚度為2.2 m，傾角為78°。模型尺寸為長(zhǎng)和寬均為1000 m?？紤]到計(jì)算時(shí)間，本次模擬采用完全彈性模型。巖體參數(shù)來(lái)源于現(xiàn)場(chǎng)巖體質(zhì)量分級(jí)和實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)獲得的參數(shù)(見表1)。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行模擬，并應(yīng)用Tecplot軟件從模擬結(jié)果文件中提取位移、應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究。

2.3 采場(chǎng)圍巖應(yīng)力分布特征分析

從圖6可以看出，礦體采出后采出空間頂?shù)装宕怪睉?yīng)力集中比較明顯，其余部位均處于或接近原巖應(yīng)力狀態(tài)而未明顯受開挖擾動(dòng)影響，礦柱留設(shè)數(shù)目越多，垂直應(yīng)力受采動(dòng)影響區(qū)域越小，方案4開采充填后垂直應(yīng)力受擾動(dòng)區(qū)域也明顯減小。垂直應(yīng)力集中區(qū)域通常位于各采場(chǎng)右上角以及左下角，礦柱的左上角及右下角，其它位置受開采影響垂直應(yīng)力得以釋放和轉(zhuǎn)移，因此垂直應(yīng)力較低。方案1中礦體完全采出后，在采空區(qū)左下角出現(xiàn)垂直應(yīng)力集中值較大，最大可達(dá)65.0 MPa，其它方案垂直應(yīng)力集中程度相對(duì)方案1來(lái)說(shuō)降低很多，但仍有局部小范圍垂直應(yīng)力集中值接近65.0 MPa。

圖6 不同方案圍巖垂直應(yīng)力分布云圖

從圖7可以看出，礦體采出后水平應(yīng)力集中區(qū)域主要位于采空區(qū)頂?shù)装逡约暗V柱附近，且深部水平應(yīng)力普遍大于淺部圍巖水平應(yīng)力。方案1采空區(qū)頂部、方案2～方案4最上部采場(chǎng)頂部水平應(yīng)力等值線呈現(xiàn)心形分布特征，礦柱附近水平應(yīng)力等值線大致沿采場(chǎng)中心軸線對(duì)稱分布。不同方案下水平應(yīng)力集中值無(wú)較大差別。在采場(chǎng)上下盤巖體中存在一較大范圍水平應(yīng)力為0 MPa區(qū)域，說(shuō)明在完全彈性情況下，礦體開挖后僅表現(xiàn)出對(duì)開挖空間頂?shù)装逅綉?yīng)力影響較明顯，而使上下盤巖體水平應(yīng)力得以釋放或轉(zhuǎn)移。方案4各應(yīng)力集中區(qū)域之間也均存在較大范圍水平應(yīng)力為0 MPa區(qū)域，這是由于充填體力學(xué)參數(shù)較圍巖和礦體低，存在被壓縮變形現(xiàn)象，從而使上下盤巖體水平應(yīng)力能得以釋放或轉(zhuǎn)移，采場(chǎng)頂?shù)装逅綉?yīng)力集中也比較明顯。

2.4 采場(chǎng)圍巖位移分布特征分析

從圖8可以看出，各方案垂直位移較大處位于采空區(qū)上下盤巖體，垂直位移上盤巖體影響范圍較大，整個(gè)上盤巖體均出現(xiàn)不同程度沉降，礦柱上方區(qū)域垂直位移明顯小于礦柱下方區(qū)域垂直位移。方案1上盤巖體最大下沉值為140.0 mm，下盤巖體最大抬升值為100.0 mm。方案2上盤巖體最大下沉值為100.0 mm，下盤巖體最大抬升值為80.0 mm。方案3上盤巖體最大下沉值為60.0 mm，下盤巖體最大抬升值為50.0 mm。方案4上盤巖體最大下沉值為60.0 mm，下盤巖體最大抬升值為40.0 mm?？梢?，方案3和方案4差別不大，但方案4采取采場(chǎng)充填開采后礦體圍巖穩(wěn)定性較好，圍巖變形量與影響范圍變小。

圖7 不同方案圍巖水平應(yīng)力分布云圖

圖8 不同方案圍巖垂直位移分布云圖

從圖9可以看，水平位移較大處均位于上下盤最下部采場(chǎng)圍巖中，其中上盤水平位移影響高度大于下盤巖體，采空區(qū)頂?shù)装逅轿灰凭容^小，礦柱上方區(qū)域水平位移明顯小于礦柱下方區(qū)域水平的位移。方案1水平位移最大值為120.0 mm，方案2水平位移最大值為100.0 mm，方案3水平位移最大值為70.0 mm，方案4水平位移最大值為50.0 mm。從這也可以看出留設(shè)礦柱能夠顯著地減小上下盤巖體的變形和移動(dòng)，與充填結(jié)合能取得更好的圍巖控制和減小地表沉陷的效果。

圖9 不同留設(shè)方案礦體圍巖水平位移分布云圖

2.5 各方案模擬結(jié)果對(duì)比分析

將4種模型模擬結(jié)果分別按水平位移、垂直位移、水平應(yīng)力、垂直應(yīng)力繪制曲線(見圖10～圖13)。

圖10 4種方案水平位移曲線圖

從圖10可以看出，隨著礦柱留設(shè)的增加，地表水平位移呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，尤其是上盤巖體地表位移顯著降低；方案4采場(chǎng)充填后上盤水平位移減小明顯，但下盤位移較方案3略有增大。方案1～方案3隨著礦柱數(shù)目增加地表沉陷最大值點(diǎn)逐漸趨于模型垂直中心線位置，這說(shuō)明隨著留設(shè)礦柱的增加，地表水平位移受地下開采影響較小。方案4最大位移位置位于模型中心線右側(cè)，說(shuō)明方案4留設(shè)2礦柱并充填后可使地表巖層移動(dòng)范圍減小，同時(shí)可使地表最大水平位移位置趨近于礦體上端的正上方位置。方案1、方案2、方案3、方案4的最大水平位移值分別為21.07， 12.20， 5.80 mm和6.49 mm，地表水平移動(dòng)最大值點(diǎn)方案1～方案3分別位于其豎直中心線左側(cè)8.51， 4.27， 0 m，方案4則位于豎直中心線右側(cè)23.53 m處。

圖11 4種方案垂直位移曲線圖

從圖11可以看出，地表下沉最大值點(diǎn)均處于模型邊界位置，說(shuō)明在深部開采情況下礦床開采對(duì)上盤垂直位移影響范圍較大。隨著礦柱留設(shè)數(shù)目增加地表垂直位移呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，且地表沉降值降低非常明顯，下盤地表巖體沉降影響范圍逐漸減小，同時(shí)地表下沉曲線傾斜逐漸減小。方案4留2礦柱并充填可使上下盤地表垂直位移減小，下盤地表垂直方向位移幾乎無(wú)明顯移動(dòng)。與模型3相比，充填相對(duì)于增加留設(shè)礦柱數(shù)來(lái)說(shuō)減沉效果不太明顯，兩者結(jié)合可有效控制地表豎直方向沉降。方案1～方案4的垂直位移最大值分別為102.59， 64.95， 33.67， 28.53 mm。

圖12 4種方案水平應(yīng)力曲線圖

從圖12可以看出，隨著礦柱留設(shè)數(shù)目增加，地表巖體水平應(yīng)力值逐漸降低，且位移最大值點(diǎn)逐漸趨近于模型豎直中心線，這說(shuō)明地下開采對(duì)地表水平應(yīng)力產(chǎn)生影響的范圍逐漸減小。方案4充填后上盤巖體地表水平應(yīng)力有增加也有降低，下盤巖體地表水平應(yīng)力既有增加也有降低，整體來(lái)看降低位置位于開采空間上部。方案1上盤地表巖體所受最大拉應(yīng)力為0.91 MPa，位于模型中心線左側(cè)207.26 m處；下盤地表巖體所受最大壓應(yīng)力為1.00 MPa，位于模型中心線右側(cè)180.30 m處。方案2上盤地表巖體所受最大拉應(yīng)力為0.55 MPa，位于模型中心線左側(cè)175.12 m處；下盤地表巖體所受最大壓應(yīng)力為0.59 MPa，位于模型中心線右側(cè)183.67 m處。方案3上盤地表巖體所受最大拉應(yīng)力為0.26 MPa，位于模型中心線左側(cè)156.91 m處；下盤地表巖體所受最大壓應(yīng)力為0.27 MPa，位于模型中心線右側(cè)146.79 m處。方案4上盤地表巖體所受最大拉應(yīng)力為0.34 MPa，位于模型中心線左側(cè)146.14 m處；下盤地表巖體所受最大壓應(yīng)力為0.20 MPa，位于模型中心線右側(cè)193.20 m處。

圖13 4種模型方案應(yīng)力曲線圖

從圖13可以看出，方案1、方案2、方案4地表垂直應(yīng)力比較接近，說(shuō)明在僅留一礦柱情況下和留2礦柱并充填對(duì)地表垂直應(yīng)力影響較小。而當(dāng)隔離礦柱留設(shè)數(shù)目達(dá)到3個(gè)時(shí)，地表所受垂直應(yīng)力降低至0.08 MPa左右，這也反映出多礦柱開采情況下地表垂直應(yīng)力受地下開采影響較小，充填所能起到降低垂直應(yīng)力作用有限。

3 結(jié) 論

(1) 針對(duì)急傾斜薄礦體開采誘發(fā)采場(chǎng)覆巖破壞及移動(dòng)規(guī)律進(jìn)行分析，分析得出采空區(qū)上盤巖體在重力及采動(dòng)應(yīng)力作用下巖體層裂增長(zhǎng)及失穩(wěn)后破斷形成楔形破壞區(qū)，采場(chǎng)上部邊界以上為滑移變形區(qū)，采空區(qū)上部存在潛在冒落區(qū)的規(guī)律?；谱冃螀^(qū)變形引起地表形成下沉盆地，地表分為連續(xù)變形區(qū)和非連續(xù)變形區(qū)。

(2) 對(duì)于深埋急傾斜礦體，采場(chǎng)巖體所受載荷以巖體自重為主，地表巖體移動(dòng)變形以整體豎向沉降為主，水平方向變形移動(dòng)較小，地表沉降曲線一直保持單沉降中心的特征，沉降過(guò)程中沉降中心曲率逐漸增大。

(3) 數(shù)值模擬結(jié)果表明，隨著礦柱留設(shè)增加，地表沉降仍以整體豎向沉降位移為主，水平方向變形移動(dòng)較小，地表沉降曲線也是保持單沉降中心的尖底形特征，但沉降過(guò)程中尖底形曲率逐漸降低，說(shuō)明隨著礦柱的增加地表沉降得到良好的控制，而且也能看出增加留設(shè)礦柱數(shù)量對(duì)控制地表移動(dòng)能起到?jīng)Q定性的作用。在這種情況下將礦柱數(shù)減為2個(gè)并充填采空區(qū)，由于充填體自身強(qiáng)度較低的原因僅能對(duì)地表沉降起到輔助作用，但是能更好地控制采場(chǎng)上盤圍巖變形破壞。因此，基于數(shù)值模擬結(jié)論，將板廟子金礦深部開采引發(fā)地表沉降控制方案定為留設(shè)兩隔離礦柱并干式充填采空區(qū)。