任青云

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某地下礦山開采對蕉溪嶺隧道影響分析

任青云

(湖南有色金屬研究院，湖南 長沙 410100)

蕉溪嶺特長隧道西南側為蕉溪嶺銅礦，距離礦山礦權界限最近水平距離約330 m，且該地下礦山采空區(qū)規(guī)模較大，形態(tài)各異。為了分析蕉溪嶺銅礦采空區(qū)對擬建隧道施工的影響，采用基于DIMINE與MIDAS/GTS NX有限元軟件進行了三維有限元數值模擬計算，結果表明，蕉溪嶺銅礦采空區(qū)沉降影響范圍未影響到蕉溪嶺特長隧道建設工程。

地下礦山；隧道；數值模擬計算；地表沉降

隨著湖南省經濟的迅猛發(fā)展，交通道路等重大民生基礎工程在全省范圍內不斷興建，一些大型基礎工程不得不穿越礦區(qū)礦產資源的開采引起的地表移動和變形往往會影響這些基礎工程的設計、施工。為了減少非煤礦山開采采空區(qū)的損害，有效地保護礦山周圍的重要基礎工程，開展非煤礦山采空區(qū)對重要交通設施的安全影響評估和監(jiān)控措施的研究是必要的，只有通過對礦山采空區(qū)的評估確定礦山周圍重要基礎工程受礦山開采的影響程度，才能既經濟又有效地對礦山周圍重要基礎設施進行設計與改造，從而達到減輕或者預防礦山開采對重要交通設施的影響，確保重要民生工程的安全。本文基于DIMINE與MIDAS/GTS NX有限元軟件結合，分析擬建金陽大道(三期)蕉溪嶺特長隧道與蕉溪嶺銅礦之間的相互影響，揭示蕉溪嶺銅礦采空區(qū)對蕉溪嶺特長隧道建設的主要影響因素。

1 工程基本情況

1.1 蕉溪嶺特長隧道項目

金陽大道三期工程位于瀏陽市境內，路線起于瀏陽市集里街道，與G354瀏陽關口至集里公路(西北環(huán)線)相接，對接道吾山路，終點位于工業(yè)新城蕉溪鄉(xiāng)G319上，與S109(瀏陽蕉溪至黃花機場公路)起點對接。該項目的建設將進一步加密東西向路網，是區(qū)域路網的重要補充，將成為瀏陽向西融入長沙城區(qū)的免費快速通道。項目的建設對改善區(qū)域交通條件，帶動沿線經濟發(fā)展具有重要意義。

擬建金陽大道(三期)蕉溪嶺特長隧道位于瀏陽市集里鎮(zhèn)~蕉溪鄉(xiāng)境內，在道吾村西進隧道，穿越蕉溪嶺山，在陳家沖出隧道，該隧道為分離式隧道，擬建隧道呈曲線形展布；左線隧道起訖樁號ZK1+385~ ZK6+075總長4690 m，隧道最大埋深約595 m，位于ZK3+580處。右線隧道起訖樁號K1+375~K6+055，總長4680 m，隧道最大埋深約604 m，位于K3+600處。

擬建金陽大道(三期)蕉溪嶺特長隧道，隧道西南側為蕉溪嶺銅礦，距離礦山礦權界限最近水平距離約330 m，位于隧道樁號K5+900處。

1.2 蕉溪嶺銅礦采空區(qū)情況

根據礦山提供的地質勘察報告和采掘工程平面圖，結合井下現場調查和老礦工對井下采空區(qū)的描述，確定礦山井下分布有5大采空區(qū)，分別是老采空區(qū)、75號脈空區(qū)、80號脈空區(qū)、33號脈空區(qū)和35號脈空區(qū)，保守計算空區(qū)總面積約42800 m2，采空區(qū)分布平面見圖1。

1.3 巖體力學參數試驗

研究人員對蕉溪嶺銅礦井下開采區(qū)域進行了巖體工程地質調查，現場選取圍巖與礦巖巖樣，對巖樣加工并進行了巖石力學室內試驗，得到了蕉溪嶺銅礦巖石的基本物理力學參數，并對所得到的成果進行了統計分析。測試項目包括單軸抗壓強度、巴西劈裂強度、內摩擦角和粘聚力。測試礦巖各有5個Φ50 mm× 100 mm圓柱試樣開展單軸壓縮試驗、5個Φ50 mm×40 mm圓柱試樣用于巴西劈裂試驗、12個50 mm×50 mm×50 mm立方巖樣用于變角剪試驗；圍巖還有12個Φ50 mm×100 mm圓柱試樣用于常規(guī)三軸試驗。巖石力學試驗結果見表1。

圖1 蕉溪嶺銅礦井下采空區(qū)情況

表1 巖石室內試驗各項指標匯總

2 數值模擬分析

2.1 基于DIMINE礦山模型

利用Dimine軟件建立礦山地質模型，在Dimine中生成的礦山實體模型，無法直接用于有限元數值模擬運算，需要將此模型導入到MIDAS/GTS中，建立礦山與隧道的實體模型(見圖2)。利用MIDAS/GTS的網格劃分功能，結合采礦工藝，進一步建立采區(qū)模型，劃分網格單元，見圖3所示。計算過程中礦巖均采用摩爾?庫倫(Mohr-Coulomb)屈服準則。

圖2 蕉溪嶺銅礦與隧道實體模型

圖3 模型網格及約束邊界

2.2 +90 m中段以上采空區(qū)數值分析

2.2.1 位移計算結果分析

+90 m中段及上部礦體采空后的位移計算結果如圖4、圖5所示。從圖中可以看出采空區(qū)上盤位移值為“-”，下盤位移值為“+”。表明采空區(qū)頂板發(fā)生位移沉降，底板發(fā)生底鼓。地表最大沉降值為6.3 mm，最大沉降位移出現在采場頂板，由圖4可知，地表發(fā)生大的沉降位移為5.02~6.3 mm，發(fā)生地表沉降面積占計算模擬面積的3.4%。由圖5可知，采空區(qū)頂板位移隨著與采場距離增大，位移沉降值下降，地面最小沉降值為1.8 mm，整個開采移動范圍面積約占42.6%。從圖中可以看出礦體開采引起破碎帶發(fā)生了輕微的“+”向位移，表明破碎帶已產生了輕微的“上拱”現象。

圖4 位移等軸側視圖

圖5 Z軸方向位移剖分圖

由圖4與圖5可知，擬建蕉溪嶺隧道位于+90 m中段以上開采移動范圍以外。即蕉溪嶺銅礦開采+90 m中段以上不會對擬建隧道產生位移沉降影響。

2.2.2 應力計算結果分析

從圖6~圖9可以看出，礦體開采后造成周圍巖體應力重分布，采場周邊產生卸壓區(qū)域，地應力減小，在此范圍之外，地應力的大小仍隨埋藏深度水平變化。應力集中現象出現在采場兩幫，剖面范圍內的最大壓應力值為32.18 MPa，+90 m中段以上采空區(qū)未出現拉應力區(qū)。擬建隧道位于礦山開采范圍330 m以外，擬建隧道區(qū)圍巖應力為自重應力的影響，礦體開采形成的應力集中區(qū)未影響到礦區(qū)東北側的隧道工程。

圖6 最大主應力等軸側視圖

圖8 最小主應力等軸側視圖

圖9 最小主應力剪切圖

2.2.3 塑性區(qū)計算結果分析

+90 m中段以上開采，在破碎帶出現塑性變形區(qū)(見圖10)，塑性區(qū)面積為12.5%，最大塑性變形為5.26×10?5。對于巖體而言，塑性形變意味著可能發(fā)生破壞，對出現塑性形變的巖體，如不及時進行支護處理，極有可能出現失穩(wěn)現象。由于破碎帶連通著礦山與擬建隧道工程，隧道周圍破碎帶出現塑性形變的區(qū)域在隧道施工過程中有可能出現局部的失穩(wěn)現象，故隧道施工過程中應加強監(jiān)測和管理，施工中應進行臨時支護。

圖10 塑性區(qū)主軸視圖

2.3 +90 m中段以下采空區(qū)模擬分析

2.3.1 位移計算結果分析

+90~+50 m中段礦體采空后的地表最大沉降值增加至10.9 mm。最大沉降位移出現在采場頂板，地表發(fā)生大的沉降位移為5.28~10.9 mm，發(fā)生地表沉降面積占計算模擬面積的11.8%。采空區(qū)頂板位移隨著與采場距離增大，位移沉降值下降，地面最小沉降值為1.89 mm，整個開采移動范圍面積約為56%。

擬建蕉溪嶺隧道位于+90~+50 m中段礦體開采移動范圍以外。即蕉溪嶺銅礦開采+90 m中段以下礦體不會對擬建隧道產生位移沉降影響。

2.3.2 應力計算結果分析

從應力計算結果可以看出，礦體開采后應力集中現象出現在采場兩幫，剖面范圍內的最大壓應力值為37.27 MPa，未出現拉應力區(qū)。擬建隧道位于礦山開采范圍330 m以外，礦體開采應力集中區(qū)未影響到礦區(qū)東北側的隧道工程。

2.3.3 塑性區(qū)計算結果分析

+90~+50 m中段礦體開采，在破碎帶出現塑性變形區(qū)，塑性區(qū)面積增加至13.8%，破碎帶塑性形變變大，最大塑性形變?yōu)?.34×10-5。破碎帶出現塑性變形后，可能會出現失穩(wěn)現象，巖體結構受到破壞，從而引起破碎帶區(qū)域位移發(fā)生沉降。

3 結 論

對蕉溪嶺銅礦開采的采空區(qū)對蕉溪嶺隧道的影響進行了數值模擬計算，結果顯示：

(1) 礦山開采+90 m中段以上礦體時，在地表發(fā)生了大的位移沉降，位移最大沉降值為6.3 mm，影響面積約為42.6%；礦山開采+90~+50 m中段礦體時，地表位移沉降值增大，地表沉降位移增至10.9 mm，地表移動影響面積增大至56%，但是礦山開采移動影響范圍均未影響到擬建隧道工程。

(2) 數值模擬計算結果表明：在破碎帶出現塑性變形區(qū)，礦山開采+90 m中段以上時，塑性區(qū)面積為12.5%，開采+90 m中段以下時，塑性區(qū)面積增加至13.8%。塑性形變意味著可能發(fā)生巖體破壞。由于破碎帶連通著礦山與擬建隧道工程，隧道周圍破碎帶出現塑性形變的區(qū)域在隧道施工過程中有可能出現局部的失穩(wěn)現象，巖體結構受到破壞，從而引起破碎帶區(qū)域位移發(fā)生沉降。

因此礦山開采采空區(qū)會引起擬建隧道工程破碎帶區(qū)域發(fā)生一定位移變形，存在一定的安全隱患，建議施工中進行臨時支護。

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(2018?10?12)

任青云(1985—)，男，工程師，碩士研究生。