于文龍，趙旭陽(yáng)

（中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津300222）

近些年來(lái)，由于礦產(chǎn)資源的過(guò)度開(kāi)采，在很多地區(qū)留下了大量沒(méi)有處理的采空區(qū)， 一定程度上給礦山安全生產(chǎn)留下隱患， 而采空區(qū)引起的覆巖塌陷及地表移動(dòng)往往給附近居民造成災(zāi)難性后果， 嚴(yán)重危險(xiǎn)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。

2018年遷西縣漢兒莊鄉(xiāng)某山體突然塌陷形成巨大塌坑， 塌坑邊緣距水工建筑物最近水平距離21.80m，塌坑成橢圓形，軸向尺寸為83.60m×51.40m，邊緣高程235～265m，靠副壩側(cè)較低，塌坑邊緣山體表面2～5m有不規(guī)則裂縫，時(shí)有松土、塊石跌落，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

1 開(kāi)采概況及影響分析

礦區(qū)所處大地構(gòu)造體系為陰山東西向復(fù)雜構(gòu)造帶與新華夏系交接地帶， 具有四個(gè)比較明顯的構(gòu)造帶，即東西向構(gòu)造帶、北東向構(gòu)造帶、北北東向構(gòu)造帶和扭動(dòng)構(gòu)造帶。 礦區(qū)內(nèi)地層呈單斜構(gòu)造。 構(gòu)造簡(jiǎn)單，偶見(jiàn)小揉皺，對(duì)礦體無(wú)破壞現(xiàn)象。 該礦區(qū)出露的地層主要為太古界遷西群變質(zhì)巖及第四系覆蓋層。礦區(qū)地下水主要由第四系孔隙潛水層和基巖風(fēng)化裂隙含水層及構(gòu)造裂隙含水層組成。

該鐵礦礦區(qū)內(nèi)共有四條礦體，分別是I，II，III，Ml號(hào)礦體。礦體賦存太古界遷西群三屯營(yíng)組片麻巖中，呈層狀，礦體產(chǎn)狀基本與圍巖一致，屬太古界海相沉積生成后來(lái)經(jīng)區(qū)域變質(zhì)作用， 使礦石發(fā)生明顯的變質(zhì)觀象，為沉積變質(zhì)鐵礦，屬鞍山式鐵礦。 礦體總體走向近東西向，傾向北，傾角70°～80°。

1.1 “三帶理論”

礦體被開(kāi)采后，會(huì)引起圍巖的原始應(yīng)力變化，當(dāng)圍巖能夠承受的應(yīng)力超過(guò)其極限強(qiáng)度時(shí)， 就會(huì)發(fā)生位移、開(kāi)裂、斷裂直至破碎冒落。 巖層按自身破壞程度的大小，通常可以劃分為三帶：垮落帶、裂隙帶、彎曲帶［1］（如圖1）。

圖1 采空區(qū)覆巖影響帶分布示意圖

1.1.1 垮落帶

又稱冒落帶，礦體被開(kāi)采后，采空區(qū)頂板覆巖發(fā)生離層、斷裂、垮落入空腔內(nèi)部的巖層移動(dòng)區(qū)域。 垮落帶的形成主要是由于采空區(qū)覆巖在自重作用下發(fā)生法向彎曲， 當(dāng)彎曲程度導(dǎo)致巖層拉應(yīng)力超過(guò)抗拉強(qiáng)度時(shí)，采空區(qū)覆巖發(fā)生破壞，巖體石塊剝離滾落，堆積在采空區(qū)空腔內(nèi)。

1.1.2 裂隙帶

又稱斷裂帶，裂隙帶位于垮落帶之上，這部分巖層會(huì)產(chǎn)生斷裂和裂縫，但仍保持原來(lái)層狀，隨著采空區(qū)范圍的逐漸擴(kuò)大，裂隙帶會(huì)因不能承受上覆巖體自重而發(fā)生大斷裂，失去承載力，從而向上發(fā)展到地表。同時(shí)，裂隙帶具有一定導(dǎo)水性，若裂隙帶周邊恰好有地下水存在，那么采空區(qū)工作面的滲漏量會(huì)很大。

1.1.3 彎曲帶

彎曲帶整體移動(dòng)帶， 是指裂隙帶頂部至地表巖層的統(tǒng)稱。豎直范圍內(nèi)，彎曲帶上部一般為軟弱巖層和表土層，可能出現(xiàn)少數(shù)離層，彎曲帶各點(diǎn)的下沉變形值相差不大。

礦體被采出，兩幫巖層切落冒頂，采空區(qū)上覆巖層由于應(yīng)力得到釋放，“三帶”會(huì)在豎直方向下沉，引起地表移動(dòng)變形。

礦區(qū)內(nèi)地表為丘陵地帶，但高差不大，現(xiàn)取地表平均高程為250m。 礦體厚度取平均厚度3.1m。

冒裂帶高度公式如式（1）：

垮落帶公式如式（2）：

式中 M為采厚（m）；h為開(kāi)采階段垂高；Hm為垮落帶；Hli為冒裂帶。

依據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷巖柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》（2017版） 計(jì)算垮落帶及冒裂帶成果如表1。

表1 計(jì)算成果單位：m

根據(jù)表1計(jì)算成果分析，冒裂帶高度不會(huì)與上部強(qiáng)風(fēng)化巖體發(fā)生聯(lián)系。鑒于鐵礦開(kāi)采方式、開(kāi)采面積與煤礦有較大區(qū)別，采用《建筑物、水體、鐵路及主要井巷巖柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》（2017版） 經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算冒裂帶高度是保守且安全的。 “三帶理論”方法在在我國(guó)應(yīng)用范圍較廣，具有豐富的工程經(jīng)驗(yàn)，但該經(jīng)驗(yàn)公式也存在一定不足， 公式只考慮了采空埋置深度與開(kāi)采厚度， 沒(méi)有考慮圍巖物理力學(xué)性質(zhì)及風(fēng)化程度和不利節(jié)理裂隙對(duì)圍巖穩(wěn)定的影響， 可定性評(píng)價(jià)采空區(qū)上部冒裂帶與地表的聯(lián)通情況。

1.2 巖石移動(dòng)帶理論

金屬礦山的沉陷具有不連續(xù)性，且金屬礦山的塌陷具有突發(fā)性，所以金屬礦山的塌陷預(yù)測(cè)往往難以把握。 影響采空區(qū)圍巖移動(dòng)的主要因素為巖石性質(zhì)、礦體傾角、開(kāi)采深度、采空區(qū)規(guī)模等［2］。 在這種背景情況下，工程類比法不失是一種較為切實(shí)可行的方法。

巖石移動(dòng)角的大小與許多因素有關(guān)， 主要是巖石性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、礦體厚度、礦體傾角、開(kāi)采深度、采礦方法等。一般是應(yīng)用類比法，參照類似條件下礦山的實(shí)際資料及礦山設(shè)計(jì)報(bào)告選用的參數(shù)， 并綜合考慮本礦的具體條件選用結(jié)合該鐵礦實(shí)際地質(zhì)情況、圍巖強(qiáng)度、礦體埋藏深度和開(kāi)采工藝對(duì)其地表移動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究。 綜合考慮以上報(bào)告及礦山實(shí)測(cè)資料，確定地表移動(dòng)參數(shù)如下：巖石移動(dòng)角為上盤65°，下盤70°，端部按70°，第四系沉積層移動(dòng)角45°。

通過(guò)移動(dòng)角繪制鐵礦全部開(kāi)采情況下， 地表沉降影響范圍， 剖面采用該金屬礦山設(shè)計(jì)報(bào)告附圖資料，采空區(qū)地表沉陷范圍如圖2。

圖2 計(jì)算采空區(qū)地表沉陷范圍

巖石移動(dòng)帶理論是目前被行業(yè)認(rèn)可且在金屬礦山設(shè)計(jì)中被廣泛采用的方法，該方法應(yīng)用普遍，具有較多的工程經(jīng)驗(yàn)， 同時(shí)通過(guò)該方法可清晰直觀地計(jì)算出巖石沉降范圍線，繪制于平面圖之上直觀明了，但移動(dòng)角和邊界角測(cè)量需要較長(zhǎng)工作周期。

1.3 數(shù)值模擬方法

有限元模擬范圍的確定基于圣維南原理。 計(jì)算模型的幾何尺寸大致為礦區(qū)開(kāi)挖體最大尺寸的3～5倍。 根據(jù)該鐵礦儲(chǔ)量核實(shí)報(bào)告、開(kāi)發(fā)利用方案、潘家口水庫(kù)相關(guān)資料及現(xiàn)場(chǎng)勘察成果， 初步了解該鐵礦采區(qū)范圍的地層、礦脈分布等地質(zhì)情況及巷道分布，結(jié)合目前開(kāi)采情況、采區(qū)范圍、庫(kù)區(qū)和副壩，以采礦區(qū)北部邊界延伸至庫(kù)區(qū)， 建立包括整個(gè)采礦區(qū)范圍及采深在內(nèi)的數(shù)值計(jì)算模型。 模型東西長(zhǎng)1200m，南北寬500m，以-100m高程為模型底板。 各主采礦脈及間距、巷道進(jìn)行了一定程度的概化，考慮采區(qū)地質(zhì)構(gòu)造條件，走馬哨斷層經(jīng)過(guò)采區(qū)，在脖子梁附近破碎帶寬度不超過(guò)5～7m，以5m寬度建立斷層概化模型。 概化數(shù)值模型如圖3。

圖3 數(shù)值模擬工程地質(zhì)模型示意圖

考慮計(jì)算機(jī)模擬速度及模擬結(jié)果的精確性，因此在礦脈及采空區(qū)位置處的網(wǎng)格劃分應(yīng)適當(dāng)加密，而待開(kāi)采礦脈部分則相應(yīng)變稀。 在此基礎(chǔ)上生成有限差分網(wǎng)格，其中開(kāi)挖部分采用空單元模擬。模型中共劃分了2139928個(gè)單元，394438個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖4。

圖4 有限差分網(wǎng)格劃分示意圖

結(jié)合巖石試驗(yàn)、巖體力學(xué)計(jì)算分析、塌陷坑反演分析及巖體質(zhì)量分類分析等， 提出有關(guān)巖體物理力學(xué)參數(shù)建議值如表2。

表2 鐵礦采空區(qū)基本物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)上述采空區(qū)的模型建立以及計(jì)算參數(shù)的選擇， 計(jì)算成果中采空區(qū)剖面豎直位移云圖如圖5，豎直位移云圖如圖6，水平（Y方向）位移云圖如圖7。

圖5 V剖面豎直位移云圖

圖6 豎直位移云圖

圖7 水平（Y方向）位移云圖

開(kāi)采后沉降變形區(qū)范圍及變形量明顯增大，地表形成的沉降區(qū)范圍大于采空區(qū)范圍， 沉降邊緣區(qū)地表位移顯現(xiàn)水平位移和垂向位移復(fù)合特征， 以水平拉張變形為主，變形區(qū)域邊緣已逐漸延伸至庫(kù)區(qū)，在長(zhǎng)期變形條件下， 可能導(dǎo)致地表及巖體內(nèi)部出現(xiàn)一定程度的裂縫，會(huì)促進(jìn)庫(kù)區(qū)水體向采空區(qū)滲流。

通過(guò)移動(dòng)角計(jì)算方法和數(shù)值模擬法分別得到了鐵礦開(kāi)采引發(fā)的地表移動(dòng)范圍，由已計(jì)算結(jié)果可知，對(duì)比10mm沉降范圍，在現(xiàn)狀條件下，兩種方法所得沉降中心基本一致，數(shù)值模擬沉降范圍略大。

2 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合某金屬礦山采空區(qū)工程實(shí)例，分析上覆巖層移動(dòng)對(duì)地表建筑物的影響評(píng)價(jià)方法， 初步得出利用“三帶理論” 可定性評(píng)價(jià)采空區(qū)的變形破壞是否會(huì)發(fā)展到地表，利用巖石移動(dòng)帶評(píng)價(jià)方法，能定性分析采空區(qū)在地表的沉陷范圍，但不能確定對(duì)地表建筑物所處位置的沉降量大小，只能初步判斷是否會(huì)對(duì)建筑物產(chǎn)生影響，采用數(shù)值模擬結(jié)合以上兩種方法可科學(xué)有效地對(duì)采空區(qū)地表影響范圍進(jìn)行定性、定量評(píng)價(jià)。 但目前金屬礦山采空區(qū)地表沉陷范圍及對(duì)地表建筑物影響評(píng)價(jià)方法尚不完善，還有待進(jìn)一步研究。