宋旻，鄧飛，張?jiān)撼?/p>

(江西理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院， 江西 贛州市 341000)

0 引言

我國(guó)有著較為發(fā)達(dá)的礦產(chǎn)業(yè)，礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量極為豐富，多種礦物產(chǎn)量及儲(chǔ)量位居世界第一。從家用電器到國(guó)防軍工再到航空航天，都離不開(kāi)礦產(chǎn)業(yè)的有力支撐，礦產(chǎn)資源作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)材料和重要的戰(zhàn)略物資，關(guān)系到國(guó)民經(jīng)濟(jì)命脈和國(guó)家安全，因此必須持續(xù)優(yōu)化礦業(yè)開(kāi)發(fā)結(jié)構(gòu)，推進(jìn)我國(guó)礦業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展[1-2]。然而，隨著國(guó)內(nèi)各大礦山地下開(kāi)采規(guī)模的不斷擴(kuò)大，各類生產(chǎn)事故及地質(zhì)災(zāi)害事故不斷發(fā)生，每年都有大量因采空區(qū)陷落引起的地表沉陷變形災(zāi)害發(fā)生。因此，礦山地表及巖層移動(dòng)問(wèn)題的研究需求變得越來(lái)越迫切，我國(guó)對(duì)此投入了大量的研究[3-5]。急傾斜礦體由于開(kāi)采條件及應(yīng)力作用的復(fù)雜性，造成的巖移運(yùn)移特征與其他傾角礦體迥然不同，其開(kāi)采被視為世界公認(rèn)的難題，近年來(lái)逐漸成為一個(gè)新興的研究方向[6-8]。因此，研究急傾斜礦體巖移規(guī)律對(duì)于地下井巷工程及地面建構(gòu)筑物的保護(hù)具有非常重要的價(jià)值。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)急傾斜礦體的巖移問(wèn)題開(kāi)展了大量研究工作，許夢(mèng)國(guó)等基于室內(nèi)相似模擬試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法，分析了深部塌陷坑移動(dòng)角和地表圍巖隨開(kāi)采深度的變化規(guī)律[9]；郭延輝等基于離散單元法3DEC，分析了不同原巖應(yīng)力下厚度及傾角對(duì)急傾斜礦體開(kāi)采巖移規(guī)律的影響[10]；方建勤等分析了構(gòu)造應(yīng)力影響下的礦山開(kāi)采后引起巖層移動(dòng)產(chǎn)生宏觀破壞特征的力學(xué)機(jī)理[11]；趙海軍等采用數(shù)值模擬的方法，對(duì)急傾斜礦體在高構(gòu)造應(yīng)力和自重應(yīng)力2種條件下的巖移特征進(jìn)行對(duì)比分析，提出了原巖應(yīng)力場(chǎng)中作為特征量的最大主壓應(yīng)力的取向?qū)r移行為的影響是使得兩者巖移產(chǎn)生差異的根本原因[12]。

綜上，已有的研究主要圍繞不同巖移影響因素和不同原巖應(yīng)力下急傾斜礦體巖移規(guī)律開(kāi)展，分析其開(kāi)采后的巖層運(yùn)移特征規(guī)律及宏觀機(jī)理。然而，埋藏深度作為巖層移動(dòng)主要影響因素之一，目前對(duì)其研究還較少，因此，本文對(duì)此展開(kāi)研究。

1 計(jì)算模型設(shè)計(jì)及計(jì)算方案

數(shù)值模擬采用基于有限差分的FLAC3D軟件，計(jì)算模型概化圖如圖1所示，模型塊體長(zhǎng)為1000 m，豎直方向高度為400 m，礦體厚度為30 m，傾角為60°，傾向長(zhǎng)度垂直分量取150 m，分為5個(gè)30 m高的階段從上至下依次開(kāi)采，礦體埋深為a，計(jì)算時(shí)分別取15 m、45 m、75 m、105 m、135 m、165 m，開(kāi)挖后采空區(qū)不進(jìn)行處理。模型采用平面應(yīng)變，模型左右邊界約束水平方向位移，底邊界約束水平和豎直方向位移，模型整體約束所有縱向方向位移。選用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型進(jìn)行模擬，礦巖物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。將FLAC3D模擬計(jì)算的地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)垂直位移輸出，繪制得到地表垂直位移曲線和傾斜值曲線。

圖1 計(jì)算模型概化

2 地表巖移規(guī)律對(duì)比分析

不同埋深下地表垂直位移變化曲線如圖2所示。由圖2可知：

（1）隨著埋深的增加，垂直位移曲線開(kāi)口越來(lái)越大，沉降總量呈逐步增大趨勢(shì)；

（2）地表最大沉降值都在初期隨著埋深增加時(shí)有所減小，直至最后保持穩(wěn)定，如15 m埋深時(shí)的地表最大沉降值達(dá)到最大，隨后逐漸減少，直到75 m埋深時(shí)最大沉降值開(kāi)始保持穩(wěn)定不變，75 m、105 m、135 m、165 m埋深時(shí)地表最大沉降值幾乎接近。

圖2 地表沉降值隨埋深變化曲線

圖3為地表傾斜值隨埋深變化的曲線，表1為巖體力學(xué)參數(shù)。

圖3 地表傾斜值隨埋深變化曲線

由圖3可知，傾斜值總體的變化趨勢(shì)是在靠近開(kāi)挖區(qū)域時(shí)，埋深越小，地表傾斜值越大，當(dāng)遠(yuǎn)離開(kāi)挖區(qū)域達(dá)到一定距離時(shí)，如在500～600 m距離范圍內(nèi)，小埋深的傾斜值開(kāi)始加速減小，直至最終原地表大埋深的傾斜值開(kāi)始變得大于小埋深的傾斜值，即大埋深對(duì)遠(yuǎn)離采空區(qū)地表的影響大于小埋深。另外，若以垂直位移達(dá)到或超過(guò)變形標(biāo)準(zhǔn)值（10 mm）視為地表破壞點(diǎn)依據(jù)[13]，可得在僅改變礦體埋深的條件下，礦體開(kāi)采后地表上下盤移動(dòng)角隨埋藏深度的變化規(guī)律,計(jì)算得到在埋藏深度為15 m、45 m、75 m、105 m、135 m、165 m時(shí)的上盤移動(dòng)角分別為65.4°、60.3°、57.3°、55.4°、54.1°、53.4°。由此分析可得，急傾斜礦體開(kāi)采時(shí)，隨著埋深增加，影響范圍越來(lái)越大，移動(dòng)角越來(lái)越小，而移動(dòng)角對(duì)埋深變化的敏感度越來(lái)越低，減小的速率逐漸變小。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)

3 采空區(qū)上下盤圍巖運(yùn)移對(duì)比分析

圖4是采空區(qū)上下盤圍巖隨埋深變化的位移云圖，由圖4分析可得出以下規(guī)律。

（1）上盤圍巖隨埋深增加，移動(dòng)影響范圍有所增大，最大巖移值表現(xiàn)為先少量減少而后增大的趨勢(shì)，最大巖移值在45 m埋深時(shí)達(dá)到最小值4.28 cm；在75 m埋深時(shí)最大巖移值增大至4.51 cm，但未超過(guò)初始15 m埋深的最大巖移值；75 m埋深之后，最大巖移值以一定速率緩步增大，最終變得大于15 m埋深的最大巖移值。這是由于當(dāng)?shù)V體賦存在地表淺部的15～45 m埋深范圍內(nèi)時(shí)，隨著埋深在地表淺部范圍內(nèi)的增加，采空區(qū)對(duì)巖層的擾動(dòng)處于一種弱性發(fā)展階段，即擾動(dòng)范圍有所增大但最大影響值略微減小，埋深越大，礦體上盤巖移傳遞到地表的距離越遠(yuǎn)，因此反映到地表最大沉降值就是45 m和75 m埋深時(shí)最大沉降值減少較快。另外由于75 m埋深后隨著埋深逐步增加，上盤巖移值以一定速率較為均勻地增大，因此最終傳遞到地表的最大沉降值也逐漸保持穩(wěn)定。

（2）下盤圍巖最大沉降值隨著埋深增大而一直增大，而移動(dòng)影響范圍有所減小。

圖4 不同埋深下的上下盤圍巖位移云圖

4 結(jié)論

（1）急傾斜礦體開(kāi)采時(shí)，隨著埋深增加，地表沉降總量呈逐步擴(kuò)大的趨勢(shì)，地表最大沉降值在初期有所減小，直至最終保持穩(wěn)定后幾乎不產(chǎn)生變化。

（2）既定條件下，靠近采空區(qū)處地表變形值與埋深成反比，但當(dāng)逐漸遠(yuǎn)離開(kāi)挖區(qū)地表時(shí)，小埋深的傾斜值開(kāi)始加速減小，直至最終原地表大埋深的傾斜值開(kāi)始變得大于小埋深的傾斜值。

（3）不同質(zhì)量等級(jí)圍巖下急傾斜礦體開(kāi)采時(shí)，隨著埋深增加，影響范圍越來(lái)越大，移動(dòng)角越來(lái)越小，而移動(dòng)角對(duì)埋深變化的敏感度越來(lái)越低，減小的速率逐漸變小。

（4）隨著埋深增加，上盤圍巖最大移動(dòng)變形值先少量減小而后逐步增大，巖移影響范圍越來(lái)越大，下盤圍巖最大移動(dòng)變形值一直增大，而移動(dòng)影響范圍逐漸減小。