苗勇剛，王海軍，張長鎖，趙旭林

（礦冶科技集團有限公司，北京 100160）

隨著地下礦山的開采范圍不斷擴大，導致上覆巖層發(fā)生位移、變形、冒落等情況，并波及到地表，通常會引起地表沉降、地面建（構(gòu)）筑物變形破壞，嚴重影響礦區(qū)的生產(chǎn)生活。如何最大限度地開采礦產(chǎn)資源，同時又能夠控制地表沉降變形，是影響礦山可持續(xù)發(fā)展的主要問題。在調(diào)查某地下金屬礦生產(chǎn)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，建立礦區(qū)三維模型，采用數(shù)值模擬方法分析研究該礦山地下開采引起的地表沉陷和建（構(gòu)）筑物的移動變形，為深部礦體開采提供指導意見，保證礦山的正常運營。

1 工程概況

礦體開采深度從地表出露最大標高940～-800 m 范圍，根據(jù)礦體賦存條件、現(xiàn)有設(shè)計及設(shè)施情況，礦體從上到下一共分為五個采區(qū)：400 m 以上為一采區(qū)；400～0 m 為二采區(qū)、0～-200 m 為三采區(qū)、-200～-550 m 為四采區(qū)、-550～-800 m 為五采區(qū)。礦山采用多中段、多維度生產(chǎn)方式，采區(qū)內(nèi)采用自下而上的回采順序。隨著上部礦體采空，重點生產(chǎn)區(qū)域已轉(zhuǎn)至400 m 中段以下深部采區(qū)，目前主要開采倒轉(zhuǎn)翼主礦體、600 m 以下礦體，采場出礦主要集中在700 m 中段、450 m 中段、350 m 中段、300 m 中段、200 m 中段、100 m 中段和50 m 中段。其他中段，如550 m 中段、500 m 中段、400 m 中段、150 m 中段、0 m 中段已基本回采充填完畢。針對礦體的不同賦存條件，礦山主要采用大直徑深孔落礦階段空場嗣后充填采礦法和中深孔分段鑿巖階段空場嗣后充填采礦法。為進一步分析井下采動對地表沉降的影響，根據(jù)礦體埋深、厚度、地質(zhì)條件以及礦巖體的變形、應力大小，在地表沉降區(qū)選取了3 個典型剖面，對地表移動盆地附近的地表構(gòu)筑物2#副井、2#充填站、高位水池進行沉降規(guī)律分析。

2 數(shù)值模擬方案

2.1 模型建立

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查資料，考慮主要影響因素，對數(shù)值模型進行一定的簡化處理。為滿足計算需要和保證計算精度，巖體擾動范圍設(shè)計為開挖范圍的3～5 倍，數(shù)值模型尺寸為長×寬×高=5 880 m×5 900 m×4 000 m，礦體模型按照50 m 的中段高度劃分開采單元。結(jié)合礦體賦存的實際情況以及規(guī)劃的開采情況，運用Midas GTS NX 建立某金屬礦全礦范圍內(nèi)大型三維精細化模型，如圖1 所示。

圖1 大型三維精細化模型Fig.1 Large 3D refinement model

為保證開挖礦體計算精度以及提高計算速度，開采范圍內(nèi)的礦體網(wǎng)格劃分比較密集，遠離礦體范圍的圍巖部分網(wǎng)格劃分逐漸變大，礦體部分網(wǎng)格精度最小為3 m，最大為6 m，共劃分為846 443 個單元，325 700 個節(jié)點。巖體采用Mohr-Coulomb 彈塑性本構(gòu)模型，對礦體開采過程中覆巖的沉降問題進行計算分析。

2.2 假設(shè)條件

在數(shù)值模擬過程中，需要對礦山地質(zhì)條件、礦體開挖等進行必要假設(shè)：①礦體、圍巖以及充填體均視為各向同性材料；②每個計劃期內(nèi)采場開挖、充填均為一次性完成[1]。

2.3 邊界條件

邊界條件：①數(shù)值模型前后邊界、左右邊界面施加水平方向約束，初始水平位移為0；②模型底部邊界面水平、垂直初始位移均為0；③模型頂部為自由邊界；④根據(jù)地應力測試結(jié)果，模型前后邊界、左右邊界面施加隨深度增加的水平應力。根據(jù)地應力分布規(guī)律，深度每增加100 m，水平方向最大分量應力增加3.0～4.5 MPa。

2.4 巖體力學參數(shù)

通過以往研究資料、室內(nèi)試驗，綜合巖體質(zhì)量評價得出巖體力學參數(shù)，數(shù)值模擬研究礦體巖性為黃鐵礦，圍巖為凝灰?guī)r巖性，充填體為全尾砂充填材料。充填體巖體參數(shù)參考類似礦山及該礦充填體強度檢測結(jié)果，按照充填體的平均灰砂比1︰8，計算所得充填體的物理力學參數(shù)，巖體力學參數(shù)具體見表1。

表1 巖體介質(zhì)的力學參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of rock media

2.5 數(shù)值計算方案

數(shù)值模擬研究范圍為全部礦體，根據(jù)開采技術(shù)條件及礦山生產(chǎn)影響，礦體開挖并充填后，由于開采擾動引起巖層移動并波及地表，通常會在開采礦體上部地表形成一個大于開采范圍的地表移動盆地。在地表沉降區(qū)選取了3 個典型剖面線：1 號剖面線垂直勘探線布設(shè)，通過高位水池、1#充填站；2 號剖面線垂直勘探線布設(shè)，通過新北風井、2#充填站；3 號剖面線通過2#副井，對以上地表建（構(gòu)）筑物進行沉降規(guī)律分析，典型剖面線位置如圖2 所示。

圖2 地表總體沉降等值線圖Fig.2 Contour map of overall surface subsidence

礦山采用多中段、多維度的生產(chǎn)方式，其中，中段高度為50 m，根據(jù)礦體形態(tài)，開采技術(shù)條件，為簡化模擬過程，將1 生產(chǎn)計劃期～15 生產(chǎn)計劃期分為七個階段進行逐步開采。

1）第一階段。1 生產(chǎn)計劃期～4 生產(chǎn)計劃期開采的礦體：II 礦體550 m 中段、600 m 中段；主礦體50 m 中段、200 m 中段、700 m 中段、-500 m 中段；13線礦體450 m 中段、100 m 中段。

2）第二階段。5 生產(chǎn)計劃期～6 生產(chǎn)計劃期開采的礦體：II 礦體500 m 中段；主礦體350 m 中段、150 m 中段、-50 m 中段；13 線礦體600 m 中段；正常翼礦體600 m 中段。

3）第三階段。7 生產(chǎn)計劃期開采的礦體：正常翼礦體550 m 中段；13 線礦體350 m 中段；主礦體825～775 m 中段、750～725 m 中段、-100 m 中段、-250 m 中段、-300 m 中段。

4）第四階段。8 生產(chǎn)計劃期開采的礦體：正常翼礦體500 m 中段；主礦體100 m 中段、-450 m 中段。

5）第五階段。9 生產(chǎn)計劃期開采的礦體：主礦體250 m 中段、-200 m 中段、-400 m 中段；13 線礦體250 m 中段。

6）第六階段。10 生產(chǎn)計劃期開采的礦體：主礦體-150 m 中段、-350 m 中段；正常翼礦體400 m 中段、450 m 中段。

7）第七階段。11 生產(chǎn)計劃期～15 生產(chǎn)計劃期開采的礦體：主礦體-600 m 中段、-800 m 中段；正常翼礦體250～350 m 中段。

3 數(shù)值計算結(jié)果分析

應用Midas GTS NX 對該礦井下開采數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，-800 m 中段開采充填結(jié)束后對礦區(qū)地表、礦體上下盤產(chǎn)生了不同程度的移動和變形，并且在地表形成了近似圓形的沉降等值線。開采并充填采空區(qū)后礦區(qū)地表的總體沉降如圖2 所示。由圖2 可知，地表最大總位移為17.43 mm，位于1#充填站東側(cè)180 m，2#副井地表總位移為9.33 mm，高位水池總位移為7.94 mm，1#充填站地表總位移為11.05 mm，2#充填站地表總位移為14.25 mm，新北風井地表總位移為13.44 mm。

3.1 地表構(gòu)筑物沉降影響分析

統(tǒng)計1 號剖面線、2 號剖面線、3 號剖面線上第一階段～第七階段內(nèi)礦體開采充填后地表的移動和變形量。

3.1.1 水平位移

1）1 號剖面線和2 號剖面線水平位移。圖3 為1 號剖面線和2 號剖面線第一階段～第七階段開采充填后地表Y方向水平位移云圖。由圖3 可知，第一階段～第七階段逐步開采過程中，1 號剖面線、2 號剖面線地表水平位移逐漸增大，在各階段開采充填完成后，地表在Y方向上的變形呈現(xiàn)了兩大區(qū)域，北部的位移值顯示負，表示其在向南移動，其最大位移值為4.86 mm；南部的位移值顯示為正，表示其在向北移動，其最大位移值為-3.84 mm。由此可以看出，礦體兩翼位移向中間擠壓變形。圖4 和圖5 為1 號剖面線和2 號剖面線第一階段～第七階段開采充填后地表Y方向水平位移曲線。由圖4 和圖5 可知，地表水平位移為0 的點分別位于移動盆地中心和遠離移動盆地的位置，1#充填站地表、高位水池、新北風井地表和2#充填站地表主要向采空區(qū)方向發(fā)生了水平位移，最大水平位移為-1.86 mm。

圖3 1 號剖面線和2 號剖面線第一階段～第七階段開采充填后地表Y 方向水平位移云圖Fig.3 Horizontal displacement cloud map in Y-direction of profile lines No.1 and No.2 after excavation and filling in the first to seventh stages

圖4 1 號剖面線地表Y 方向水平位移曲線Fig.4 Horizontal displacement curves in Y-direction of profile line No.1

圖5 2 號剖面線地表Y 方向水平位移曲線Fig.5 Horizontal displacement curves in Y-direction of profile line No.2

2）3 號剖面線水平位移。圖6 為3 號剖面線第一階段～第七階段開采充填后地表X方向水平位移云圖。由圖6 可知，第一階段～第七階段逐步開采過程中，X方向水平位移逐漸增大。地表水平位移為0 的點位于移動盆地中心和遠離移動盆地的位置。在各階段開采充填完成后地表在X方向上的變形呈現(xiàn)了兩大區(qū)域，右邊的位移值顯示負，表示其在向左移動，在開采到第七階段時水平位移達到最大，為-6.91 mm；左邊的位移值顯示為正，表示其在向右移動，最大位移值為5.39 mm。由此可以看出，在礦體的上下盤兩邊的位移向中間擠壓變形。圖7 為3 號剖面線第一階段～第七階段開采充填后X方向水平位移曲線。由圖7 可知，2#副井所處的地表主要向采空區(qū)方向發(fā)生了水平位移，最大水平位移為4.94 mm[2-3]。

圖6 3 號剖面線第一階段～第七階段開采充填后地表X 方向水平位移云圖Fig.6 Horizontal displacement cloud map in X-direction of profile line No.3 after excavation and filling in the first to seventh stages

圖7 3 號剖面線地表X 方向水平位移曲線Fig.7 Horizontal displacement curves in X-direction of profile line No.3

3.1.2 垂直位移

該金屬礦采用多中段、多維度的生產(chǎn)方式，可以很好地控制開采過程中地表沉降的問題。圖8 為1號剖面線和2 號剖面線第一階段～第七階段開采充填后地表Z方向垂直位移云圖。由圖8 可知，第七階段礦體開采充填后地表沉降等值線呈似橢圓形，沉降量最大的區(qū)域主要集中在主礦體頂部上盤區(qū)域，上盤錯動角較小，下盤錯動角較大，整體沉降以筒型為主[4-5]。

圖8 1 號剖面線和2 號剖面線第一階段～第七階段開采充填后地表Z 方向垂直位移云圖Fig.8 Vertical displacement cloud map in Z-direction of profile lines No.1 and No.2 after excavation and filling in the first to seventh stages

1 號剖面線和2 號剖面線第一階段～第七階段依次開采充填后地表Z方向沉降曲線圖如圖9 和圖10 所示。由圖9 和圖10 可知，隨著開采面積逐漸增大，地表沉降量不斷增大，最大沉降量16.77 mm，2#副井地表最大沉降為7.88 mm。高位水池地表最大沉降為8.86 mm，1#充填站地表最大沉降為10.38 mm，新北風井地表最大沉降為9.64 mm，2#充填站地表最大沉降為10.29 mm。

圖9 1 號剖面線地表Z 方向沉降曲線Fig.9 Surface settlement curves in Z-direction of profile line No.1

圖10 2 號剖面線地表Z 方向沉降曲線Fig.10 Surface settlement curves in Z-direction of profile line No.2

3.1.3 傾斜變形

在1 號剖面線上，高位水池處地表傾斜最大值為-0.014 mm/m，水平變形最大值為-0.012 mm/m，最大曲率為0.114×10-3mm/m2。1#充填站處地表傾斜最大值為-0.001 mm/m，水平變形最大值為-0.01 mm/m，最大曲率為-0.033×10-3mm/m2；在2 號剖面線上，新北風井處地表傾斜最大值為0.006 mm/m，地表水平變形最大值為-0.005 mm/m，最大曲率為0.033×10-3mm/m2。2#充填站處地表傾斜最大值為0.007 mm/m，水平變形最大值為-0.005 mm/m，最大曲率為-0.016×10-3mm/m2；在3 號剖面線上，通過地表沉降變形的傾斜量可以發(fā)現(xiàn)，礦體上盤沉降變形較緩，下盤沉降起伏較大。根據(jù)計算結(jié)果，第七階段開采充填后，2#副井處地表傾斜最大值為-0.020 mm/m，地表水平變形最大值為-0.012 mm/m，最大曲率為0.03×10-3mm/m2。地表主要建（構(gòu)）筑物的水平變形、傾斜曲線、曲率曲線如圖11～圖19 所示。根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》，I 級保護對象允許的地表傾斜變形<±3 mm/m、曲率<±0.2 mm/m2、水平變形<±2 mm/m，2#副井、高位水池、1#充填站、新北風井、2#充填站地表位置變形均小于最大允許變形。因此，地表及地表主要的建（構(gòu)）筑物不會出現(xiàn)明顯的沉陷問題。

圖11 1 號剖面線地表傾斜曲線Fig.11 Surface inclined curves of profile line No.1

圖12 1 號剖面線地表曲率曲線Fig.12 Surface curvature curves of profile line No.1

圖13 1 號剖面線地表水平變形曲線Fig.13 Surface horizontal deformation curves of profile line No.1

圖14 2 號剖面線地表傾斜曲線Fig.14 Surface inclined curves of profile line No.2

圖15 2 號剖面線地表曲率曲線Fig.15 Surface curvature curves of profile line No.2

圖16 2 號剖面線地表水平變形曲線Fig.16 Surface horizontal deformation curves of profile line No.2

圖17 3 號剖面線地表傾斜曲線Fig.17 Surface inclined curves of profile line No.3

圖18 3 號剖面線地表曲率曲線Fig.18 Surface curvature curves of profile line No.3

圖19 3 號剖面線地表水平變形曲線Fig.19 Surface horizontal deformation curves of profile line No.3

4 結(jié)語

通過數(shù)值模擬結(jié)果可知，該金屬礦-800 m 中段開采充填結(jié)束后，礦區(qū)地表、礦體上下盤產(chǎn)生了不同程度的移動和變形，并且在地表形成了近似圓形的地表移動盆地。由于該礦礦體傾角較大，礦體形態(tài)中等，厚度變化及主要組分變化均屬較均勻型，并且使用充填采礦方法可以有效地控制井下采動對巖體的擾動影響。

利用Midas 分析了地下開采對地表沉降的影響，礦山全部開采充填完后，地表水平方向累計最大位移為-7.33 mm，垂直方向累計最大位移為16.77 mm，并且分別計算了2#副井、新北風井、高位水池、1#充填站、2#充填站處地表的位移和變形值。根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》規(guī)定的I 級保護對象允許變形值，上述地表建（構(gòu)）筑物變形模擬計算結(jié)果均小于規(guī)范允許變形值，因此，地下開采對地表建（構(gòu)）筑物變形基本無影響。