摘要：為科學(xué)預(yù)測礦山地下開采對村莊、民房等建（構(gòu)）筑物的安全影響，防止開采活動造成建（構(gòu)）筑物的破壞，根據(jù)礦山地質(zhì)和設(shè)計(jì)資料，利用地表巖移變形理論對主要礦體的地表最大下沉值、影響半徑、地表最大傾斜率、地表最大曲率和地表最大水平變形值進(jìn)行計(jì)算，確定理論上的保護(hù)等級；采用Flac3D數(shù)值模擬軟件對礦山的開采過程進(jìn)行模擬，分析和總結(jié)了地表沉降值及地表變形的變化規(guī)律。通過理論公式計(jì)算，得出了礦區(qū)地表最大傾斜率、曲率和水平變形值分別為0.063 mm/m、1.6×10-6m-1、3.7 mm/m，小于地表建（構(gòu)）筑物保護(hù)等級對應(yīng)的允許變形值，且地表變形值與所設(shè)置地表監(jiān)測點(diǎn)的位移數(shù)據(jù)相符。研究結(jié)果表明，在按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行開采的基礎(chǔ)上，礦山開采引起的地表變形不會對地表建（構(gòu)）筑物安全造成威脅，為礦山建設(shè)和安全生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬；地表變形；構(gòu)筑物保護(hù)；房柱采礦法；嗣后充填

中圖分類號：TD327 文章編號：1001-1277（2024）03-0015-05

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi：10.11792/hj20240304

引 言

地表沉降是礦山開采過程中普遍存在的地質(zhì)問題。雖不像構(gòu)造型巖體破壞那樣猛烈，但對地下礦山的巷道、硐室、地表建（構(gòu)）筑物等造成嚴(yán)重破壞，威脅人類的生活和工作環(huán)境。秉持著國家大力倡導(dǎo)的可持續(xù)發(fā)展理念，國內(nèi)礦山開采逐漸拋棄“先開采、后治理”的模式［1］。

隨著數(shù)學(xué)方法逐漸普及和數(shù)值模擬軟件的大力開發(fā)，越來越多的數(shù)學(xué)模擬方法被應(yīng)用到地下開采對地表建（構(gòu)）筑物穩(wěn)定性影響的研究中，取得了較好的應(yīng)用效果。趙海軍等［2-5］采用Flac3D數(shù)值模擬軟件對急傾斜礦體在自重應(yīng)力與構(gòu)造應(yīng)力工況下的巖體特征、變形機(jī)理進(jìn)行分析，結(jié)果表明在構(gòu)造應(yīng)力條件下地表呈現(xiàn)雙沉降中心，自重應(yīng)力條件下地表呈現(xiàn)單沉降中心；李文秀等［6-8］對礦山地下回采過程引發(fā)的地表變形及巖層移動變形進(jìn)行模擬，結(jié)果表明回采過程中的巖層移動是連續(xù)變化的過程，通過分析結(jié)果成功預(yù)測了地表移動帶的范圍；袁仁茂等［9］在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，采用理論力學(xué)的計(jì)算方法對急傾斜厚大礦體地下開采過程進(jìn)行模擬，結(jié)合地表監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，可知礦體厚度對回采過程中的地表巖移顯現(xiàn)具有明顯的影響。

工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、采礦方法等是影響礦區(qū)地表建（構(gòu)）筑物穩(wěn)定性的主要因素，其中包括礦床的開采深度、階段高度、礦體傾角、地質(zhì)構(gòu)造、礦體及圍巖特性等［10］。為探究地下礦山開采的影響范圍，評估地表建（構(gòu)）筑物的安全程度，指導(dǎo)礦山安全生產(chǎn)，本文采用Flac3D數(shù)值模擬軟件模擬某礦山開采后地表巖移變形情況，并通過數(shù)據(jù)處理，確認(rèn)地下開采活動造成的影響是否在地表建（構(gòu)）筑物的保護(hù)等級允許范圍內(nèi)。

1 礦山現(xiàn)狀

該礦山設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為15萬t/a，目前主要生產(chǎn)中段為-10 m、-70 m、-130 m、-190 m、-220 m、-250 m、-280 m、-340 m中段。采用豎井開拓方式和機(jī)械抽出對角式通風(fēng)，主豎井擔(dān)任提升和進(jìn)風(fēng)。礦區(qū)主要為緩傾斜薄和中厚礦體，礦體連續(xù)性和規(guī)律性差，產(chǎn)狀變化頻繁，主要采用房柱采礦法（嗣后充填）開采，整個(gè)開采中段自上而下階段回采，中段內(nèi)自回風(fēng)井向提升井后退式回采，礦房內(nèi)自下而上分層回采。為提高開采強(qiáng)度，可保持3個(gè)礦房同時(shí)作業(yè)，一般是切割、拉底回采和挑頂回采。為了有效控制地壓，各工作面間保持距離10～15 m。

礦區(qū)處于丘陵地貌單元，地形有利于排水，地貌條件簡單；開采范圍內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造簡單，巖溶不發(fā)育；區(qū)內(nèi)礦體及圍巖以塊狀結(jié)構(gòu)及層狀結(jié)構(gòu)為主，巖性較單一，頂?shù)装鍘r石力學(xué)強(qiáng)度高，穩(wěn)固性較好。根據(jù)礦體延伸及回采現(xiàn)狀，礦區(qū)周圍環(huán)繞著“流淌線”鄉(xiāng)村公路，有多個(gè)村落聚集，其中北部的土堆村南部位于463勘探線—472勘探線的地表移動帶內(nèi)。

2 地表巖移變形理論分析

礦區(qū)資源整合后，位于460勘探線—492勘探線的主要礦體為S2-4、S2-14、S2-15、T-98、S2-1a、T3-2、T3-12、S2-16礦體。

根據(jù)礦山開采沉陷理論，對于地表變形，可通過計(jì)算地表水平變形值、地表最大傾斜率和地表曲率來判斷，若這3個(gè)數(shù)值全部在安全允許范圍內(nèi)，則認(rèn)為地表安全。地表建（構(gòu)）筑物保護(hù)等級見表1。

1）地表最大下沉值W0為：

W0=Mqcos α（1）

式中：M為礦體厚度（m）；q為下沉系數(shù)，q=0.5×（0.9+p），金屬礦山地表沉陷的下沉系數(shù)顯著減小，考慮該礦區(qū)充填率達(dá)到50 %以上，按經(jīng)驗(yàn)值，q一般取0.1；α為礦體傾角（°）。

2）影響半徑r為：

r=h/tan β（2）

式中：h為開采深度（m）；β為主要影響角（°）。

3）地表最大傾斜率i0為：

i0=±W0/r（3）

4）地表最大曲率K0為：

K0=±W0/r2（4）

5）地表最大水平變形值ε0為：

ε0=±1.512bW0/r（5）

式中：b為水平移動系數(shù)。

根據(jù)上述公式，計(jì)算得出的結(jié)果見表2。

3 地表變形特征數(shù)值模擬分析

根據(jù)礦區(qū)礦床地形地質(zhì)圖及460勘探線—492勘探線地質(zhì)剖面圖，通過Rhinoceros和griddle建立礦區(qū)三維模型，采用Flac3D數(shù)值模擬軟件模擬礦山的回采、充填過程。

3.1 巖體特性參數(shù)

依據(jù)研究范圍內(nèi)地質(zhì)資料和現(xiàn)場調(diào)查情況，模擬中巖石本構(gòu)模型采用莫爾–庫侖塑性模型，對礦山已有的室內(nèi)巖石試樣試驗(yàn)結(jié)果參數(shù)進(jìn)行折減，折減后得到的礦（巖）體物理力學(xué)參數(shù)見表3。

3.2 采-充過程模擬計(jì)算方案

依據(jù)研究范圍內(nèi)采場布置情況對實(shí)體模型進(jìn)行區(qū)域劃分和定義，然后依據(jù)150～0 m中段回采和礦房礦柱回采順序進(jìn)行采-充過程模擬計(jì)算。實(shí)際生產(chǎn)過程中，采用廢石充填采空區(qū)，廢石大小不一等導(dǎo)致不能密實(shí)接頂，按照96 %的充填率，留有高度為礦體厚度4 %的間隙，為頂板冒落提供補(bǔ)償空間，故模擬時(shí)采用不接頂充填。

3.3 垂直位移云圖分析

礦體開挖后，未充填時(shí)圍巖垂直位移云圖見圖1，充填后圍巖垂直位移云圖見圖2。由圖1、圖2可知：礦體開挖后，圍巖應(yīng)力重新調(diào)整，采空區(qū)上、下盤圍巖出現(xiàn)位移集中，位移以礦體中心為中心向四周位移逐漸減少。對比深部與淺部礦體開采影響，淺部影響較大，充填前后不改變位移分布規(guī)律，但數(shù)值上有明顯降低。

通過Flac3D數(shù)值模擬軟件中的history命令記錄150～0 m中段下向礦房礦柱交替采-充過程中上下盤的垂直位移量，結(jié)果見表4。由表4可知：礦體在150 m、125 m、100 m、75 m、50 m、25 m、0 m中段以上礦房回采產(chǎn)生的上盤最大垂直位移為-4.7～-28.4 mm，下盤最大垂直位移為-2.7～-22.9 mm；充填后產(chǎn)生的上盤最大垂直位移為-4.2～-24.6 mm，下盤最大垂直位移為-2.5～-21.7 mm。

3.4 地表建（構(gòu)）筑物安全等級確定

根據(jù)GB 50771—2012 《有色金屬采礦設(shè)計(jì)規(guī)范》，礦區(qū)地表建（構(gòu)）筑物中民房保護(hù)等級為Ⅱ級，則采用以下公式確定該安全等級下各參數(shù)的值。

1）地表傾斜率計(jì)算公式為：

式中：in為n點(diǎn)處的傾斜率（mm/m）;Wn為n點(diǎn)處的下沉值（mm）;Ln-（n+1）為地表n點(diǎn)與n+1點(diǎn)的水平距離（m）。

2）曲率計(jì)算公式為：

式中：Kn為地表n點(diǎn)的曲率（m－1）。

3）水平變形值計(jì)算公式為：

式中：εn為地表n點(diǎn)的水平變形值（mm/m）;Hn 為地表n點(diǎn)的水平移動值（mm）。

根據(jù)上述要求，選取460勘探線、463勘探線、464勘探線、468勘探線、480勘探線、484勘探線、488勘探線、492勘探線剖面，并在其中布置了30個(gè)地表監(jiān)測點(diǎn)，分別記錄其在采用房柱采礦法（嗣后充填）回采及不進(jìn)行充填情況下的垂直位移、水平位移等相關(guān)數(shù)據(jù)?？碧骄€位置、地表監(jiān)測點(diǎn)、地表構(gòu)筑物位置關(guān)系見圖3。采空區(qū)及時(shí)充填后監(jiān)測點(diǎn)的垂直位移變化見圖4，采空區(qū)未及時(shí)充填時(shí)監(jiān)測點(diǎn)的垂直位移變化見圖5。

通過數(shù)值模擬得到了礦山開采后地表垂直位移、水平位移，進(jìn)一步對地表變形值進(jìn)行計(jì)算和分析，在位移云圖上沿勘探線提取地表位移數(shù)據(jù)。根據(jù)地表位移數(shù)據(jù)，代入式（6）、式（7）和式（8）進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表5、表6。由表5、表6可知：充填開采后，各勘探線上的地表最大傾斜率為0.063 mm/m，最大曲率為1.6×10-6 m-1，地表最大水平變形值為3.7 mm/m，滿足Ⅱ級建（構(gòu)）筑物變形允許值要求。采空區(qū)未充填時(shí)，各勘探線上的地表最大傾斜率為0.174 mm/m，最大曲率為2.6×10-5 m-1，地表最大水平變形值為6.5 mm/m，滿足保護(hù)等級Ⅲ級建（構(gòu)）筑物變形允許值要求。計(jì)算結(jié)果表明，礦山采用充填開采后引起的地表變形對地表建（構(gòu)）筑物影響輕微，并且有效地降低了地表水平變形值，提高了保護(hù)等級。

由表5、表6可知：充填開采后，礦區(qū)460勘探線—492勘探線剖面所包含的礦體最大水平變形值為2.0～3.7 mm/m，最大傾斜率為14×10-3～63×10-3 mm/m，最大曲率為60×10-8～160×10-8m-1。對礦區(qū)進(jìn)行連續(xù)3年的監(jiān)測，在3年監(jiān)測期內(nèi)，礦區(qū)地表測點(diǎn)的沉降量較小（＜10 mm），屬于毫米級變化，并且實(shí)測值與模擬值相符。

這表明礦區(qū)地下礦床開采對地表沉降變形影響較小，采空區(qū)充填治理效果良好，對地表及后期生產(chǎn)不會造成安全隱患。礦體地下開采并充填后，地表變形不影響周圍建（構(gòu)）筑物的安全，所有建（構(gòu)）筑物變形都處于其保護(hù)等級允許范圍內(nèi)。

4 結(jié) 論

本次研究綜合采用了理論分析和數(shù)值模擬2種方法，得到以下結(jié)論：

1）根據(jù)礦山開采沉陷理論，通過計(jì)算得到了礦體開采引起的地表最大傾斜率、最大曲率、最大水平變形值，按照GB 50771—2012 《有色金屬采礦設(shè)計(jì)規(guī)范》，均小于要求允許值，滿足Ⅱ級保護(hù)等級要求。

2）綜合該礦山實(shí)際礦體分布和地表建（構(gòu)）筑物分布情況，選取了8個(gè)剖面作為分析研究對象。數(shù)值模擬分析結(jié)果表明，地下礦體開采后，會引起覆巖及地表的變形，但并未造成上覆巖層的大范圍破壞，故從理論計(jì)算角度分析井下開采作業(yè)對地表幾乎沒有影響。

［參 考 文 獻(xiàn)］

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Safety impact of underground mining on surface buildings （structures） in a mine

Liu Weiming1，Liu Ruimeng2，Li Tianhong1，Jia Yanzhou1，Xin Mingyu1

Abstract：To scientifically predict the safety impact of underground mining in mines on buildings （structures） such as villages and residential buildings，and to prevent mining activities from causing damage to buildings （structures），this study utilized the theory of surface rock movement and deformation to calculate the maximum surface subsidence，impact radius，maximum surface inclination rate，maximum surface curvature，and maximum surface horizontal deformation values of the main ore body based on mine geological and design data.The theoretical protection level was determined.Flac3D numerical simulation software was used to simulate the mining process in the mine，analyze and summarize the variation patterns of surface subsidence and deformation.Through theoretical formula calculations，the maximum surface inclination rate，curvature，and horizontal deformation values on the mine area were found to be 0.063 mm/m，1.6×10-6 m-1，and 3.7 mm/m，respectively，which are less than the allowable deformation values corresponding to the protection level of surface buildings （structures）.The surface deformation values were consistent with the displacement data of the surface monitoring points set up.The research results indicate that，based on mining according to design requirements，the surface deformation caused by mining activities will not pose a threat to the safety of surface buildings （structures），providing a theoretical basis for mine construction and safety production.

Keywords：numerical simulation;surface deformation;buildings （structures） protection;room-and-pillar mining method;subsequent backfilling

收稿日期：2023-08-15; 修回日期：2023-10-30

作者簡介：劉偉明（1984—），男，工程師，從事采礦技術(shù)研究及安全管理工作；E-mail：3171688388@qq.com