某礦井下開(kāi)采地表沉降范圍及發(fā)展趨勢(shì)

劉詩(shī)杰　李　鐵　馬海濤　劉三平

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；2.金屬礦山高效開(kāi)采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；3.中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)研究院，北京 100012；4.礦山采空區(qū)災(zāi)害防治國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局安全生產(chǎn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012)

某礦井下開(kāi)采地表沉降范圍及發(fā)展趨勢(shì)

劉詩(shī)杰1,2，3李鐵1，2馬海濤3,4劉三平1,3

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；2.金屬礦山高效開(kāi)采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；3.中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)研究院，北京 100012；4.礦山采空區(qū)災(zāi)害防治國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局安全生產(chǎn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012)

通過(guò)概率積分法與數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，對(duì)山東某鐵礦井下開(kāi)采對(duì)地表周邊民居建筑的影響進(jìn)行了研究。分析表明，礦區(qū)周邊居民住宅位于開(kāi)采沉降范圍邊界處，地表變形的傾斜、曲率、水平移動(dòng)分別為0.08 mm/m、0.009×10-3m、0.4 mm/m，符合相關(guān)規(guī)范要求；數(shù)值模擬地表沉降范圍較概率積分法計(jì)算結(jié)果大，同一截面處對(duì)比顯示，數(shù)值模擬中地表沉降寬度達(dá)407.6 m，大于概率積分法的366.7 m。礦區(qū)沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的擬合分析表明，該區(qū)域近年來(lái)沉降變化斜率小于0.03，地表穩(wěn)定，沒(méi)有新的沉降變形趨勢(shì)。因此，可以認(rèn)為周邊居民小區(qū)住宅不會(huì)因井下作業(yè)受到影響。概率積分法中反映覆巖巖性影響的參數(shù)選取可能引起誤差，導(dǎo)致依概率積分法計(jì)算結(jié)果與數(shù)值模擬存在差別，在實(shí)際運(yùn)用中應(yīng)當(dāng)通過(guò)多種方法協(xié)同論證，確保結(jié)論正確，實(shí)現(xiàn)井下生產(chǎn)與居民生活的和諧穩(wěn)定。

概率積分法地表沉降數(shù)值模擬FLAC

礦山井下開(kāi)采作業(yè)引起的地表沉降變形發(fā)展緩慢，時(shí)間效應(yīng)長(zhǎng)，影響范圍廣，且影響沉降分布因素復(fù)雜，個(gè)別極端案例中，地表因地下空區(qū)冒落產(chǎn)生大面積塌陷災(zāi)變，造成巨大人員、財(cái)產(chǎn)損失。因此，針對(duì)空區(qū)變形引起的地表沉降量及范圍的研究具有極高的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益[1-2]。

為了減少開(kāi)采引起的地表沉降對(duì)礦區(qū)居民、建筑的影響，我國(guó)政府出臺(tái)了相關(guān)規(guī)范[3]，各礦山也積極改進(jìn)采礦方法，使用充填體處理空區(qū)，以取代崩落法作業(yè)，取得了良好效果。過(guò)往也有許多學(xué)者對(duì)沉降相關(guān)理論進(jìn)行了研究，提出了如概率積分法，典型曲線(xiàn)法，剖面函數(shù)法以及灰色模型理論等分析方法。概率積分法[4-5]為適用于非連續(xù)介質(zhì)模型的影響函數(shù)法，綜合考慮了巖層性質(zhì)，空區(qū)深度，礦房高度，是否揭露地表等多種因素，相關(guān)研究較為充分，因而被廣泛應(yīng)用于各大礦山地表沉降范圍及沉降量分析中。概率積分法可以求得一定面積、深度下的空區(qū)引起的地表沉降范圍與沉降分布特征參數(shù)，通過(guò)將特征參數(shù)與相關(guān)規(guī)范對(duì)比，即可判斷該區(qū)域是否安全穩(wěn)定。

1　工程概況

山東某鐵礦采區(qū)面積1.484 km2，年產(chǎn)量45 萬(wàn)t/m，開(kāi)采礦體埋深+250～-400 m，位于閃長(zhǎng)巖與大理巖接觸帶內(nèi)，頂板為大理巖，上覆巖層以灰?guī)r、頁(yè)巖為主，地表覆蓋有一定厚度的第四紀(jì)地表土。礦體形態(tài)不規(guī)則，呈NE—WS分布，主礦體走向長(zhǎng)約1 300 m，傾角40°～80°，屬急傾斜礦體。

礦區(qū)東北側(cè)有一在建商業(yè)居民小區(qū)，該小區(qū)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，距離礦區(qū)較近；礦區(qū)南部及其他周邊位置也分布有少量普通居民樓房，易受采動(dòng)影響。該礦平面概況如圖1所示。

圖1　礦區(qū)概況

該礦從建礦之初一直以崩落法對(duì)0 m以上礦段進(jìn)行開(kāi)采，在礦區(qū)內(nèi)形成了范圍巨大的沉陷區(qū)域及塌陷坑，對(duì)礦區(qū)地貌造成了巨大破壞，在礦區(qū)北部形成一個(gè)沉降量較大的沉降中心。2006年后，采礦方法改為下向進(jìn)路尾砂膠結(jié)充填法，并對(duì)歷史遺留空區(qū)進(jìn)行了回填處理。經(jīng)檢驗(yàn)，空區(qū)充填率達(dá)90%以上，充填效果良好。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，充填率達(dá)到90%以上的空區(qū)頂板沉降變形量極小，不會(huì)對(duì)地表建筑造成影響[6]，但也曾有過(guò)因充填體質(zhì)量或局部充填率不達(dá)標(biāo)造成地面不均勻沉降的案例。因此，對(duì)礦區(qū)地表沉降的研究一方面要計(jì)算歷史遺留空區(qū)變形引起的沉降，圈定沉降范圍，確定相關(guān)參數(shù)，另一方面應(yīng)基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)充填處理空區(qū)后的地表沉降發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)研究，確保地表居民建筑安全。

2　沉降范圍計(jì)算

2.1概率積分法

作為開(kāi)采沉陷的主體，巖體的接觸形式可用連續(xù)介質(zhì)模型與非連續(xù)介質(zhì)模型描述。概率積分法基于非連續(xù)介質(zhì)模型，認(rèn)為巖體介質(zhì)由極小單元組成，單元之間無(wú)應(yīng)力聯(lián)系，允許相對(duì)運(yùn)用。在研究各單元移動(dòng)規(guī)律時(shí)，該方法假設(shè)巖移為完全隨機(jī)形式，服從正太分布[7-8]，其理論模型如圖2所示。對(duì)于一定面積與范圍的地下空區(qū)，其上部不同位置處的巖層向臨空方向移動(dòng)概率依豎向、水平距離的變化呈正態(tài)分布，因此形成的下沉盆地形式與正太分布函數(shù)曲線(xiàn)一致。

圖2　概率積分法理論模型

空區(qū)頂板重心的下沉量wmax并非等于空區(qū)高度，而是與礦體傾角α，采厚m，下沉系數(shù)q相關(guān)，滿(mǎn)足

wmax=qmcosα.

(1)

基于該最大下沉量wmax,結(jié)合正態(tài)分布函數(shù)可求得沿傾斜剖面的下沉量w(y)、傾斜度iy、曲率Ky和水平應(yīng)變?chǔ)舮，即

(2)

式中，y為距開(kāi)采中心距離，m；b為水平移動(dòng)系數(shù)；θ為開(kāi)采影響傳播角,與礦體開(kāi)采角有關(guān),即

α≤45ο時(shí)，θ=90ο-0.68α，

α≥45ο時(shí)，θ=28.8ο+0.68α；

r為影響半徑，r=H/tanβ，β為影響范圍邊界與開(kāi)采邊界的直線(xiàn)與水平所成的夾角,

tanβ=(1-0.003 8α)(D+0.003 2H);

(3)

D為巖性影響系數(shù)，巖性堅(jiān)硬取0.7～1.25，中硬取1.2～2.0，軟弱取2.0～2.8[9]；H為礦體埋深，m。

2.2沉降范圍計(jì)算

該礦礦體走向較長(zhǎng)，將礦體按走向劃分并編號(hào)0～43切線(xiàn)，對(duì)各切線(xiàn)礦體剖面分別計(jì)算。限于篇幅，在此僅列出3線(xiàn)剖面圖及相關(guān)計(jì)算。對(duì)剖面礦體集中段分別進(jìn)行編號(hào)計(jì)算，如圖3所示。

襯墊采用的COOLMAX材料，需要貼近人肌膚的外表面采用超疏水自清潔涂層，表面的污染物或灰塵能在重力或雨水、風(fēng)力等外力作用下自動(dòng)脫落或被降解的一種表面。給用戶(hù)提供了有力的清潔保障。

圖3　3線(xiàn)剖面

根據(jù)概率積分法對(duì)各礦段上下表面分別計(jì)算，分析影響半徑，如表1所示。根據(jù)表1計(jì)算結(jié)果，3線(xiàn)標(biāo)高0 m以上礦體采空后引起的地表變形寬度L1=366.4 m。

表1　3線(xiàn)剖面各礦段概率積分法計(jì)算

通過(guò)對(duì)各剖面圖中集中礦段分別計(jì)算，可在地表劃出各礦段采空后分別形成的沉降圈，繪出所有沉降圈的包絡(luò)線(xiàn)，即為歷史遺留空區(qū)引起地表沉降變形的最大范圍。根據(jù)本文計(jì)算，該礦井下生產(chǎn)形成的地表沉降范圍如圖4所示。

圖4　概率積分法地表沉降范圍

2.3地表建筑危險(xiǎn)性判斷

根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》對(duì)建筑物保護(hù)等級(jí)及允許變形值的規(guī)定，采場(chǎng)影響范圍內(nèi)地表建(構(gòu))筑物按照重要性、用途和受影響后果的不同，可分為四級(jí)保護(hù)等級(jí)，對(duì)不同保護(hù)等級(jí)的地表建(構(gòu))筑物，應(yīng)保證一定的保護(hù)帶寬度，建(構(gòu))筑物外圍保護(hù)帶的寬度按照表2規(guī)定的數(shù)值選用。

表2　建筑物變形等級(jí)

根據(jù)式(2)，礦區(qū)地表傾斜、曲率和水平應(yīng)變分別為6.43 mm/m，0.446×10-3/m，4.13 mm/m，屬移動(dòng)帶；但礦區(qū)邊界處居民住宅區(qū)域的地表變形參數(shù)分別為0.08 mm/m，0.009×10-3/m，0.4 mm/m，計(jì)算結(jié)果符合變形等級(jí)I級(jí)要求。因此，依據(jù)概率積分法計(jì)算結(jié)果，礦區(qū)內(nèi)及周邊地表建筑較為安全，采礦活動(dòng)不會(huì)對(duì)其穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

3　FLAC數(shù)值模擬驗(yàn)證

為了驗(yàn)證概率積分法計(jì)算結(jié)果的合理性，使用有限差分法軟件FLAC進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。由于該礦結(jié)構(gòu)復(fù)雜，分布有大量零星礦段，建模較為復(fù)雜，因此僅對(duì)主體礦段進(jìn)行研究。建成的FLAC模型尺寸為2 500 m×1 300 m×630 m，包含2個(gè)地質(zhì)地層，3個(gè)計(jì)算組即大理巖、閃長(zhǎng)巖和礦體，模型總計(jì)267 534個(gè)三維計(jì)算單元，48 685個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。數(shù)值模擬模型如圖5所示。

圖5　FLAC數(shù)值模擬模型

根據(jù)該礦礦房礦柱布置方案，礦房高度為5 m，模擬5 m分段回采，0 m以上礦段采空并迭代穩(wěn)定后模型地表產(chǎn)生了大面積沉降，如圖6所示(沉降值單位為mm)。

圖6　數(shù)值模擬地表沉降分布

由于近地表部分零星礦體沒(méi)有反映在模型中，數(shù)值模擬中地表沉降量與實(shí)際情況有所出入，但沉降變化趨勢(shì)和分布規(guī)律與實(shí)際情況基本吻合，礦區(qū)內(nèi)塌陷坑的位置與數(shù)值模擬最大沉降量位置對(duì)應(yīng)，表明數(shù)值模擬模型具有較高可信度。

在FLAC模型中，觀(guān)測(cè)地表勘探線(xiàn)3線(xiàn)剖面中標(biāo)高0 m以上礦體采空后的沉降發(fā)育，如圖7所示(沉降值單位為mm)。經(jīng)測(cè)量，3線(xiàn)剖面標(biāo)高0 m以上礦段采空后引起的地表沉降寬度 。

概率積分法與數(shù)值模擬方法對(duì)3線(xiàn)剖面礦段的計(jì)算表明，在開(kāi)采引起的沉降范圍計(jì)算上，數(shù)值模擬手段更加趨于保守，沉降范圍更大；此外，對(duì)比圖4與圖7可以看到，礦區(qū)東北側(cè)與南部居民住宅都大部分位于概率積分法沉降范圍外，數(shù)值模擬沉降范圍之內(nèi)，表明該區(qū)域可能出現(xiàn)了一定的沉降，但沉降量極小,該區(qū)域?qū)挾萪=180 m，計(jì)算得到地表傾斜為i=0.11 mm/m，符合規(guī)范。

4　地表沉降變化趨勢(shì)分析

礦區(qū)內(nèi)布設(shè)的地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)基本覆蓋了礦區(qū)大部分位置，尤其對(duì)東北部靠近商業(yè)居民住宅處進(jìn)行了重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)工作從2012年持續(xù)至今，積累了大量的數(shù)據(jù)。將監(jiān)測(cè)所得地表沉降數(shù)據(jù)使用Origin軟件進(jìn)行直線(xiàn)擬合，得到各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量變化函數(shù)。21號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)及擬合方程如圖8所示。

圖7　勘探3線(xiàn)剖面礦段采空地表沉降范圍

圖8　21號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移及擬合方程

該點(diǎn)沉降量擬合方程斜率極小，隨著時(shí)間推移，該點(diǎn)沉降量基本不會(huì)變化。因此，可以認(rèn)為該處地表沉降穩(wěn)定，基本不受井下充填采掘活動(dòng)影響。其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降預(yù)測(cè)如表3所示。

通過(guò)對(duì)地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量的預(yù)測(cè)分析，可以看到，該礦區(qū)雖因早期使用崩落法開(kāi)采，導(dǎo)致地面沉降變形較大，但經(jīng)改進(jìn)生產(chǎn)工藝，充填處理空區(qū)，且采掘深度逐漸加深后，井下生產(chǎn)對(duì)地表沉降影響更小，沉降量趨于穩(wěn)定[10]，不會(huì)對(duì)地表建筑物產(chǎn)生影響。

5　結(jié)　論

(1)理論計(jì)算與數(shù)值模擬結(jié)果都符合相關(guān)規(guī)定中的限定值，表明井下生產(chǎn)活動(dòng)不會(huì)對(duì)礦區(qū)內(nèi)及周邊民居建筑穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。隨著采深逐漸增大，近幾年來(lái)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明了地表穩(wěn)定，沒(méi)有發(fā)生較大規(guī)模的沉降量的變化。

(2)概率積分法使用由巖石堅(jiān)硬程度決定的巖性影響系數(shù)D綜合反映覆巖性質(zhì)對(duì)沉降傳播的影響。覆巖巖性為單一大理巖，但地表覆蓋有較大厚度的地表土，二者性質(zhì)差別大，可能導(dǎo)致D取值存在較大誤差，影響概率積分法計(jì)算準(zhǔn)確程度。因此，使用數(shù)值模擬手段進(jìn)行了修正，事實(shí)證明，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果趨于保守。

表3其他測(cè)點(diǎn)豎向沉降變形預(yù)測(cè)

Table 3Subsiding forecast of other monitoring points mm

監(jiān)測(cè)點(diǎn)變 形 量2015年6月2016年6月2017年6月2018年6月2019年6月2020年6月精度(殘余誤差平方和)10#0.614041.228081.842122.456163.07023.684240.0604315#0.128520.257040.385560.514080.64260.771120.0498720#0.026040.052080.078120.104160.13020.156240.0395721#0.266040.532080.798121.064161.33021.596240.0372322#0.485160.970321.455481.940642.42582.910960.0404323#0.441000.882001.323001.764002.20502.646000.08626

(3)目前對(duì)于地表沉降量及沉降范圍的研究方法眾多，但大部分理論都基于特定假設(shè)，并對(duì)相關(guān)參數(shù)簡(jiǎn)化選取，可能導(dǎo)致最終結(jié)果與實(shí)際存在誤差，因此，在實(shí)際運(yùn)用中，應(yīng)當(dāng)運(yùn)用多種方法論證，相互修正，確保研究結(jié)論的正確性。

(4)地表監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，近年來(lái)隨著地下采礦作業(yè)采深增大，地表沉降趨于穩(wěn)定，幾乎沒(méi)有變化，但計(jì)算結(jié)果表明，仍有一部分民居建筑位于數(shù)值模擬沉降范圍內(nèi)。因此，仍應(yīng)繼續(xù)沉降監(jiān)測(cè)工作，同時(shí)繼續(xù)改進(jìn)充填工藝，保證安全生產(chǎn)，避免地表沉降對(duì)居民生活影響。

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(責(zé)任編輯徐志宏)

Study on the Ground Subsiding Area Caused by Underground Mining and Its Developing Tendency

Liu Shijie1,2,3Li Tie1,2Ma Haitao3,4Liu Sanping1,3

(1.SchoolofCivilandEnvironmentalEngineering，UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Beijing100083，China；2.KeyLaboratoryofHigh-efficientMiningandSafetyofMetalMine,MinlstryofEducation,Beijing100083，China；3.ChinaAcademyofSafetyScience&Technology，Beijing100012，China；4.KeyLaboratoryonMiningGoafDisasterPreventionofSAWS，Beijing100012，China)

Combined with the probability integral method and numerical simulation，the effect that underground mining conduct on the residential buildings around is studied.Results show that the residential buildings are at the boundary of the mining subsiding area，the dipping，curvature and horizontal deformation of subsidence are 0.08 mm/m，0.009×10-3m，0.4 mm/m respectively，which are within the indexes given in related standards.The subsiding scope in numerical simulation is larger than that in probability integral method.Comparison of the subsiding scope at the same section shows that the subsiding width in numerical simulation is 407.6 m，larger than 366.7 m in probability integral method.Besides，fitting analysis on the subsiding monitoring data shows that the slope of the subsidence changing in recent years is less than 0.03，which means the ground subsiding tends to be steady and there is no new subsiding trend.Therefore，it is concluded that the residential buildings around will not be affected by the underground mining activities.It's found that error may occur in the choosing of the parameter reflecting the property of the overlying stratus，which lead to a difference between the results solved by probability integral method and numerical simulation.It's better to conduct studies in different ways to avoid error in dealing with problems in order to ensure the correction of the results and the harmony between underground mining and people's daily lives.

Probability integral method，Ground subsiding，Numerical simulation，F(xiàn)LAC

2015-07-22

劉詩(shī)杰(1992—)，男，碩士研究生。

TD73

A

1001-1250(2015)-09-152-05