趙興東，魏慧，趙一凡，王敏杰

(1.東北大學(xué) 采礦地壓與控制研究中心，遼寧 沈陽 110000；2.內(nèi)蒙古金山礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾市 021000)

0 引言

因礦體開挖引起上覆巖體塌陷，進(jìn)而造成地表出現(xiàn)裂縫、沉降，甚至大范圍坍塌等問題，一直是礦山生產(chǎn)避不開的難題。控制地表沉降不僅是建立綠色礦山政策的要求，也是保證礦山地表建筑物、構(gòu)筑物安全穩(wěn)定的必要手段。一般來說，分析地表位移情況的最有效方法是安裝監(jiān)測設(shè)備，對地表進(jìn)行實時監(jiān)測，但因為該方法成本高、耗時長，在中小型礦山不能得到廣泛應(yīng)用。在這樣的背景下，國內(nèi)外學(xué)者探索出很多新的方法來應(yīng)對礦山開采引起的地表沉降問題。

目前，分析地表沉降問題最常用3種方法為理論分析法、數(shù)值模擬法和物理模型模擬法，其中運用最多的是數(shù)值模擬法。該方法通過對礦區(qū)的地質(zhì)和巖體條件等進(jìn)行調(diào)查，建立數(shù)值計算模型，運用有限元軟件對礦體開挖過程進(jìn)行分析計算，進(jìn)而判斷地表的安全性范圍。本研究選用數(shù)值模擬法對金山礦業(yè)額仁陶勒蓋礦區(qū)井下充填系統(tǒng)進(jìn)行分析，探究礦體開挖對其造成的影響。

1 工程概況

內(nèi)蒙古金山礦業(yè)地處呼倫貝爾草原西部，地處額爾古納興凱地槽褶皺帶與喜桂圖海西地槽褶皺帶的接壤部位，區(qū)域性構(gòu)造斷裂較發(fā)育，構(gòu)成具有獨特性棋盤狀構(gòu)造格局，地形地貌屬低山、丘陵類型，地勢南高北低，地表相對平緩，海拔標(biāo)高為600 m～700 m，鄰近南部最高的汗烏拉山海拔標(biāo)高為850 m，相對高差為100 m～150 m。區(qū)域內(nèi)構(gòu)造以斷裂構(gòu)造為主，總體呈北東-南西走向，延長均在百米以上。南西部多以火山巖為主，北西-南東以斷陷盆地為主，形成了北東向展布的滿洲里—新巴爾虎右旗火山-侵入-巖漿雜巖帶。

經(jīng)過勘查，礦區(qū)內(nèi)共圈出具有工業(yè)利用價值的銀礦體共47條，賦存標(biāo)高為688 m～221 m，其中主礦體一共有3條（21#、32#、75#），整體呈“入”字形分布，礦體圍巖為硅質(zhì)碎裂巖或安山巖。礦山采用充填采礦法對礦體進(jìn)行回采，回采順序為自上而下，設(shè)計不留頂柱和間柱，回采階段高度為40 m，即礦體自上而下分為 10個分段。井下充填系統(tǒng)位置坐標(biāo)為X=39 469 376.85，Y=5 362 619.72，在三維空間上位于32#與75#礦體的正上方，在2條礦體的中間位置，是一個長為24 m，寬為18 m的矩形建筑，其所處位置正好在32#與75#礦體開采產(chǎn)生的移動帶范圍內(nèi)。鑒于井下充填系統(tǒng)對礦山生產(chǎn)的重要意義，必須保證礦體開采過程中充填系統(tǒng)的穩(wěn)定性不受影響。

2 數(shù)值模型的建立

2.1 建模步驟

本文建立模型選用 3Dmine-Rhino-Griddle-FLAC3D耦合建模方法。具體建模步驟如下。

（1）在 3Dmine軟件中利用等值線附高程命令對地表地形線進(jìn)行賦值，生成地表輪廓線，將線條輸出為DXF格式導(dǎo)入到Rhino中，利用嵌面命令生成地表平面（見圖1）。

圖1 地表平面

（2）利用 Rhino軟件完成礦體建模，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將礦體模型與地表模型按照實際位置關(guān)系進(jìn)行對齊。創(chuàng)建一個不超過地表模型范圍的矩形實體，將地表和礦體完全包含在內(nèi)，且要滿足模擬對模型邊界的要求。以地表模型為剖切面，利用剖切命令，將矩形實體分割為地表上部和地表下部兩部分，刪除地表和上部模型，完成整個模型的建立（見圖 2）。

圖2 模型剖切示意

（3）計算模型建立完成后，檢查需要作為單獨分組的模型的封閉情況，不封閉的模型在FLAC3D中不能被識別為獨立的組。然后利用Griddle軟件中的Gsurf命令進(jìn)行網(wǎng)格劃分，本次選用四面體網(wǎng)格單元，網(wǎng)格大小為5 m×5 m。最后由Gvol命令輸出至FLAC3D中，完成全部建模過程。

2.2 計算模型

計算模型包含整個礦區(qū)的礦體和地表，礦體作為開挖體模型（見圖3），計算時分10個步驟進(jìn)行開挖，采用自上而下的順序分層回采。不同的開挖步驟已在圖1中用顏色進(jìn)行區(qū)分，同一顏色表示同一個開挖步驟。上層礦體開挖完畢后，對空模型進(jìn)行充填，再進(jìn)行下一個步驟的開挖，以此類推，直至整個開挖模型開采完畢。地表依據(jù)礦區(qū)實際地形圖建立，屬中低山緩坡狀地形地貌，起伏較小。模型三維數(shù)值計算網(wǎng)格（見圖4）單元總數(shù)達(dá)93 883個。由于巖體性質(zhì)不均一，礦體開挖后難免會出現(xiàn)圍巖卸壓松弛、掉塊、變形持續(xù)增加等現(xiàn)象，因此在計算分析時必須采用非線性力學(xué)分析法，本文采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則進(jìn)行計算模擬。

圖3 開挖體模型

圖4 數(shù)值計算模型

2.3 計算參數(shù)

通過對前期地質(zhì)調(diào)查中取得的巖樣進(jìn)行巖石力學(xué)試驗，計算出金山礦業(yè)礦體和圍巖的巖石力學(xué)參數(shù)，對該參數(shù)利用Hook-Borwn準(zhǔn)則進(jìn)行折減，得到圍巖、礦體的巖體力學(xué)參數(shù)，充填體參數(shù)選用1:8灰砂比的強(qiáng)度參數(shù)。模擬計算中的各項力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖石力學(xué)參數(shù)

2.4 邊界條件

模型頂部為礦區(qū)地表，不施加約束條件。對模型左右、前后等面施加法向固定約束，底部施加全約束。模擬全過程依靠自重進(jìn)行計算，取重力加速度為 9.8 m/S2，本次模擬忽略構(gòu)造應(yīng)力影響。

3 井下充填系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

完成初始應(yīng)力平衡計算和位移清零后，開始對礦體進(jìn)行開挖計算，開挖過程一共分為10個步驟，對應(yīng)礦體的 10個階段。計算過程中，在距充填系統(tǒng)4個角落1 m處的位置設(shè)立4個監(jiān)測點，監(jiān)測和記錄每一步礦體開挖和充填時充填系統(tǒng)附近發(fā)生的水平及垂直位移移動情況，礦體全部開挖后的豎直方向位移云圖如圖5所示，通過對4個監(jiān)測點的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，得到監(jiān)測點在不同開挖步驟下的位移曲線（見圖6）。

圖5 計算結(jié)果及監(jiān)測點布置

通過圖6（a）可知，布置的4個監(jiān)測點最大垂直位移為0.43 m，第1步開挖時，監(jiān)測點均未出現(xiàn)明顯變化，自第2步開挖起，監(jiān)測點位移曲線斜率明顯增大，在第7步時達(dá)到最大值，而后變緩；從圖6（b）可知，監(jiān)測點最大水平位移為0.27 m，水平位移變化趨勢較穩(wěn)定，自第1步開挖起，幾乎以相同的變化趨勢逐漸增大，在第6步開挖時，1#、2#監(jiān)測點位移有瞬間的起伏，之后以位移變形值大于3#、4#監(jiān)測點的趨勢穩(wěn)定增加。根據(jù)《有色金屬采礦設(shè)計規(guī)范》I級保護(hù)物、《煤礦測量規(guī)程》規(guī)定：一般磚石結(jié)構(gòu)建筑物規(guī)定傾斜值i=3 mm/m、曲率k=0.2、水平變形值ε=2 mm/m的臨界變形極限值。通過計算得金山礦業(yè)額仁陶勒蓋礦區(qū)井下充填系統(tǒng)地表最大變形值為傾斜值i=1.95 mm/m、曲率k=0.025、水平變形值ε=1.3 mm/m，均未超出安全規(guī)程規(guī)定的極限變形值，充填系統(tǒng)處于穩(wěn)定范圍內(nèi)。

圖6 監(jiān)測點位移曲線

4 結(jié)論

（1）運用3Dmine-Rhino-Griddle-FLAC3D耦合建模方法，可以完美彌補(bǔ)FLAC3D軟件建模功能不夠強(qiáng)大的弊端，成功實現(xiàn)利用FLAC3D軟件對復(fù)雜礦體的計算模擬。

（2）通過分析 4個監(jiān)測點水平及垂直位移情況，計算出井下充填系統(tǒng)所處位置地表最大變形值為傾斜值i=1.95 mm/m、曲率k=0.025、水平變形值ε=1.3 mm/m，不超過極限變形值，確定礦體開采不會對充填系統(tǒng)造成負(fù)面影響。