程潮鐵礦深部開采塌陷坑移動規(guī)律研究

許夢國 張威威 王 平 程愛平 胡 彥 胡倡瑞

（1.武漢科技大學資源與環(huán)境工程學院，湖北武漢430081；2.冶金礦產(chǎn)資源高效利用與造塊湖北省重點實驗室，湖北武漢430081）

目前，程潮鐵礦開采至-500 m中段，現(xiàn)設(shè)計-570 m、-675 m中段開拓工程作為-500 m中段的生產(chǎn)接續(xù)工程。前期設(shè)計以上盤52°、下盤和端部62°圈定地表移動范圍，目前開采造成的地表移動線已逼近新副井南部邊緣，后續(xù)開采對塌陷坑附近地表移動及新副井的影響成為亟待解決的問題。地表塌陷不僅受地質(zhì)構(gòu)造和采礦方法的影響，隨著開采深度遞增，地表塌陷移動值也表現(xiàn)出不同的規(guī)律性。采用科學的方法研究深部崩落開采下地表塌陷移動規(guī)律，對于保護地表重要建（構(gòu)）筑物有重要意義。于保華等［1］通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測揭示了深部開采條件下地表沉陷各項變形值與淺部開采的差異性；陸玉根等［2］通過相似模擬試驗，結(jié)合位移傳感器和壓力傳感器測量研究了大紅山鐵礦崩落開采條件下覆巖冒落和地表塌陷規(guī)律；裴明松等［3］采取相似模擬試驗得到了兩種采礦方法回收-500 m以上礦體的地表變形規(guī)律；李騰等［4］在相似模擬的基礎(chǔ)上結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，揭示了井下開采地表移動具有延時性和跳躍性特點；雷遠坤［5］在地表變形數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬分析了不同水平下礦柱回采對地表重要建筑物的影響程度；夏開宗等［6］通過對程潮鐵礦往年地表監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，并結(jié)合巖層移動機理得出不同開采水平下的巖體變形規(guī)律；宋許根等［7-9］依據(jù)實測數(shù)據(jù)從理論力學角度分析了地表塌陷后采礦推進與地表變形規(guī)律之間的關(guān)系；龐漢松等［10］針對分段崩落法提出了一種新的地表移動邊界確定方法，揭示了程潮鐵礦西區(qū)同一開采深度下不同剖面移動角存在的差異性?？傮w上，現(xiàn)階段針對深部崩落開采地表塌陷移動規(guī)律的研究大都依賴于現(xiàn)場實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，對未來發(fā)展趨勢的預(yù)測具有滯后性，且針對金屬礦山塌陷坑周邊圍巖及移動角隨開采深度變化規(guī)律的相似模擬研究涉及較少。

為此，本研究依據(jù)程潮鐵礦實際開采情況，采用相似模擬和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對該礦-500 m以下中段開采塌陷坑周邊巖體的移動規(guī)律進行預(yù)測研究。借助應(yīng)變片和千分表對模型開挖至不同階段的塌陷坑周邊遠近地表圍巖應(yīng)變值和地表沉降量進行監(jiān)測，研究深部崩落開采條件下塌陷坑隨采深的移動變化規(guī)律，并依據(jù)不同開采階段對塌陷坑周邊地表重要建筑物的影響程度提出相應(yīng)的解決措施。

1 相似理論

本研究基于相似三定理，展開相似模擬試驗。通過縮小原型比例制作模型，借助相關(guān)儀器分析模型的應(yīng)變、位移等力學參數(shù)及其變化規(guī)律。合理的相似準則是準確進行試驗的基礎(chǔ)，線彈性模型的相似準則一般是在彈性力學的基礎(chǔ)上，結(jié)合單值條件方程分別推出線彈性問題的基本判據(jù)［11］：

式中，Cσ為應(yīng)力相似比；Cγ為容重相似比；Cl為幾何相似比；Cu為位移相似比；Cε為應(yīng)變相似比；CE為彈性模量相似比；Cμ為泊松比相似比；Cf為摩擦系數(shù)相似比；Cφ為內(nèi)摩擦角相似比；Cσt為抗壓強度相似比；Cσc為抗拉強度相似比。

在實際模擬中，考慮到各種實際因素無法滿足以上所有方程式，常根據(jù)所分析的問題以及實際情況選取主要因素作為相似準則，忽略其他因素設(shè)計試驗，以達到研究目的［12-13］。本研究確定的主要相似準則為

2 試驗方案設(shè)計

2.1 模擬范圍確定

在考慮程潮鐵礦的地質(zhì)和采礦等影響因素后，結(jié)合實際情況，選取位于新副井附近的23#勘探線作為本次相似模擬試驗的模型剖面，模擬開采范圍為-500～-657.5 m水平的礦體?？紤]到開挖擾動引起的原巖應(yīng)力重分布［14］以及試驗?zāi)康?，確定本次研究的開采范圍為+123～-900 m水平，總深度為1 023 m；模擬寬度為1 650 m。為方便模型澆筑，對原剖面進行了簡化得到如圖1所示的剖面模型，上盤主要為角巖，下盤主要為花崗巖，礦體上部為閃長巖和矽卡巖。其中，1#～11#點為監(jiān)測模型地表沉降的千分表測點，各千分表間距900 mm，CH1～CH23點為監(jiān)測模型微觀變化的應(yīng)變片測點。

2.2 相似比及模型尺寸確定

在充分考慮實驗室現(xiàn)有模型設(shè)備條件下，結(jié)合多個相似比方案分析比較，最終選取Cl=950，Cγ=1.3，由式（2）可得Cσ=1 235。在武漢科技大學巖石力學實驗室開展相似模擬試驗，其中模型框架全部由型鋼制作，凈斷面長1.75 m、高2.30 m、寬0.20 m。依據(jù)選取的幾何相似比計算，試驗所需的模型架長1.74 m、高1.07 m，寬度選擇模型架的寬度。

2.3 相似材料制作

依據(jù)程潮鐵礦提供的巖體力學參數(shù)，并結(jié)合應(yīng)力相似比計算出模擬巖體的力學參數(shù)。對比分析已有研究成果［15-17］，本研究以河沙、重晶石粉、石膏、鐵礦粉作為相似材料，以單軸抗壓強度為指標，基于正交試驗設(shè)計相似材料配比方案。為減少試驗誤差，每組配比方案制作3個試樣進行單軸壓縮試驗（圖2），相似材料配比結(jié)果見表1。在不考慮地下水影響下閃長巖和矽卡巖物理性質(zhì)相近，且在此相似比下兩種巖體相似材料抗壓強度接近，因此在試驗中采取相同的配比方案。

2.4 模型堆砌與開采方案

根據(jù)程潮鐵礦地質(zhì)資料，模擬開采范圍內(nèi)無斷層構(gòu)造，礦區(qū)水平應(yīng)力與自重應(yīng)力相比可忽略不計。水平應(yīng)力由模型架兩端為保持模型垂直狀態(tài)所施加的反作用力產(chǎn)生，自重應(yīng)力場由相似材料自身重力施加，頂部不施加任何荷載。根據(jù)相似材料配比方案（表1）進行材料配比，將混合材料干拌均勻后再加水攪拌，最后按圖1中的礦巖分布由下往上依次澆筑入模。待模型澆筑7 d后拆模使其在自然條件下養(yǎng)護至模型風干完畢，加入散體，布設(shè)千分表和應(yīng)變片，制作完成的模型如圖3所示，靜置3 d待模型達到平衡狀態(tài)即可進行試驗。

注：散體部分采用上下盤巖體配比制作大小合適的碎塊。

試驗過程中采用千分表監(jiān)測地表隨開挖累計垂直沉降值，各千分表測點相互間距900 mm。采用靜態(tài)電阻應(yīng)變儀監(jiān)測塌陷坑遠近地表區(qū)域巖體的應(yīng)變情況。試驗?zāi)M開挖-500～-657.5 m水平礦體，開挖方式嚴格按照由上至下順序，并及時記錄相應(yīng)階段千分表和應(yīng)變儀的讀數(shù)。開挖至不同采深的模型如圖4所示。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 地表沉降分析

根據(jù)開采過程中實時記錄的千分表讀數(shù)，篩選開挖至-552.5、-587.5、-622.5、-657.5 m時對應(yīng)的千分表讀數(shù)，依據(jù)幾何相似比，得到上下盤地表實際沉降值與采深的變化曲線，如圖5所示。

由圖5可知：隨著采深增加，地表變形表現(xiàn)出不同程度的持續(xù)沉降，總體呈現(xiàn)出地表沉降值與塌陷坑距離呈負相關(guān)的趨勢，符合地下開采的一般沉降規(guī)律。-657.5 m水平開采結(jié)束以后，1#千分表所在位置未表現(xiàn)出明顯沉降，即開采至-657.5 m水平對塌陷坑644 m以外的上盤區(qū)域不會造成明顯影響；上盤最大沉降點為8#點所在位置，沉降值為2 100 mm。下盤最大沉降點為9#點所在位置，沉降值為13.5 mm。對比分析上盤各監(jiān)測點階段沉降值可知，在-500～-587.5 m水平地表沉降表現(xiàn)為加速變形；-587.5～-622.5 m水平地表沉降表現(xiàn)為減速變形；-622.5～-657.5 m水平地表沉降又表現(xiàn)出加速變形。由此表明：隨著采深增加，上盤地表變形表現(xiàn)出先加速后減速再加速的變化趨勢。

根據(jù)圖5（a）中各測點的垂直位移，以豎直位移達到或超過變形標準值（10 mm）視為地表破壞點依據(jù)［18］，計算得到各分段開采結(jié)束時的上盤移動角依次為52°、54°、55°、57°，從-552.5 m水平開采結(jié)束，地表上盤移動范圍依次增加64、32、21 m。由此可見，隨著礦體開采上盤地表移動角逐漸增大，地表移動擴張速率逐漸放緩。分析圖5（b）可知：在-587.5 m水平之前礦體開采對下盤影響較大，此后隨著開采作業(yè)繼續(xù)推進，開采對下盤造成的影響逐步減弱，相似模擬直觀顯示出隨著采礦作業(yè)的推進，下盤塌陷坑附近采空區(qū)被散體充填，下盤邊緣崩落散體隨著開采逐步減少，塌陷坑邊緣表現(xiàn)出滑坡趨勢。至開采結(jié)束，新副井處于開采移動界限之外，新副井附近監(jiān)測點累計最大沉降值為8.5 mm，地表傾斜值為0.017 mm/m，大于《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB 50007—2011）［19］中“50～100 m 建 筑 物 的 傾 斜 值 為0.005 mm/m”的要求。由以上分析可知，-500 m水平以下礦體開采會對新副井造成一定程度的影響，在開采過程中應(yīng)及時針對下盤制定相應(yīng)措施提高端部圍巖的穩(wěn)定性。

3.2 上下盤圍巖應(yīng)變分析

每次開挖結(jié)束，取兩組應(yīng)變穩(wěn)定狀態(tài)下的應(yīng)變值作為監(jiān)測結(jié)果。剔除試驗過程中的損壞應(yīng)變片，將剩余應(yīng)變片劃分為4個區(qū)域。CH2～CH7為A區(qū)，CH8～CH10為B區(qū)，CH13～CH16為C區(qū)，CH17～CH19為D區(qū)；其中，A和B分別表示上盤和下盤近地表圍巖應(yīng)變監(jiān)測，C和D分別表示上盤和下盤遠地表圍巖應(yīng)變監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖6所示，橫軸代表試驗開挖進度工況。

由圖6可知：在開采初期各應(yīng)變片讀數(shù)變化相對較小，隨著后續(xù)開挖的進行，各應(yīng)變片數(shù)值呈現(xiàn)出不同的增長趨勢。4個區(qū)域應(yīng)變值以正數(shù)為主，塌陷坑邊緣為負數(shù)，依據(jù)“拉正壓負”特征可知，深部開采在豎直方向上對近地表圍巖和遠地表圍巖造成的應(yīng)變以拉應(yīng)力為主。對比A區(qū)和C區(qū)、B區(qū)和D區(qū)可以看出深部開采條件下，崩落開采引起的應(yīng)力重分布對近地表區(qū)域圍巖影響較大，對遠地表區(qū)域圍巖影響較弱。

從應(yīng)變值變化規(guī)律來看，在-552.5 m水平之前上盤應(yīng)變值呈現(xiàn)出距離塌陷坑越近應(yīng)變越大的趨勢；隨著開采逐漸往上盤轉(zhuǎn)移，應(yīng)變值逐漸呈現(xiàn)出距離塌陷坑越遠應(yīng)變值越大的趨勢。下盤距離塌陷坑越近應(yīng)變值越大，在-587.5 m水平以后隨著開采的進行，下盤應(yīng)變不再產(chǎn)生強烈波動，并逐漸趨于穩(wěn)定，表明隨著開采的進行，下盤所受影響逐漸減弱，這與千分表地表沉降監(jiān)測結(jié)果呈現(xiàn)一致性。

4 數(shù)值模擬

為檢驗相似模擬結(jié)果的可靠性，采用FLAC3D軟件進行數(shù)值模擬分析，結(jié)合程潮鐵礦地質(zhì)資料進行參數(shù)折減［20］，得到的礦巖物理力學參數(shù)見表2。

4.1 模型構(gòu)建

根據(jù)開采范圍構(gòu)建的數(shù)值模型尺寸為1 650 m×20 m×1 023 m（長×寬×高），采用Ansys軟件劃分成尺寸為20 m×20 m的四面體網(wǎng)格，總計34 211個單元，11 179個節(jié)點，模型效果如圖7所示。模型上邊界為自由邊界，左右邊界和下邊界均采用位移約束條件，模型整體受垂直向下的重力，礦體及所涉巖體采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型。

4.2 數(shù)值模擬對比分析

在模型上下盤布設(shè)與室內(nèi)試驗相對應(yīng)的地表監(jiān)測點，整理模型開挖至-552.5、-587.5、-622.5、-657.5 m分段地表監(jiān)測數(shù)值，得到相應(yīng)上盤地表移動角和下盤沉降值隨開采深度的變化情況，數(shù)值模擬與相似模擬試驗結(jié)果對比見圖8和圖9。

由圖8和圖9可知：就上盤而言，數(shù)值模擬與相似模擬結(jié)果均顯示上盤移動角隨開采增大的趨勢，且大于初期設(shè)計值52°。從工程實際來講，移動角大小與地表移動范圍成反比，由此表明，開采對上盤設(shè)計范圍外地表建筑物的影響有限。對于下盤，從沉降數(shù)值來看，數(shù)值模擬計算結(jié)果偏小于相似模擬，新副井區(qū)域最大沉降值為6.54 mm，地表傾斜值為0.012 mm/m，以上結(jié)果均顯示-657.5 m水平以上礦體開采會對新副井造成一定程度的影響。從變化趨勢來看，-587.5 m水平以上礦體開采對下盤地表沉降影響較大，隨著開采深度的增加對下盤影響逐步減弱，這與相似模擬得出的規(guī)律一致。

綜上所述，程潮鐵礦-500 m水平以下礦體開采對下盤影響主要集中在-587.5 m水平之前，因此有必要針對下盤制定有效的圍巖穩(wěn)固措施，以降低開采對下盤以及地表新副井的影響，如在新副井附近垂直勘探線方向200 m范圍內(nèi)減少爆破頻率，降低爆破振動對邊坡巖體的影響；增大崩落采場結(jié)構(gòu)參數(shù)、優(yōu)化開采順序、采用錨桿聯(lián)系鏈支護技術(shù)等。

5 結(jié) 論

（1）通過相似模擬和數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法，對不同開采深度下塌陷區(qū)周邊巖體移動規(guī)律進行了研究，既直觀揭示了塌陷區(qū)周邊巖體移動規(guī)律，使塌陷區(qū)移動規(guī)律具象化，又較為精確地反映了塌陷區(qū)周邊巖體的穩(wěn)定性狀況。

（2）程潮鐵礦西區(qū)-500 m水平以下礦體開采塌陷區(qū)周邊巖體移動規(guī)律研究表明，開采前期對下盤巖體移動影響較大，隨著礦體開采逐步往上盤轉(zhuǎn)移，對下盤所造成的影響逐步降低。分析結(jié)果可為保障塌陷區(qū)周邊地表重要建（構(gòu)）筑物尤其是新副井的穩(wěn)定性，以及制定合理措施提高端部圍巖穩(wěn)定性提供參考。

（3）對塌陷區(qū)上覆散體的動態(tài)變化給周邊巖體移動規(guī)律帶來的影響研究有待深入，下一步根據(jù)散體側(cè)壓力的變化對其上下盤圍巖穩(wěn)定性的影響進行深入分析。