地下礦山開采巖層移動范圍耦合分析

吳福和 ，覃敏 ，何環(huán)莎 ，呂冠穎

(1.銅陵有色金屬集團(tuán)股份有限公司安慶銅礦， 安徽 銅陵市 246131；2.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長沙 410012；3.金屬礦山安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南 長沙 410012)

0 引言

巖體在礦山開采之前維持原有的應(yīng)力平衡，處于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)?shù)V山進(jìn)行一系列井下采掘活動時(shí)就會打破巖體已形成的應(yīng)力平衡，從而會引起巖體變形、破壞活動[1]。對于大型地下礦山，采空區(qū)數(shù)量多、體積大、暴露時(shí)間較長，加之風(fēng)化、雨水侵蝕等，易導(dǎo)致采空區(qū)破壞、失穩(wěn)，發(fā)生大量巖石冒落，嚴(yán)重時(shí)可能會引起連鎖反應(yīng)，垮塌至地表，同時(shí)伴隨沖擊波和礦震，造成嚴(yán)重影響。例如，山西煤炭產(chǎn)量占全國煤炭產(chǎn)量的 1/4，采空區(qū)面積占全省面積的1/7，其中近6000 km2受到開采沉陷影響，2010年，因地表沉降或塌陷造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)700億元；三鑫工貿(mào)公司都里鐵礦于2005年12月26日13時(shí)05分地表突然發(fā)生大面積塌陷，形成一個(gè)長約100 m、寬約50 m、平均深度60 m的大坑，造成8人被埋，3人失蹤的特大事故[2]；1994年，江蘇省徐州市賈旺礦區(qū)發(fā)生了地表塌陷，造成了周邊 30個(gè)村莊出現(xiàn)民房開裂的現(xiàn)象，涉及村民 9000多戶、共3萬多人[3]。

礦山開采引起的地表沉降開裂不在少數(shù)，加之環(huán)境保護(hù)的要求，各方已認(rèn)識到了問題的嚴(yán)重性。針對地表沉降變形，國內(nèi)外學(xué)者對其進(jìn)行了不同程度的研究。國外研究較早，主要分為3個(gè)階段：初步認(rèn)識和假說階段、現(xiàn)場實(shí)測和規(guī)律認(rèn)識階段、理論形成及應(yīng)用階段[4-5]。在第 1階段產(chǎn)生了“垂線理論”、“二等分線理論”、“圓拱形理論”等；第 2階段，通過現(xiàn)場實(shí)測研究地表移動的一般規(guī)律，如蘇聯(lián)學(xué)者Gluckauf提出了Gluckau地表移動f計(jì)算方法；第3階段開始由實(shí)測轉(zhuǎn)向理論系統(tǒng)化，如波蘭學(xué)者Budryk和Knothe提出的幾何理論，總結(jié)出正態(tài)分布影響函數(shù)。國內(nèi)研究起步較晚，但也進(jìn)行了大量的研究工作，如周敏[6]以南京棲霞山鉛鋅礦為依托，開展深部開采環(huán)境下巖體長期穩(wěn)定性和地表沉降規(guī)律研究；王建鵬[7]通過建立動態(tài)變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的灰色預(yù)報(bào)模型及 GA-BP模型來預(yù)測預(yù)警礦山變形。由于巖體的多異性和復(fù)雜性，本文對某礦山的巖體變形規(guī)律進(jìn)行了研究。

1 工程概況

某礦開采灰?guī)r礦、鉛鋅礦，其中以灰?guī)r礦開采為主，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為200×104t/a。礦石為棲霞灰?guī)r，局部巖石破碎、裂隙較發(fā)育，礦層頂板為泥灰?guī)r、硅化灰?guī)r或與上伏童子巖組鈣質(zhì)粉砂巖、泥巖呈斷層（F1）接觸。礦層底板為泥灰?guī)r、硅化灰?guī)r或與下伏林地組角巖、變質(zhì)砂巖呈斷層（F0）接觸。巖石以堅(jiān)硬為主，巖石質(zhì)量好，巖體較完整，工程地質(zhì)性能好。

礦山已斷斷續(xù)續(xù)開采二十多年，形成了一定規(guī)模的采空區(qū)，總暴露面積較大。礦山采空區(qū)存在超寬超高現(xiàn)象，多數(shù)采空區(qū)為Ⅲ級（風(fēng)險(xiǎn)較大）和Ⅳ級（風(fēng)險(xiǎn)重大），礦柱留設(shè)不規(guī)范，甚至有的已經(jīng)采穿[8]。另外，礦區(qū)還存在多層重疊采空區(qū)，隔離層礦柱厚度較小等問題。因而，礦山采空區(qū)整體上存在一定的失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。

2019年9月22日，礦區(qū)地表發(fā)生了沉降開裂，導(dǎo)致一定范圍內(nèi)巖體錯(cuò)動、房屋開裂[9]。經(jīng)測量，地表最大沉降量約5 m，最大裂縫寬度達(dá)20 cm，地表沉降范圍約 12400 m2，開裂范圍約 62500 m2（見圖1）。通過現(xiàn)場勘查，基本判斷為井下采空區(qū)大面積、跨中段連續(xù)垮塌，并且與地下溶洞相互影響，造成地表沉降開裂。

圖1 地表沉降開裂實(shí)測范圍

2 地表移動范圍的確定

2.1 巖層移動理論計(jì)算

通常，地下礦山采動越充分，對地表巖層影響越大。充分采動的定義是地表只有一個(gè)沉降點(diǎn)達(dá)到最大值[10]，而多個(gè)點(diǎn)達(dá)到最大值意味著超常采動。地表移動范圍還與礦山開采深度、開采厚度、采礦方法及地壓管理辦法等因素相關(guān)[11-12]。該礦區(qū)礦體傾角一般為10°～25°，為緩傾斜礦層，地表移動形成的盆地中心與礦山井下采空區(qū)中心對稱分布。

2.1.1 移動角的選擇

由于巖層移動角影響因素眾多，需通過長期的現(xiàn)場觀察和試驗(yàn)才能得出[13]，一般確定松散層的移動角為40°～60°，實(shí)際上，根據(jù)《巖移參數(shù)的確定方法》中的各覆巖類型對應(yīng)移動角的經(jīng)驗(yàn)值，該礦體屬于非層狀礦體，礦體傾角為10°～25°，松散層厚度較小，約10 m，確定基巖移動角為65°。

2.1.2 地表移動范圍

通過現(xiàn)場調(diào)查礦區(qū)沉降開裂情況，實(shí)測井下垮塌范圍，并運(yùn)用礦業(yè)三維軟件構(gòu)建三維模型，如圖2所示。以井下垮塌區(qū)域的采空區(qū)最外側(cè)來圈定移動范圍。地表沉降區(qū)域最低標(biāo)高為+960 m，移動角為65°，推算出地表移動線如圖3所示。

圖2 垮塌范圍復(fù)合井下采空區(qū)三維模型

圖3 地表移動線三維俯視圖

2.2 數(shù)值模擬計(jì)算

2.2.1 計(jì)算模型

采用三維建模軟件及三維有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件，通過計(jì)算模型準(zhǔn)確反映出礦山采空區(qū)間的相對位置關(guān)系，并分析礦山采空區(qū)開挖過程及采空區(qū)垮塌之后對地表的影響范圍。x方向長度為1365 m；y方向長度為1776 m；z方向范圍為+400 m至地表。模型共計(jì)574792個(gè)單元網(wǎng)格（見圖4）。

圖4 三維計(jì)算模型

2.2.2 模型地層分界及巖石力學(xué)參數(shù)選取

根據(jù)礦山相關(guān)設(shè)計(jì)資料及圖紙，確定計(jì)算模型主要涉及地層、相關(guān)巖性及厚度，按從上至下的順序列于表1，模型地層分組見圖5。選取了硅化灰?guī)r、灰?guī)r、鉛鋅礦3類礦石進(jìn)行室內(nèi)物理力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)，并折減計(jì)算得出巖體力學(xué)參數(shù)，見表2。

表1 計(jì)算模型地層分組

圖5 模型地層分組

表2 巖體力學(xué)參數(shù)

2.2.3 計(jì)算結(jié)果

2.2.3.1 位移分析

通過Flac3D數(shù)值模擬計(jì)算，提取各監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)，可以直觀了解各監(jiān)測點(diǎn)的位移變化趨勢及規(guī)律，3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)位置見圖6。通過3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的位移變化量可以看出，塌陷區(qū)域中心1號監(jiān)測點(diǎn)的位移變化量很大，最大下沉量達(dá)到3.48 m，地表發(fā)生了沉降；2號監(jiān)測點(diǎn)和3號監(jiān)測點(diǎn)最大位移變化量相對較小，分別為7.3，26.8 cm，與現(xiàn)場實(shí)際情況相吻合。

圖6 監(jiān)測點(diǎn)平面位置

2.2.3.2 地表變形范圍分析

提取地表變形數(shù)據(jù)，利用插值繪圖軟件 Surfer繪制地表移動變形云圖，再將實(shí)際測量的地表擾動區(qū)域、地表塌陷區(qū)域與等值線圖復(fù)合，如圖7所示。比較分析圖7可以看出，模型中地表產(chǎn)生較大變形的區(qū)域與實(shí)際測量范圍基本相符，Z向最大位移即地表最大下沉量達(dá)到4.02 m，X向、Y向最大變形值分別為 0.92，1.1 m。另外，還可以看出，X、Y方向的擾動范圍比實(shí)際測量范圍更大。

圖7 模擬地表變形等值線

2.3 地表移動范圍的確定

理論計(jì)算和數(shù)值模擬結(jié)果的對比分析如圖8所示，從圖8可以看到，數(shù)值模擬計(jì)算的范圍較小，基本上位于理論計(jì)算范圍之內(nèi)，從安全的角度來看，取兩者較大值，確定礦山下一步安全開采有效的防范區(qū)域，如圖9所示。

圖8 地表移動對比分析復(fù)合圖

圖9 地表移動線地形平面

3 地表控制措施

根據(jù)地表移動線范圍設(shè)置警戒線，并在危險(xiǎn)區(qū)域外側(cè)設(shè)置警示標(biāo)語牌，同時(shí)在各個(gè)路口設(shè)置標(biāo)識牌，禁止車輛及無關(guān)人員進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域，以免發(fā)生人員安全事故和財(cái)產(chǎn)損失。同時(shí)，加強(qiáng)地表的觀測與巡查，做好觀測數(shù)據(jù)的記錄分析，以確保地表的安全穩(wěn)定。并在該巖體活動區(qū)域建立巖體位移、沉降在線監(jiān)測系統(tǒng)，預(yù)報(bào)預(yù)警巖體的沉降活動，為礦山的安全生產(chǎn)和安全管理提供科學(xué)保障[14]。另外，井下各水平應(yīng)與垮塌區(qū)域做好隔離封堵措施，避免生產(chǎn)區(qū)域與垮塌區(qū)域進(jìn)一步相互作用產(chǎn)生更大的危害。

4 結(jié)論

在礦區(qū)地表沉降開裂范圍實(shí)測的基礎(chǔ)上，理論分析和數(shù)值模擬均表明巖層會產(chǎn)生巖移活動，發(fā)生剩余變形，數(shù)值模擬確定的移動范圍相較于理論計(jì)算要小，但從安全角度出發(fā)，本文以兩者較大值確定了礦區(qū)地表巖層的移動范圍。