某鐵礦掛幫礦開采對地表攔洪壩的影響

陳順滿 許夢國 王 平，2 李 斌 徐 釗 雒 凱

(1.武漢科技大學資源與環境工程學院，湖北武漢430081; 2.華中科技大學土木工程與力學學院，湖北武漢430074)

充填采礦方法被認為是一種對采動影響較小，能夠抑制地表變形的采礦方法［1］。它對圍巖和地表需要保護、地壓比較大、埋藏比較深、地質條件比較復雜的礦體開采具有比較特殊的優勢。充填采礦方法的應用將越來越廣泛，尤其是在一些有色金屬礦山和貴重金屬礦山。其中我國在有色金屬大中型地下礦山利用充填法開采的約占總數的45%，黃金中小型地下礦山約占總數的37%［2］。

地表變形與巖層移動受礦山地層巖性、地質構造、地應力場、礦體賦存條件、采礦方法等多種因素影響，在不同情況下各因素的影響程度不同［3-5］。本研究針對某鐵礦區攔洪壩變形的現狀，預測掛幫礦一號礦體、掛幫礦二號礦體、掛幫礦三號礦體在不同的開采情況下，地表的變形情況以及攔洪壩的變形情況，運用FLAC3D軟件進行計算，最終對攔洪壩的安全性進行評價，為礦山的安全生產提供依據。

1 礦區概況

某鐵礦主要采用無底柱分段崩落法進行開采，在整個礦區開采范圍已經形成了很大的塌陷區域，在東塌陷區周邊攔洪壩附近殘留有一些小的礦體，被稱之為“掛幫礦”。該部分礦體主要賦存在－75～－150 m標高之間，礦體厚度約為20 m，沿走向長度為150 m左右，礦體規模較小，為急傾斜礦體，在掛幫礦三號礦體上方附近有攔洪壩水庫，礦區概況如圖1所示，圖2為選取的典型剖面A－A。掛幫礦的開采可能會影響某鐵礦攔洪壩及攔洪壩水庫的安全，同時塌陷區可能會進一步擴大，因此有必要研究充填法開采掛幫礦對攔洪壩的影響。

圖1 礦區概況Fig.1 The distribution ofm ining outline

圖2 A－A典型剖面圖Fig.2 Typical A－A section

為了保證攔洪壩水庫的安全，創造良好的回采工藝條件，提高勞動生產力，本次數值模擬采用平底結構的分段空場留礦嗣后充填采礦法對礦體進行開采。目前攔洪壩水庫東西岸，均存在一些裂縫，為了保證安全，礦山對其進行了注漿填堵，自從2010年1月開始，礦山就開始對地表進行監測，該區域已經進入到變形區域。

2 數值建模

2.1 模型的建立原則

如圖1，本研究以典型剖面A－A為基礎，建立三維模型。運用有限元軟件Ansys workbench對研究對象建立三維模型并劃分網格，模型的尺寸為長×寬×高為920 m×3 m×460 m，將網格劃分為六面體網格，共劃分為47 847個單元，337 232個節點，如圖3所示。再將劃分好網格的模型導入到FLAC3D中，先進行應力場初始化，然后在初始化的基礎上對位移和速度清零，之后對模型施加邊界條件，對巖體賦力學參數，再進行計算。掛幫礦分布比較分散，開采順序為掛幫礦一號礦體→掛幫礦二號礦體→掛幫礦三號礦體，見表1。

圖3 網格劃分示意圖Fig.3 The sketch of themesh generation

表1 模擬開采方案簡要說明Table1 The brief explanation of simulation m ining scheme

2.2 初始條件及邊界條件

應力約束邊界上的水平應力主要由自重應力水平分量和水平構造應力兩部分相互疊加而成，自重應力以及自重應力的水平分量可由下式得到［6］，即

式中，σv為自重應力，σH為自重應力的水平分量，μ為上覆巖層的泊松比，γ為巖體的容重，H為距離地表的深度。

綜合現場實測認為，由于模擬開采的區域深度不大，構造應力現象不明顯，因此只考慮自重應力場的影響。對模型的左右兩個側面施加水平位移約束，對前后2個側面施加固定位移約束，并將邊界的初始水平位移清零，對底部施加豎直約束，模型的上部為地表，為自由約束。

2.3 礦巖及充填體力學參數

通過對本礦區進行實地考察，確定將大理巖、矽卡巖、花崗巖、亞砂土、閃長巖、磁鐵礦作為計算主要考慮的巖體。計算中所采用的物理力學參數主要是通過在現場進行采樣，再在實驗室通過巖石力學實驗得到。得到的主要巖體物理力學性質參數進行相應的折減之后如表2所示。

表2 計算模型的巖體力學參數Table2 Themechanical parameters of rock masses for the com putingmodel

2.4 本構模型的選擇

大理巖、矽卡巖、花崗巖、亞砂土、閃長巖、磁鐵礦為主要考慮的巖體，均屬于彈塑性材料，故采用摩爾－庫侖屈服準則進行計算［7］:

式中，σ1、σ3分別為最大主應力和最小主應力;N= (1+sin)/(1－sin);c、分別為材料黏結力和摩擦角。當fs＜0時進入剪切屈服;當fs＞0時進入拉伸屈服。

3 數值模擬結果分析

通過對整個礦區進行三維數值模擬，在地表攔洪壩附近從左向右依次布置11個監測點觀測地表的變形情況，其中每隔12 m布置1個監測點。在模擬開采的過程中對各監測點的豎直位移和水平位移變形監測，最后分析在不同的開采條件下嗣后充填法開采對地表變形的影響。

3.1 開采過程中地表變形位移及影響范圍分析

根據FLAC3D進行數值模擬計算得到的地表變形范圍、地表沉降量如圖4～圖6所示。隨著地下礦體的開采，變形逐漸影響到地表，地表由原來的標高逐漸向下沉降，且影響的區域大于開采的礦體區域，礦體的上盤巖層移動要大于礦體下盤巖層的移動區域。從沉降圖中，可以看出，隨著開采范圍的增加，地表沉降的影響范圍也在不斷地增加，只開采掛幫礦一號礦體的情況下，地表出現了第一個沉降中心，影響區域主要為一號礦體上方區域，影響范圍呈碗型分布，每開挖一個分段，影響半徑和影響高度都相應地增加。繼續開挖二號和三號礦體，地表上分別呈現了第二個、第三個碗型影響區域和對應的沉降中心，地表的影響區域越來越大，且地表的最大沉降量為10.498 cm。3個沉降中心的最大沉降量分別為10.498、 8.342、8.498 cm。

圖4 開挖掛幫礦一號礦體地表沉降圖Fig.4 The surface subsidence figure of excavation N0.1 Hanging wall ore

圖5 開挖掛幫礦二號礦體地表沉降圖Fig.5 The surface subsidence figure of excavation N0.2 Hanging wall ore

圖6 開挖掛幫礦三號礦體地表沉降圖Fig.6 The surface subsidence figure of excavation N0.3 Hanging wall ore

3.2 攔洪壩監測點沉降位移分析

從圖4、圖5、圖6可以看出，隨著礦體的開采，地表的影響區域越來越大。通過對攔洪壩附近11個控制點進行監測，得到礦體在開采過程中每個監測點的沉降值，如表3所示。從表3可以看出，在開挖掛幫礦一號礦體的情況下，攔洪壩附近的監測點地表沉降數值較小，其中11號監測點的沉降最大，為2.518 cm。再繼續開挖掛幫礦二號礦體，11號監測點的沉降值最大，為2.812 cm，各個監測點的沉降值較只開挖掛幫礦一號礦體的情況下要大，此基礎上，開采掛幫礦三號礦體，各個監測點的沉降值急劇增加，其中4號監測點的沉降值最大，為8.498 cm。

3.3 掛幫礦開采對地表攔洪壩的影響

通過數值模擬掛幫礦一號礦體、掛幫礦二號礦體、掛幫礦三號礦體在不同的條件下進行充填法開采，得到地表和攔洪壩的變形情況。在只開挖掛幫礦一號礦體的情況下，攔洪壩附近沉降數值較小，且隨著各個分段的開采，沉降值變化不大，比較穩定，而開采掛幫礦二號礦體之后，攔洪壩附近沉降稍有增加，影響區域也相應的擴大，而當開采掛幫礦三號礦體之后，攔洪壩沉降速率急劇增加，最大沉降為開采二號礦體之后最大沉降值的3倍左右，表明掛幫礦三號礦體的開挖對攔洪壩的影響很大，使攔洪壩的安全受到威脅。而對于本礦區，通過對現場進行考察，目前攔洪壩已經進入變形區域，東西區都產生了一些小的裂縫［8］，礦山已經采取了相應的措施對其進行封堵注漿等處理。繼續開挖三號礦體，攔洪壩沉降速率會急劇增加，地表受擾動影響較大，可能會使攔洪壩附近產生新的裂縫，加劇攔洪壩的變形，對地表環境造成一定程度的影響，引起攔洪壩中的水滲流到采空區，充填體被沖刷，甚至引發泥石流等地質災害。

表3 攔洪壩地表監測點值Table3 The subsidence value of the flood－control dam surfacem onitoring points

4 結論

(1)采用嗣后充填采礦方法對掛幫礦進行開采，仍然會對地表產生一定的影響，地表發生小范圍的變形移動，使攔洪壩水庫及地表建筑物安全受到威脅，因此在實際生產中，有必要在礦體開采過程中對地表進行監測和預防。同時由于采空區中不穩定，在每個礦房開采完畢之后，應該及時對采空區進行充填，加強安全生產，以減小開采對地表的影響。

(2)通過對比掛幫礦一號礦體、掛幫礦二號礦體、掛幫礦三號礦體在不同的開采情況下，地表的變形情況以及攔洪壩各個監測點的沉降值，建議攔洪壩周圍禁止一切開采活動，掛幫礦三號礦體暫時不能開采，對于掛幫礦二號礦體的開采，應該嚴格按照開采設計要求進行。

(3)地表變形是一個長期復雜的過程，它與地下水、斷層、構造應力、充填質量爆破震動等等因素都有關，而本研究只考慮了一些比較重要的因素進行數值模擬。同時本研究采用的是有限元的方法對其進行模擬，模擬得到的結果與實際有一定的差距，但是能夠反映地表變形的趨勢，對礦山的安全生產具有一定的指導意義。

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