段村－雷溝礦區地表巖移監測技術研究

趙淑霞

（中鋁礦業有限公司，河南 鄭州450041）

1 研究主要內容

以段村－雷溝礦區為對象，以地理信息系統（GIS）技術為基礎，開發建立礦區地表動態三維地質立體模型，實現對地面地質、地形、地面沉降、工程分布、社會環境的數字化管理。根據礦床賦存條件、圍巖體條件、開采方法等特點，采用三維有限元和離散元方法進行開采過程的數值模擬研究，系統研究采區上覆巖層隨開采過程的變形規律和地表沉陷規律，掌握上覆巖層移和地表沉降（巖移）發展趨勢。在數值模擬研究的基礎上，進行地面沉降觀測方法、觀測方案研究，進行觀測網站站點的優化分析，完成地面觀測網站的設計、在此研究的基礎上，建立地面沉降觀測網站，根據礦山開發計劃進行網站的布設。根據地表地質地形條件，結合開采技術條件、開采計劃，研究地表發生地質災害的可能性、地質災害的類型等，實現對地表沉降觀測資料、可能地質災害的數字化、可視化三維圖形管理和顯示。

研究工作的技術方案主要包括現場調研室內試驗、數值計算三維建模、GIS工作站建立、地表監測網站的優化研究等。基于研究內容和研究開發的技術方法和基本路線可用圖表示流程。

2 巖體力學性質

巖體是地下工程的環境，掌握巖體結構特征及巖體質量、對巖體進行分類、開展巖體工程穩定性評價可為地下巖體工程開挖與支護設計、工程施工、采礦方法選擇、采場結構布置、地壓管理等提供基本依據。根據現有的礦床地質勘查資料、工程進展等條件，開展巖體工程穩定性評價，為礦山建設和生產設計提供基礎資料；同時，在對巖體進行室內試驗測定巖石的相關力學參數的基礎上，根據巖石的力學來確定巖體的力學參數，可為采區巖移和穩定性分析提供巖體的基本力學參數。

圖1 研究開發技術流程圖

2．1 巖體工程地質條件

段村－雷溝礦區屬于高山與平原接壤的低山丘陵地區，總體地勢西高南低、兩邊高中間低的谷地。位于坻塢－仁村一帶，大部分處在兩個低山間的凹地下，以F4斷層為界，分為東、西兩個礦段，西礦段為段村礦段，地表有鋁土礦體出露，西起南坻塢、東至南溝村，東西長6．5km，南北寬1～1．3km；東礦段為雷溝礦段，地表無鋁土礦礦體出露，礦體埋藏相對較深，該礦段西起南溝煤礦、東至上洪陽，東西長7．2km，南北寬0．8～1．5km［1］。

礦山巖石力學參數是礦山開采技術條件的重要指標，對于指導礦山開采設計、井巷工程支護有重要意義，以及為進一步的地壓控制研究等提供基本數據資料。在地質勘查階段，由勘查單位對段村－雷溝礦區的礦、巖石開展了一定量的巖石力學性質實驗研究。經實驗室，目的是在以往巖石力學性質室內研究的基礎上，補充開展巖石的力學性質，完善礦山巖石力學參數，針對干燥條件下的巖石試樣進行力學性質試驗研究，其內容包括巖石的單軸抗壓強度、抗拉強度，測試巖石的抗壓、抗拉強度、彈性模量、泊松比、粘聚力和內摩擦角等力學參數。

表1 巖石單軸抗壓實驗結果

2．2 巖體性質及力學參數

巖體是由巖石與結構面組成的地質結構體，是地下工程建設和生產的環境。巖體的力學性質既取決于巖石的性質，也取決于結構面的性質以及地下水等環境因素的影響。一般認為巖石的強度高，巖體的強度就較高，而結構面的性質在巖體強度的選取上起決定性的作用。對巖體介質選取適當的巖體力學參數是保證工程設計計算、穩定性數值模擬分析結果的可靠性的重要條件。工程巖體因尺寸效應和不連續面的影響，現場巖體的強度往往小于巖塊的強度，在巖體工程設計中，若遇到無連續性好的大地質構造時，應采用巖體強度指標，而不能使用巖塊強度指標。

巖體力學參數確定最直接的方法是在現場進行大尺度的巖體力學參數的測定但現場測定的難度大、時間長、成本高，而且現場測試點的巖體參數對于大尺度的巖體而言難有代表性，所以一般建設工程都很難開展直接測定研究工作。如何估算巖體強度，除了在有條件的地方進行必要的現場實測之外，一般情況下是以巖體質量分類為基礎，對巖體強度進行間接估算。經巖石力學的發展，多年來已形成了節理巖體力學參數估計的工程處理方法，即由巖塊的力學參數。該工程處理方法經許多個工程的驗證是切實可行的，其結果是可靠的。另外，一些學者在大量巖體工程實際測試和室內巖石力學實驗的數據的基礎上，采用統計分析的方法來確定相關巖體和巖石強度以及其他力學參數。

3 段村－雷溝礦地表巖移三維有限元模擬研究

有限元模擬法［1］比有限單元法、邊界單元法、離散單元法概念清晰、原理簡潔，易為大多數人接受，更為重要的是該方法更為成熟［2］。

隨著開采跨度逐漸增加、采空區范圍擴大，需要分析圍巖變形、開裂、冒落，地表出現大面積移動、塌陷，造成上覆巖層破壞。由于上覆巖層復雜的地質結構體，具有非均質、非連續、非線性等特征，且礦山開采是一個復雜的力學變化過程，無法用常規方法來解析，有限元數值模擬技術可以建立復雜的上覆巖層、鋁土礦組成的地質模型，再現鋁土礦開采造成上覆巖層的破壞、地表巖移甚至塌陷的變化規律。建模時，根據工程勘查的各剖面，在做一定簡化，完成對礦區的三維地質模型、有限元計算三維模型、礦體三維模型。由于上覆巖層存在大量的地質結構面，導致各力學參數不同，模擬時簡化為礦體、上盤、直接頂、下盤四層。同時依據《可研報告》［3］，確定開采范圍及標高。對建立的有限元模型在自重應力場及邊界約束條件進行分析計算出所有計算單元的巖體應力大小與方向，根據這些參數可進一步給出采區范圍內巖體應力大小與方向、巖體屈服范圍，變形與移動量值以及巖移方向，為地表巖移分析提供數據。最后采用處理切片技術，依據地質模型體剖面劃分結果，分布計算上覆巖體破壞情況及地表巖移、沉陷結果。

通過有限元極限分析法，充分考慮了巖層實際力學性質，模擬地表不同地貌形態、礦體賦存狀態條件、不同開采跨度條件下鋁土礦開采引起上覆地層移動和地表沉降量值。通過研究，塑性屈服（破壞）區形成與發展按不對稱性的倒喇叭狀從采區邊緣向上擴展至地表，并不按傳統意義上崩落采礦法的崩落角從采場邊緣以喇叭狀向上擴展到地表，且上覆巖層的變形和移動以及崩塌不是直線向上擴展的，而是非直線的復雜擴展過程。

4 研究結論與建議

段村－雷溝礦區為國內金屬礦山的大型礦區，礦床展布范圍廣，開采范圍大，地表地質地形（河流分布）與人文（村鎮、公路工業建筑、良田旱地等）環境復雜，礦床埋深不大，且淺部巖層遭受民采破壞，地下巖體工程地質條件也很復雜。這些復雜條件的綜合作用將直接影響礦山開采工程中的地表巖移與沉陷，預防地表地質災害的發生將是礦山不可回避的問題。因此，開展地表巖移技術研究不僅是建設一流的現代化礦山的要求，也是搞好礦山與地方關系、建設和諧社會的需要；同時，加強地表巖移監（觀）測對于確定地表安全范圍，減少土地征用，保護地表環境等，將會產生顯著的經濟效益。本文圍繞段村－雷溝地表巖移技術問題開展研究，是開展大規模地表巖移監測的前期研究，對今后實際工作提出以下建議。

1）建議在井巷工程建設過程中，繼續開展詳細的巖體節理裂隙工程地質調查與工程巖體穩定性評價工作，為井巷工程與采場圍巖穩定性評價及其支護提供依據。

2）在具體的工程建設和生產階段，建議分區段對井下揭露的圍巖層的巖石力學性質做進一步的實驗研究，掌握準確的工程圍巖巖石力學性質，與巖體節理裂隙調查相結合，完善對巖體的力學性質的掌握。

3）地表巖移是一個極為復雜的物理力學過程，受礦區巖體工程地質條件、水文地質條件、礦區賦存條件、開采幾何尺寸、采礦方法、開采順序、開采強度等綜合因素的影響，在實際生產過程中還需要加強進一步的地表巖移研究工作，探索開采與地表巖移的量化關系。

4）由于礦區地表環境的特殊性，建議礦山盡早建立地表巖移監（觀）測站點，開展監（觀）測工作，以便在生產開采之前獲得地表測點的初始數據。

5）為了科學合理地從事礦山開采與井巷工程支護設計、礦山低壓與巖移分析等，原巖應力測試工作，掌握原巖應力的大小、方向，以及隨深度變化的規律。

6）在段村－雷溝礦區建立起來的局域網絡系統，不僅可以作為將來地表巖移監（觀）測技術數據處理與管理的平臺，也可以作為礦山其他技術管理的綜合平臺，充分發揮其作用。

［1］ 朱伯芳．有限單元法原理與應用［M］．北京：中國水利水電出版社，1998．

［2］ 中國鋁業股份有限公司礦業分公司、河南省有色金屬地質勘查總院．河南省澠池縣段村－雷溝礦區鋁土礦勘查報告［R］．2005．

［3］ 長沙有色冶金設計研究院．中鋁礦業分公司段村－雷溝鋁土礦采礦工程可行性研究報告［R］．2006．