高速公路壓覆礦體開采地表變形預測

曹易恒，尹賢剛，李向東，甯瑜琳

(1.長沙礦山研究院有限責任公司，長沙410012；2.國家金屬采礦工程技術研究中心，長沙410012)

建筑物下、鐵(公)路下和水體下埋藏的礦體稱為“三下”礦體，“三下”礦體的開采可能導致位于地表的建筑物、交通工程、水利工程發生破壞失穩，從而產生一系列威脅人員生命財產安全的問題[1]。

壓覆礦體開采的關鍵是如何控制地下開采引起上覆巖層和地表移動變形，國內外已有許多研究人員對此進行了研究。許家林等提出關鍵層理論，分析了關鍵層活動對覆巖與地表移動的影響[2]；劉仁冬等通過數值模擬方式研究了“三下”礦體開采造成的地表移動變形，分析了地表移動變形規律[3-5]；陳則連等通過理論計算或數值模擬研究了公路鐵路下開采造成的地表移動變形，并提出了具體的保護措施[6-8]；王偉等采用數值模擬方式研究了充填采礦法的地表變形，表明充填體對減小采礦引起地表變形具有重要作用[9-10]。

本研究以盤龍鉛鋅礦礦區的高速公路壓覆礦體開采為例，綜合利用理論計算和數值模擬的方式得出壓覆礦體開采造成的地表移動變形結果，并導出數值模擬結果進行后處理，生成地表移動變形等值線復合圖，以此可直觀對照大致得出諸如建筑物、公路等地表保護對象的移動變形值，從而判定壓覆礦體開采是否會使得高速公路發生破壞。

1 工程概況

礦區主要出露地層為第四系土層，平均厚度16 m。礦區地表有建筑物、河流、公路等，地表不允許塌陷，其中礦區4～6勘探線之間有高速公路通過，礦區東部有寬約500 m、水位40～45 m的黔江流過，為防止突水淹礦和嚴重巖溶地面塌陷問題的發生，礦區東部設有注漿帷幕擋水工程。東部礦體主要賦存于白云巖中，總體走向北東向，走向長750 m，最大傾斜延伸1 100 m，傾向340°，傾角平均82°，厚度平均18 m，賦存標高62～-1 140 m。

為延長礦山服務年限，增加可采資源儲量，綜合考慮后決定試采位于2～16線，-220 m標高以下高速公路壓覆的礦體，設計采礦方法為機械化上向水平分層充填法，中段高60 m，采場垂直走向布置，兩步驟回采，礦房礦柱寬度均為15 m，分層高度4～5 m。

2 理論計算

概率積分法基本原理是以正態分布函數為影響函數用積分式表示地表下沉盆地，是我國應用于地表開采沉陷預測比較成熟的一種理論預計方法。本文具體采用了P系數法、條帶經驗公式法、特殊開采法三種計算方法進行預測，三種計算方法的計算結果見表1，計算結果與2017年頒發的《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》規程對比可知，理論計算結果滿足規程安全要求，表明地表建構筑物未發生破壞。

表1 概率積分法理論計算結果

3 數值模擬

3.1 模型建立及參數

依據勘探線剖面圖提取的礦巖邊界，綜合利用3Dmine生成礦體邊界、Midas GTS建立礦體實體并劃分網格、FLAC3D模擬開挖計算，最終實現壓覆礦體數值模擬開挖計算。模型X方向長1 500 m，Y方向長500 m，Z方向-1 100 m至地表，數值模擬計算模型如圖1所示。模型單元體數量為126.6萬，節點數量為23.9萬。

圖1 數值模擬計算模型Fig.1 Numerical simulation model

約束方式為邊界位移約束，模型X、Y方向端部平面分別只約束X方向、Y方向位移，模型底部只約束Z方向位移，頂部地表面為自由邊界。將模型巖體簡化為各向同性的材料，以Mohr-Coulomb準則為屈服準則，礦巖力學參數具體見表2。

表2 礦巖物理力學參數表

3.2 開挖步驟及回采順序

模擬開挖步驟依照該礦山壓覆礦體機械化上向水平分層充填法回采方案，中段間的開挖順序為由上至下，依次回采充填-380 m中段至-980 m中段，最后回采充填-270 m、-320 m中段；中段內的開挖順序為兩步驟回采，隔一采一，一步驟采場回采寬度15 m，二步驟采場回采寬度15 m，同一水平的采場同時作業。模擬回采充填步驟見表3。

表3 模擬回采充填步驟表

3.3 模擬計算結果

由于FLAC3D云圖等值線上沒有標明數值，且無法單獨展示地表移動變形云圖，由此導出的地表移動變形云圖可讀性不強，利用相關軟件將結果進行可視化后處理便于直觀閱讀地表移動變形結果，后處理所得等值線復合圖具體如下：

地表最大沉降量約為12.3 mm，主要位于6～10線，地表沉降變形情況如圖2所示；地表最大傾斜絕對值0.011 7 mm/m，位于16線附近，地表傾斜變形情況如圖3所示；地表水平變形情況如圖4所示，地表最大水平變形絕對值為0.010 6 mm/m；地表最大曲率絕對值為0.003×10-3/m，位于X=37 369 100，Y=2 600 300附近。

圖2 地表沉降位移等值線復合圖Fig.2 Composite contour sheet of surface settlement displacement

圖3 地表傾斜變形情況Fig.3 Surface tilt deformation

3.4 結果分析

2017年頒發的《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》，其中規定地表移動邊界按實測下沉值10 mm的點確定，Ⅰ級保護建筑物的變形臨界允許值：傾斜變形i=±3 mm/m，水平變形ε=±2 mm/m，曲率變形K=±0.2×10-3/m。

圖5 地表沉降三維云圖Fig.5 Three dimensional cloud chart of surface settlement

依據數值模擬結果，按沉降10 mm作為邊界可圈出地表沉降盆地東西向邊界。對比分析地表沉降三維云圖(圖5)和地表最大變形-沉降等值線復合圖(圖6)可知，地表最大傾斜變形0.011 7 mm/m，位于地表沉降盆地中腰部；地表最大水平變形0.010 6 mm/m，位于模型邊界、沉降量最大區域；最大曲率變形0.003×10-3/m，位于沉降量最大區域、沉降盆地中心圈內。由表4數值模擬結果與規程要求對比可知，以上變形結果均小于臨界允許值，這表明壓覆礦體模擬開采后，地表建構筑物未發生破壞。

圖6 地表最大變形-沉降等值線復合圖Fig.6 Composite contour sheet of maximum surface deformation and settlement

表4 數值模擬結果表

4 結論

為探討“三下”礦體開采引起的地表移動變形，以盤龍鉛鋅礦高速公路壓覆礦體開采為例，采用數值模擬和理論計算的方法進行研究，取得如下結論：

1)概率積分法理論計算得出地表最大傾斜變形0.101 mm/m、最大水平變形0.078 mm/m、最大曲率變形0.000 4×10-3/m；數值模擬得出地表最大傾斜變形0.011 7 mm/m、最大水平變形0.010 6 mm/m、最大曲率變形0.003×10-3/m。理論計算和數值模擬結果均符合規程要求，表明壓覆礦體開挖后，包括高速公路在內的地表建構筑物未發生破壞。

2)最大傾斜變形位于沉降盆地中腰部，最大水平變形位于沉降量大的模型邊界，最大曲率變形位于沉降盆地中心圈內。

3)數值模擬分析及理論計算結果為研究高速公路壓覆礦體開采引起地表移動變形和論證類似壓覆礦體是否能開采提供了依據，對于類似礦山具有重要意義。