地下礦山開采巖層移動范圍耦合分析

吳福和 ，覃敏 ，何環莎 ，呂冠穎

(1.銅陵有色金屬集團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任公司， 湖南 長沙 410012；3.金屬礦山安全技術國家重點實驗室， 湖南 長沙 410012)

0 引言

巖體在礦山開采之前維持原有的應力平衡，處于穩定狀態。當礦山進行一系列井下采掘活動時就會打破巖體已形成的應力平衡，從而會引起巖體變形、破壞活動[1]。對于大型地下礦山，采空區數量多、體積大、暴露時間較長，加之風化、雨水侵蝕等，易導致采空區破壞、失穩，發生大量巖石冒落，嚴重時可能會引起連鎖反應，垮塌至地表，同時伴隨沖擊波和礦震，造成嚴重影響。例如，山西煤炭產量占全國煤炭產量的 1/4，采空區面積占全省面積的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濟損失達700億元；三鑫工貿公司都里鐵礦于2005年12月26日13時05分地表突然發生大面積塌陷，形成一個長約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發生了地表塌陷，造成了周邊 30個村莊出現民房開裂的現象，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，加之環境保護的要求，各方已認識到了問題的嚴重性。針對地表沉降變形，國內外學者對其進行了不同程度的研究。國外研究較早，主要分為3個階段：初步認識和假說階段、現場實測和規律認識階段、理論形成及應用階段[4-5]。在第 1階段產生了“垂線理論”、“二等分線理論”、“圓拱形理論”等；第 2階段，通過現場實測研究地表移動的一般規律，如蘇聯學者Gluckauf提出了Gluckau地表移動f計算方法；第3階段開始由實測轉向理論系統化，如波蘭學者Budryk和Knothe提出的幾何理論，總結出正態分布影響函數。國內研究起步較晚，但也進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，開展深部開采環境下巖體長期穩定性和地表沉降規律研究；王建鵬[7]通過建立動態變形監測數據的灰色預報模型及 GA-BP模型來預測預警礦山變形。由于巖體的多異性和復雜性，本文對某礦山的巖體變形規律進行了研究。

1 工程概況

某礦開采灰巖礦、鉛鋅礦，其中以灰巖礦開采為主，設計生產能力為200×104t/a。礦石為棲霞灰巖，局部巖石破碎、裂隙較發育，礦層頂板為泥灰巖、硅化灰巖或與上伏童子巖組鈣質粉砂巖、泥巖呈斷層（F1）接觸。礦層底板為泥灰巖、硅化灰巖或與下伏林地組角巖、變質砂巖呈斷層（F0）接觸。巖石以堅硬為主，巖石質量好，巖體較完整，工程地質性能好。

礦山已斷斷續續開采二十多年，形成了一定規模的采空區，總暴露面積較大。礦山采空區存在超寬超高現象，多數采空區為Ⅲ級（風險較大）和Ⅳ級（風險重大），礦柱留設不規范，甚至有的已經采穿[8]。另外，礦區還存在多層重疊采空區，隔離層礦柱厚度較小等問題。因而，礦山采空區整體上存在一定的失穩風險。

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

圖1 地表沉降開裂實測范圍

2 地表移動范圍的確定

2.1 巖層移動理論計算

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沉降點達到最大值[10]，而多個點達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[11-12]。該礦區礦體傾角一般為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，需通過長期的現場觀察和試驗才能得出[13]，一般確定松散層的移動角為40°～60°，實際上，根據《巖移參數的確定方法》中的各覆巖類型對應移動角的經驗值，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

通過現場調查礦區沉降開裂情況，實測井下垮塌范圍，并運用礦業三維軟件構建三維模型，如圖2所示。以井下垮塌區域的采空區最外側來圈定移動范圍。地表沉降區域最低標高為+960 m，移動角為65°，推算出地表移動線如圖3所示。

圖2 垮塌范圍復合井下采空區三維模型

圖3 地表移動線三維俯視圖

2.2 數值模擬計算

2.2.1 計算模型

采用三維建模軟件及三維有限差分數值模擬軟件，通過計算模型準確反映出礦山采空區間的相對位置關系，并分析礦山采空區開挖過程及采空區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574792個單元網格（見圖4）。

圖4 三維計算模型

2.2.2 模型地層分界及巖石力學參數選取

根據礦山相關設計資料及圖紙，確定計算模型主要涉及地層、相關巖性及厚度，按從上至下的順序列于表1，模型地層分組見圖5。選取了硅化灰巖、灰巖、鉛鋅礦3類礦石進行室內物理力學參數試驗，并折減計算得出巖體力學參數，見表2。

表1 計算模型地層分組

圖5 模型地層分組

表2 巖體力學參數

2.2.3 計算結果

2.2.3.1 位移分析

通過Flac3D數值模擬計算，提取各監測點數據，可以直觀了解各監測點的位移變化趨勢及規律，3個監測點位置見圖6。通過3個監測點的位移變化量可以看出，塌陷區域中心1號監測點的位移變化量很大，最大下沉量達到3.48 m，地表發生了沉降；2號監測點和3號監測點最大位移變化量相對較小，分別為7.3，26.8 cm，與現場實際情況相吻合。

圖6 監測點平面位置

2.2.3.2 地表變形范圍分析

提取地表變形數據，利用插值繪圖軟件 Surfer繪制地表移動變形云圖，再將實際測量的地表擾動區域、地表塌陷區域與等值線圖復合，如圖7所示。比較分析圖7可以看出，模型中地表產生較大變形的區域與實際測量范圍基本相符，Z向最大位移即地表最大下沉量達到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

理論計算和數值模擬結果的對比分析如圖8所示，從圖8可以看到，數值模擬計算的范圍較小，基本上位于理論計算范圍之內，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域，如圖9所示。

圖8 地表移動對比分析復合圖

圖9 地表移動線地形平面

3 地表控制措施

根據地表移動線范圍設置警戒線，并在危險區域外側設置警示標語牌，同時在各個路口設置標識牌，禁止車輛及無關人員進入危險區域，以免發生人員安全事故和財產損失。同時，加強地表的觀測與巡查，做好觀測數據的記錄分析，以確保地表的安全穩定。并在該巖體活動區域建立巖體位移、沉降在線監測系統，預報預警巖體的沉降活動，為礦山的安全生產和安全管理提供科學保障[14]。另外，井下各水平應與垮塌區域做好隔離封堵措施，避免生產區域與垮塌區域進一步相互作用產生更大的危害。

4 結論

在礦區地表沉降開裂范圍實測的基礎上，理論分析和數值模擬均表明巖層會產生巖移活動，發生剩余變形，數值模擬確定的移動范圍相較于理論計算要小，但從安全角度出發，本文以兩者較大值確定了礦區地表巖層的移動范圍。