陳順滿 許夢(mèng)國(guó) 王 平，2 李 斌 徐 釗 雒 凱

(1.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北武漢430081; 2.華中科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖北武漢430074)

充填采礦方法被認(rèn)為是一種對(duì)采動(dòng)影響較小，能夠抑制地表變形的采礦方法［1］。它對(duì)圍巖和地表需要保護(hù)、地壓比較大、埋藏比較深、地質(zhì)條件比較復(fù)雜的礦體開采具有比較特殊的優(yōu)勢(shì)。充填采礦方法的應(yīng)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(guó)在有色金屬大中型地下礦山利用充填法開采的約占總數(shù)的45%，黃金中小型地下礦山約占總數(shù)的37%［2］。

地表變形與巖層移動(dòng)受礦山地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地應(yīng)力場(chǎng)、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(duì)某鐵礦區(qū)攔洪壩變形的現(xiàn)狀，預(yù)測(cè)掛幫礦一號(hào)礦體、掛幫礦二號(hào)礦體、掛幫礦三號(hào)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(yùn)用FLAC3D軟件進(jìn)行計(jì)算，最終對(duì)攔洪壩的安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)，為礦山的安全生產(chǎn)提供依據(jù)。

1 礦區(qū)概況

某鐵礦主要采用無底柱分段崩落法進(jìn)行開采，在整個(gè)礦區(qū)開采范圍已經(jīng)形成了很大的塌陷區(qū)域，在東塌陷區(qū)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(biāo)高之間，礦體厚度約為20 m，沿走向長(zhǎng)度為150 m左右，礦體規(guī)模較小，為急傾斜礦體，在掛幫礦三號(hào)礦體上方附近有攔洪壩水庫，礦區(qū)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(huì)影響某鐵礦攔洪壩及攔洪壩水庫的安全，同時(shí)塌陷區(qū)可能會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大，因此有必要研究充填法開采掛幫礦對(duì)攔洪壩的影響。

圖1 礦區(qū)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(chuàng)造良好的回采工藝條件，提高勞動(dòng)生產(chǎn)力，本次數(shù)值模擬采用平底結(jié)構(gòu)的分段空?qǐng)隽舻V嗣后充填采礦法對(duì)礦體進(jìn)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(duì)其進(jìn)行了注漿填堵，自從2010年1月開始，礦山就開始對(duì)地表進(jìn)行監(jiān)測(cè)，該區(qū)域已經(jīng)進(jìn)入到變形區(qū)域。

2 數(shù)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(chǔ)，建立三維模型。運(yùn)用有限元軟件Ansys workbench對(duì)研究對(duì)象建立三維模型并劃分網(wǎng)格，模型的尺寸為長(zhǎng)×寬×高為920 m×3 m×460 m，將網(wǎng)格劃分為六面體網(wǎng)格，共劃分為47 847個(gè)單元，337 232個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖3所示。再將劃分好網(wǎng)格的模型導(dǎo)入到FLAC3D中，先進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)初始化，然后在初始化的基礎(chǔ)上對(duì)位移和速度清零，之后對(duì)模型施加邊界條件，對(duì)巖體賦力學(xué)參數(shù)，再進(jìn)行計(jì)算。掛幫礦分布比較分散，開采順序?yàn)閽鞄偷V一號(hào)礦體→掛幫礦二號(hào)礦體→掛幫礦三號(hào)礦體，見表1。

圖3 網(wǎng)格劃分示意圖Fig.3 The sketch of themesh generation

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

2.2 初始條件及邊界條件

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

式中，σv為自重應(yīng)力，σH為自重應(yīng)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(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)認(rèn)為，由于模擬開采的區(qū)域深度不大，構(gòu)造應(yīng)力現(xiàn)象不明顯，因此只考慮自重應(yīng)力場(chǎng)的影響。對(duì)模型的左右兩個(gè)側(cè)面施加水平位移約束，對(duì)前后2個(gè)側(cè)面施加固定位移約束，并將邊界的初始水平位移清零，對(duì)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(xué)參數(shù)

通過對(duì)本礦區(qū)進(jìn)行實(shí)地考察，確定將大理巖、矽卡巖、花崗巖、亞砂土、閃長(zhǎng)巖、磁鐵礦作為計(jì)算主要考慮的巖體。計(jì)算中所采用的物理力學(xué)參數(shù)主要是通過在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行采樣，再在實(shí)驗(yàn)室通過巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)得到。得到的主要巖體物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的折減之后如表2所示。

表2 計(jì)算模型的巖體力學(xué)參數(shù)Table2 Themechanical parameters of rock masses for the com putingmodel

2.4 本構(gòu)模型的選擇

大理巖、矽卡巖、花崗巖、亞砂土、閃長(zhǎng)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(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算［7］:

式中，σ1、σ3分別為最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力;N= (1+sin)/(1－sin);c、分別為材料黏結(jié)力和摩擦角。當(dāng)fs＜0時(shí)進(jìn)入剪切屈服;當(dāng)fs＞0時(shí)進(jìn)入拉伸屈服。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

通過對(duì)整個(gè)礦區(qū)進(jìn)行三維數(shù)值模擬，在地表攔洪壩附近從左向右依次布置11個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)觀測(cè)地表的變形情況，其中每隔12 m布置1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。在模擬開采的過程中對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎直位移和水平位移變形監(jiān)測(cè)，最后分析在不同的開采條件下嗣后充填法開采對(duì)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(jù)FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)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(biāo)高逐漸向下沉降，且影響的區(qū)域大于開采的礦體區(qū)域，礦體的上盤巖層移動(dòng)要大于礦體下盤巖層的移動(dòng)區(qū)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(hào)礦體的情況下，地表出現(xiàn)了第一個(gè)沉降中心，影響區(qū)域主要為一號(hào)礦體上方區(qū)域，影響范圍呈碗型分布，每開挖一個(gè)分段，影響半徑和影響高度都相應(yīng)地增加。繼續(xù)開挖二號(hào)和三號(hào)礦體，地表上分別呈現(xiàn)了第二個(gè)、第三個(gè)碗型影響區(qū)域和對(duì)應(yīng)的沉降中心，地表的影響區(qū)域越來越大，且地表的最大沉降量為10.498 cm。3個(gè)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(hào)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(hào)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(hào)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(jiān)測(cè)點(diǎn)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(qū)域越來越大。通過對(duì)攔洪壩附近11個(gè)控制點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到礦體在開采過程中每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降值，如表3所示。從表3可以看出，在開挖掛幫礦一號(hào)礦體的情況下，攔洪壩附近的監(jiān)測(cè)點(diǎn)地表沉降數(shù)值較小，其中11號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降最大，為2.518 cm。再繼續(xù)開挖掛幫礦二號(hào)礦體，11號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降值最大，為2.812 cm，各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降值較只開挖掛幫礦一號(hào)礦體的情況下要大，此基礎(chǔ)上，開采掛幫礦三號(hào)礦體，各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降值急劇增加，其中4號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降值最大，為8.498 cm。

3.3 掛幫礦開采對(duì)地表攔洪壩的影響

通過數(shù)值模擬掛幫礦一號(hào)礦體、掛幫礦二號(hào)礦體、掛幫礦三號(hào)礦體在不同的條件下進(jìn)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(hào)礦體的情況下，攔洪壩附近沉降數(shù)值較小，且隨著各個(gè)分段的開采，沉降值變化不大，比較穩(wěn)定，而開采掛幫礦二號(hào)礦體之后，攔洪壩附近沉降稍有增加，影響區(qū)域也相應(yīng)的擴(kuò)大，而當(dāng)開采掛幫礦三號(hào)礦體之后，攔洪壩沉降速率急劇增加，最大沉降為開采二號(hào)礦體之后最大沉降值的3倍左右，表明掛幫礦三號(hào)礦體的開挖對(duì)攔洪壩的影響很大，使攔洪壩的安全受到威脅。而對(duì)于本礦區(qū)，通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行考察，目前攔洪壩已經(jīng)進(jìn)入變形區(qū)域，東西區(qū)都產(chǎn)生了一些小的裂縫［8］，礦山已經(jīng)采取了相應(yīng)的措施對(duì)其進(jìn)行封堵注漿等處理。繼續(xù)開挖三號(hào)礦體，攔洪壩沉降速率會(huì)急劇增加，地表受擾動(dòng)影響較大，可能會(huì)使攔洪壩附近產(chǎn)生新的裂縫，加劇攔洪壩的變形，對(duì)地表環(huán)境造成一定程度的影響，引起攔洪壩中的水滲流到采空區(qū)，充填體被沖刷，甚至引發(fā)泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。

表3 攔洪壩地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)值Table3 The subsidence value of the flood－control dam surfacem onitoring points

4 結(jié)論

(1)采用嗣后充填采礦方法對(duì)掛幫礦進(jìn)行開采，仍然會(huì)對(duì)地表產(chǎn)生一定的影響，地表發(fā)生小范圍的變形移動(dòng)，使攔洪壩水庫及地表建筑物安全受到威脅，因此在實(shí)際生產(chǎn)中，有必要在礦體開采過程中對(duì)地表進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)防。同時(shí)由于采空區(qū)中不穩(wěn)定，在每個(gè)礦房開采完畢之后，應(yīng)該及時(shí)對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填，加強(qiáng)安全生產(chǎn)，以減小開采對(duì)地表的影響。

(2)通過對(duì)比掛幫礦一號(hào)礦體、掛幫礦二號(hào)礦體、掛幫礦三號(hào)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(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降值，建議攔洪壩周圍禁止一切開采活動(dòng)，掛幫礦三號(hào)礦體暫時(shí)不能開采，對(duì)于掛幫礦二號(hào)礦體的開采，應(yīng)該嚴(yán)格按照開采設(shè)計(jì)要求進(jìn)行。

(3)地表變形是一個(gè)長(zhǎng)期復(fù)雜的過程，它與地下水、斷層、構(gòu)造應(yīng)力、充填質(zhì)量爆破震動(dòng)等等因素都有關(guān)，而本研究只考慮了一些比較重要的因素進(jìn)行數(shù)值模擬。同時(shí)本研究采用的是有限元的方法對(duì)其進(jìn)行模擬，模擬得到的結(jié)果與實(shí)際有一定的差距，但是能夠反映地表變形的趨勢(shì)，對(duì)礦山的安全生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。

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