王瑞星，孫洪洲，劉志義

(1.山東黃金礦業(yè)(萊州)有限公司三山島金礦 山東 萊州市 261442；2.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院, 湖南 長(zhǎng)沙 410083)

地下采動(dòng)影響下地表沉陷的分析

王瑞星1，孫洪洲1，劉志義2

(1.山東黃金礦業(yè)(萊州)有限公司三山島金礦 山東 萊州市 261442；2.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院, 湖南 長(zhǎng)沙 410083)

三山島金礦直屬礦區(qū)屬于濱海礦床，礦體開(kāi)采技術(shù)條件復(fù)雜，上覆巖層或者地表沉陷都有可能導(dǎo)致海水大量的滲入，為確保礦山安全，采用有限元數(shù)值軟件對(duì)直屬礦區(qū)深部取消點(diǎn)柱后的礦體建立模型，通過(guò)計(jì)算下沉、水平位移、傾斜、曲率、水平變形、扭曲和剪應(yīng)變等指標(biāo)，定量的分析取消點(diǎn)柱后地下采動(dòng)對(duì)地表沉陷的影響。結(jié)果表明，三山島金礦直屬礦區(qū)深部開(kāi)采取消礦柱后上覆巖層不發(fā)生破壞，對(duì)地表建筑物不構(gòu)成影響。

濱海礦床；采動(dòng)影響；地表沉陷；數(shù)值計(jì)算

0 引 言

當(dāng)?shù)叵鹿ぷ髅骈_(kāi)采達(dá)到一定距離后，地下開(kāi)采便波及地表，受采動(dòng)影響的地表從原來(lái)的標(biāo)高向下沉降，從而在采空區(qū)上方形成一個(gè)比采空區(qū)大得多的沉陷區(qū)域，這種地表沉陷區(qū)域稱(chēng)為地表移動(dòng)盆地，或稱(chēng)下沉盆地[1]。在地表移動(dòng)盆地的形成過(guò)程中，逐漸改變了地表的原有形態(tài)，引起地表標(biāo)高、水平位置發(fā)生變化，從而導(dǎo)致位于影響范圍的建(構(gòu))筑物的損壞。

三山島金礦直屬礦區(qū)屬于濱海礦床，礦體開(kāi)采技術(shù)條件復(fù)雜，上覆巖層或者地表沉陷都有可能導(dǎo)致海水大量的滲入，嚴(yán)重影響礦山安全[2]。鑒于此，選取取消點(diǎn)柱的分界深度為-555 m，-555 m以下礦體開(kāi)采全面取消礦柱。為研究取消礦柱后巖層移動(dòng)及濱海地表沉降規(guī)律，采用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行數(shù)值模擬，分析取消點(diǎn)柱后采動(dòng)對(duì)地表沉陷的影響，從而確保礦山安全生產(chǎn)。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)折減系數(shù)

表2 模擬中巖體力學(xué)參數(shù)

1 ANSYS計(jì)算模型的建立

1.1 巖石力學(xué)參數(shù)

三山島金礦區(qū)的巖石主要是黃鐵絹英巖質(zhì)碎裂巖、黃鐵絹英巖化花崗質(zhì)碎裂巖、絹英巖化花崗巖[2]?？紤]到巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)中所用的試件與工程中巖體的差別，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)需要進(jìn)行折減，折減系數(shù)值如表1所示，模擬使用的基本巖石力學(xué)參數(shù)如表2所示。

原巖應(yīng)力包括自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力，根據(jù)地應(yīng)力測(cè)量報(bào)告，水平構(gòu)造應(yīng)力主應(yīng)力σhmax垂直礦體走向，主應(yīng)力方向σhmix沿礦體走向，構(gòu)造應(yīng)力變化規(guī)律如下[3]：

σhmax=0.11+0.0539H

(1)

σhmix=0.13+0.0181H

(2)

σz=0.08+0.0315H

(3)

式中,H為豎直方向深度，m。

1.2 計(jì)算模型的建立

實(shí)體模型的建立,一是要根據(jù)移動(dòng)角大體估算可能的移動(dòng)范圍，二是要考慮計(jì)算機(jī)的可實(shí)現(xiàn)性。建立的模型參數(shù)如下：計(jì)算模型取走向1230 m，寬度為500 m，深度為1000 m，礦房中礦柱尺寸取4 m×4 m，網(wǎng)度15 m×15 m，頂?shù)字? m。由于研究對(duì)象為地面建筑，同時(shí)考慮開(kāi)采沉陷范圍，計(jì)算模型在往陸地方向取長(zhǎng)度1100 m，往海水延伸方向取100 m。

根據(jù)上述參數(shù)建立有限元模型網(wǎng)格如圖1所示。模型中共有70413個(gè)單元，單元類(lèi)型為solid45。

圖1 計(jì)算模型

2 ANSYS計(jì)算結(jié)果分析

從地表移動(dòng)的力學(xué)過(guò)程及工程技術(shù)問(wèn)題的需要出發(fā)，地表移動(dòng)的狀態(tài)可用垂直移動(dòng)和水平移動(dòng)進(jìn)行描述。常用的定量指標(biāo)有下沉、傾斜、曲率、水平變形、扭曲和剪應(yīng)變[4]。

2.1 定量指標(biāo)計(jì)算

地表點(diǎn)的沉降叫下沉，是地表移動(dòng)向量的垂直分量。下沉曲線表示地表移動(dòng)盆地內(nèi)下沉的分布規(guī)律，設(shè)主斷面方向?yàn)閤軸，下沉位移為y軸，地表移動(dòng)盆地主斷面上的下沉曲線如圖2所示。

圖2 垂直礦體走向主斷面下沉曲線

對(duì)垂直礦體走向沉降點(diǎn)分別進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果為：y=-2.089×10-18x6+8.378×10-15x5-1.237×10-11x4+7.463×10-9x3-4.765×10-7x2-0.00109x+0.130988,擬合系數(shù)為0.9974，擬合度較好。

傾斜曲線表示地表移動(dòng)盆地傾斜的變化規(guī)律，為下沉的一階導(dǎo)數(shù)，通過(guò)對(duì)下沉曲線數(shù)據(jù)的處理，可得到地表移動(dòng)盆地垂直礦體走向主斷面上的傾斜曲線,如圖3所示。

對(duì)垂直礦體走向沉降點(diǎn)斜率分別進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果為：y=-5.911×10-25x6-1.044×10-17x5+3.35110-14x4-3.711×10-11x3+1.493×10-8x2-4.764×10-7x-0.00109,擬合系數(shù)為1，擬合度較好。

圖3 垂直礦體走向主斷面下沉傾斜曲線

曲率曲線表示地表移動(dòng)盆地內(nèi)曲率的變化規(guī)律，它是傾斜的一階導(dǎo)數(shù)，通過(guò)對(duì)傾斜曲線數(shù)據(jù)的處理，可得到地表移動(dòng)盆地垂直礦體走向主斷面上的曲率曲線,如圖4所示。

圖4 垂直礦體走向主斷面下沉曲率曲線

對(duì)垂直礦體走向沉降點(diǎn)曲率分別進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果為：y= 1.102×10-27x6-7.736×10-24x5-4.175 ×10-17x4+1.005×10-13x3-7.422×10-11x2+1.493×10-8x-4.764×10-7，擬合系數(shù)為1，擬合度較好。

水平變形是水平移動(dòng)的一階導(dǎo)數(shù)，通過(guò)對(duì)水平移動(dòng)曲線數(shù)據(jù)的處理，可得到地表移動(dòng)盆地垂直礦體走向主斷面上的水平變形曲線，如圖5所示。

對(duì)垂直礦體走向水平移動(dòng)變形分別進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果為：y=-2.138×10-30x8+1.07×10-22x7-4.964×10-19x6+9.27×10-16x5-8.85×10-13x3+4.5×10-10x3-1.136×10-7x2+1.103 ×10-5x-0.00031946，擬合系數(shù)為1，擬合度較好。

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

(1) 豎直沉降分析。礦區(qū)最大沉降位移區(qū)域位于垂直走向430 m處，最大沉降值達(dá)到140.642 mm，正好處于點(diǎn)柱式開(kāi)采與盤(pán)區(qū)法開(kāi)采分界處的上方，與理論分析結(jié)果吻合。

圖5 垂直礦體走向主斷面水平移動(dòng)變形曲線

(2) 傾斜及曲線分析。礦區(qū)最小傾斜區(qū)域均位于點(diǎn)柱式開(kāi)采與盤(pán)區(qū)法開(kāi)采分界處的上方。結(jié)合地下采空區(qū)平面圖及地表下沉曲線圖，對(duì)地表斜率變化規(guī)律進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)點(diǎn)柱式開(kāi)采引起的傾斜情況比盤(pán)區(qū)式開(kāi)采引起的傾斜較大一些。

(3) 曲率曲線分析。礦區(qū)最大曲率區(qū)域均位于盤(pán)區(qū)法開(kāi)采礦體的上方，最大值達(dá)0.003×10-3/m。結(jié)合曲率曲線圖可以看出，曲率變化在-150 m和-600 m以及-1000 m附近有拐點(diǎn)，在開(kāi)采中應(yīng)對(duì)這些區(qū)域加強(qiáng)觀測(cè)。

(4) 水平變形曲線。由水平變形曲線圖可知，點(diǎn)柱式開(kāi)采變形為負(fù)，在600 m左右水平變形減為0，盤(pán)區(qū)式開(kāi)采部分礦體上方地表位移表現(xiàn)為距離活動(dòng)采場(chǎng)越遠(yuǎn)的地方，水平變形逐漸增大。

3 結(jié) 論

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，三山島金礦深部開(kāi)采取消礦柱后，主斷面上地表垂直位移為14 cm，最大水平變形為0.4 mm/m，最大曲率為0.003×10-3/m，最大傾斜0.011 mm/m。分析可知,上覆巖層不會(huì)發(fā)生破壞,按國(guó)家規(guī)定的等級(jí)分類(lèi)，建筑物的損壞等級(jí)為Ⅰ級(jí)，地表建筑物的自然磚墻上可能會(huì)出現(xiàn)1 mm左右的裂縫，對(duì)建筑物的使用不構(gòu)成影響，可以不進(jìn)行結(jié)構(gòu)處理。

[1] 何國(guó)清,楊 倫.礦山開(kāi)采沉陷學(xué)[M].北京:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,1991:45-59.

[2] 彭 康,李夕兵.基于響應(yīng)面法的海下框架式采場(chǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011(8):2417-2423.

[3] 彭 康,李夕兵.三山島金礦中段盤(pán)區(qū)間合理回采順序動(dòng)態(tài)模擬選擇[J].礦冶工程，2010(6):8-12.

[4] 武龍飛.充填開(kāi)采引起地表沉陷的影響因素探討[J].能源技術(shù)與管理,2008(1):21-26.

2013-09-25)

王瑞星(1970-)，男，黑龍江齊齊哈爾人，工程師，本科，主要從事采礦工藝研究工作,Email：liuzhiyi20czh@163.com。