黃 敏，崔年生，危劍林，何建華，孔繁成，黃英華

(1.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410012；2.金屬礦山安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410012；3.福建省新華都工程有限責(zé)任公司，福建 廈門(mén) 361000；4.湖南有色新田嶺鎢業(yè)有限公司，湖南 郴州 423000；5.紹興銅都礦業(yè)有限公司，浙江 紹興 312000)

0 引 言

開(kāi)展金屬礦山地下開(kāi)采引起的地表巖層移動(dòng)變形規(guī)律研究，對(duì)評(píng)判地表建(構(gòu))筑物安全程度、圈定地表影響范圍、緩解礦山與周邊居民日益緊張的關(guān)系、征用土地、搬遷房屋以及保證礦山安全生產(chǎn)具有十分重要的意義[1-4]。當(dāng)前，眾多科研工作者都對(duì)其進(jìn)行了探索和分析，取得了許多有價(jià)值的科研成果，如王艷輝等[5]采用正交試驗(yàn)及數(shù)值模擬計(jì)算方法對(duì)不同采高、不同冒落高度、不同巖體力學(xué)參數(shù)下的巖層移動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了深入研究，具有一定的借鑒作用；夏開(kāi)宗等[6]通過(guò)對(duì)具有陡傾結(jié)構(gòu)面的程潮鐵礦西區(qū)的地表變形監(jiān)測(cè)資料及宏觀(guān)破壞特征進(jìn)行了分析，得出礦區(qū)巖層移動(dòng)分為采空區(qū)頂板巖體破壞擴(kuò)展至地表引起的塌陷階段及采空區(qū)周邊圍巖向采空區(qū)的傾倒破壞階段，并得出了巖體主要發(fā)生水平移動(dòng)的變形規(guī)律，呈現(xiàn)出先緩慢變形，后快速變形的特征，兩者之間有明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)；趙海軍等[7]在自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力兩種工況下，采用數(shù)值模擬方法對(duì)急傾斜礦體開(kāi)采的巖移特征與變形機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)分析，得出了構(gòu)造應(yīng)力條件下地表出現(xiàn)雙沉降中心的，自重應(yīng)力條件下只存在單沉降中心的現(xiàn)象，同時(shí)，兩者在地表移動(dòng)變形量、移動(dòng)變形影響區(qū)規(guī)模及地表宏觀(guān)變形破壞特征上存在較大差異；李文秀等[8]采用FLAC3D軟件對(duì)金寶山鉑鈀礦地下采礦過(guò)程引起的地表變形和巖層移動(dòng)變形規(guī)律進(jìn)行了三維仿真模擬，得出了地下開(kāi)采引起的地表巖層移動(dòng)是一個(gè)連續(xù)變化的過(guò)程并預(yù)測(cè)了地表移動(dòng)范圍；袁仁茂等[9]采用理論力學(xué)及數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)金川二礦區(qū)急傾斜厚大礦體地下開(kāi)采引起的地表巖層移動(dòng)傳遞模式及地表巖層移動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了深入研究，并結(jié)合地表監(jiān)測(cè)結(jié)果，得出礦體厚度對(duì)地表巖移的顯現(xiàn)特征具有明顯的影響；廉海等[10]運(yùn)用FLAC軟件對(duì)石人溝鐵礦地下開(kāi)采過(guò)程進(jìn)行分步開(kāi)挖模擬，得到了不同開(kāi)挖階段的地表動(dòng)態(tài)移動(dòng)曲線(xiàn)；陸清運(yùn)等[11]等先利用地表監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與三維數(shù)值模擬計(jì)算反演出材料力學(xué)參數(shù)，后采用三維數(shù)值方法分析地下開(kāi)采冒通地表與未冒通地表兩種工況下的地表變形特征，得到了巖層移動(dòng)角的變化趨勢(shì)。

礦山地下開(kāi)采對(duì)地表建(構(gòu))筑物的影響主要取決于地質(zhì)和采礦等因素，如礦床的開(kāi)采深度、采高、傾角、采礦工藝、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、圍巖特性等。為探究地下開(kāi)采的影響范圍，評(píng)估地表建構(gòu)物安全程度，指導(dǎo)礦山安全生產(chǎn)，本文采用FLAC3D有限元差分法軟件分析礦山開(kāi)采后地表巖層移動(dòng)變形情況，評(píng)判礦山地下開(kāi)采對(duì)地表建(構(gòu))筑物的影響范圍和程度。

1 礦區(qū)概況

哈圖金礦屬中型地下金礦山，采用地下開(kāi)采方式，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為1 200 t/d。齊Ⅰ金礦區(qū)地表和深部分布礦脈有近百條，+934 m中段以上主要有L27、L7、L27-8、L27-14、L27-15等35種礦脈，礦體分散但品位高。礦體走向近東西向，平均厚度2.6 m，局部厚度8～15 m，礦體北傾，傾角50°～70°，屬熱液充填交代型礦床。礦體上下盤(pán)圍巖主要為蝕變玄武巖，少量蝕變凝灰?guī)r及石英脈巖。礦山采用淺孔留礦法采礦，電耙出礦結(jié)構(gòu)，階段高度40 m，沿礦體走向布置采場(chǎng)，采場(chǎng)長(zhǎng)30～50 m，頂柱高為5～6 m，底柱高5 m，人行天井寬1.2 m，人行天井兩邊留2～2.5 m礦柱。

礦區(qū)地表有少量的工業(yè)廠(chǎng)房、柏油路等建(構(gòu))筑物。井下采空區(qū)主要分布在934 m、974 m、1 014 m及1 054 m中段。

2 模型構(gòu)建

2.1 模型范圍

以各中段采空區(qū)影響范圍為研究區(qū)域，具體建模尺寸需要考慮FLAC3D模型大小對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的影響，并兼顧礦山開(kāi)采實(shí)際及計(jì)算機(jī)計(jì)算速度，根據(jù)彈塑性力學(xué)理論-圣維南原理合理確定。據(jù)此對(duì)礦區(qū)地表、礦體及各采空區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取和分析。最終建立的模型范圍X方向：3 850～5 550；Y方向：5 100～5 800；Z方向：+750 m至地表。

2.2 地質(zhì)模型

由于礦體形態(tài)復(fù)雜，采空區(qū)數(shù)量眾多，F(xiàn)LAC3D軟件在復(fù)雜模型的構(gòu)建上存在一定缺陷，因此采用AutoCAD、Dimine及Midas GTS NX等軟件聯(lián)合構(gòu)建地質(zhì)模型。Dimine軟件僅用于三維實(shí)體模型生成，實(shí)現(xiàn)模型可視化。為了將三維模型應(yīng)用到數(shù)值模擬仿真計(jì)算，選用Midas GTS NX軟件作為媒介進(jìn)行模型傳遞。Dimine模型經(jīng)AutoCAD處理后導(dǎo)入Midas GTS NX中后進(jìn)行面縫合、實(shí)體擴(kuò)展、布爾運(yùn)算、網(wǎng)格劃分等操作。地質(zhì)模型見(jiàn)圖1。

2.3 數(shù)值分析模型

數(shù)值分析必須將模型計(jì)算區(qū)域進(jìn)行離散化處理，通過(guò)轉(zhuǎn)換軟件將模型的單元、節(jié)點(diǎn)和組信息導(dǎo)入FLAC3D軟件中。為了合理規(guī)劃模型單元數(shù)量、提高計(jì)算效率、適應(yīng)FLAC3D軟件計(jì)算要求，對(duì)各中段采空區(qū)及礦體進(jìn)行加密處理，其中，各采空區(qū)單元尺寸3 m，圍巖36 m、次級(jí)單元18 m，最終生成的數(shù)值分析模型如圖2所示，模型單元總數(shù)約131.5萬(wàn)個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)約22.5萬(wàn)個(gè)。

3 數(shù)值模擬基本條件

采用數(shù)值模擬分析礦山開(kāi)采對(duì)地表及建構(gòu)筑物的影響程度和范圍。數(shù)值模擬計(jì)算的前提是確定材料本構(gòu)模型、力學(xué)參數(shù)、邊界條件等。

1) 本構(gòu)模型。選擇摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型，另外，開(kāi)挖部分采用空單元(null)模型。

2) 材料力學(xué)參數(shù)。確定模型的材料屬性是FLAC3D軟件計(jì)算的關(guān)鍵。根據(jù)礦圍巖室內(nèi)試驗(yàn)，考慮巖體節(jié)理裂隙等客觀(guān)因素，并通過(guò)RocLab軟件折減計(jì)算，得到各巖體力學(xué)參數(shù)，見(jiàn)表1。

3) 邊界條件。數(shù)值分析中初始應(yīng)力場(chǎng)的施加十分關(guān)鍵，施加有偏差的應(yīng)力場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致數(shù)值計(jì)算的失敗。本次按巖體自重應(yīng)力施加荷載，在模型底部施加Z向約束，四周分別施加X(jué)向約束，Y向約束，地表為自由面。

4) 計(jì)算方案。本次數(shù)值模擬根據(jù)礦區(qū)934～1 054 m中段實(shí)際開(kāi)采區(qū)域進(jìn)行模擬計(jì)算。整個(gè)模擬計(jì)算分五步進(jìn)行，首先初始平衡，之后對(duì)1 054 m中段、1 014 m中段、974 m中段、934 m中段分四個(gè)步驟進(jìn)行開(kāi)挖計(jì)算。

圖1 地質(zhì)模型Fig.1 Geological model

圖2 數(shù)值分析模型Fig.2 Numerical analysis model

表1 模型力學(xué)參數(shù)Table 1 Model mechanics parameters

巖性容重/(kN/m3)體積模量/GPa剪切模量/GPa抗拉強(qiáng)度/MPa泊松比內(nèi)聚力/MPa內(nèi)摩擦角/(°)礦體28.504.504.100.180.152.6148.35蝕變玄武巖28.106.096.670.220.274.2043.74

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 地表影響范圍劃定依據(jù)

按照地表移動(dòng)變形值大小及其對(duì)建(構(gòu))筑物及地表的影響程度，可將地表移動(dòng)盆地劃分為最外邊界、移動(dòng)邊界和裂縫邊界三個(gè)邊界(圖3)。對(duì)應(yīng)描述地表移動(dòng)的參數(shù)主要有邊界角、移動(dòng)角及裂縫角。

1) 最外邊界：一般指下沉1 mm的點(diǎn)圈定的邊界，如圖3中的ACBD。

2) 移動(dòng)邊界：是指臨界變形值確定的邊界，根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》(簡(jiǎn)稱(chēng)“三下規(guī)程”)中規(guī)定：使用破壞等級(jí)與地表變形的對(duì)應(yīng)關(guān)系最低等級(jí)的三個(gè)參數(shù)臨界值來(lái)劃定地表影響范圍，即傾斜i=3.0 mm/m、曲率K=0.2 mm/m2、水平變形ε=2.0 mm/m。最終劃定的移動(dòng)邊界如圖3中的A’C’B’D’。

3) 裂縫邊界：是指移動(dòng)盆地的最外側(cè)的裂縫圈定的邊界，如圖3中的A”C”B”D”。

4.2 地下開(kāi)采對(duì)地表建(構(gòu))筑物的影響分析

根據(jù)“三下規(guī)程”，地下開(kāi)采地表建筑物的損壞等級(jí)由地表水平變形、曲率、傾斜三個(gè)指標(biāo)判定。地表變形的大小和建筑物本身抵抗變形的能力決定了地表建(構(gòu))筑物的損壞程度。地表傾斜反映地表移動(dòng)盆地沿某一方向的坡度;曲率反映彎曲程度的變化;水平變形表示單位長(zhǎng)度線(xiàn)段的拉伸或壓縮。

4.2.1 地表位移分析

礦山地表整體位移等值線(xiàn)圖如圖4所示。為描述地表整體位移變化趨勢(shì)，選用0.01 m為趨勢(shì)邊界。隨著934～1 054 m中段之間多個(gè)采場(chǎng)回采后，巖層位移量逐漸增大，最大位移約為12 cm，主要集中在開(kāi)挖區(qū)域的頂?shù)装逯醒胛恢?，主要為礦體的上盤(pán)位置。同時(shí)，隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，位移影響范圍也逐漸增大，最終在地表形成位移約為1 cm的影響區(qū)域。該區(qū)域主要集中在L7脈板房至水塔之間，東西范圍約320 m，南北范圍約265 m。最終，開(kāi)挖后地表全位移最大值為0.0108 m。

為進(jìn)一步分析地下開(kāi)采對(duì)地表的影響范圍，沿礦體走向選取剖面進(jìn)行分析。如Y=5 450剖面，見(jiàn)圖5。由圖5可以看出，地下礦體開(kāi)挖后的影響范圍將波及地表，主要集中在Y=4 500～4 900之間，位移量約為0.01 m。

圖3 地表移動(dòng)盆地邊界示意圖Fig.3 The schematic diagram of the boundary of the surface subsidence basin

圖4 地表整體位移等值線(xiàn)圖Fig.4 Contour map of surface whole displacement

圖5 Y=5 450處整體位移等值線(xiàn)云圖Fig.5 Contour map of whole displacement in Y=5 450

4.2.2 地表傾斜分析

地表傾斜見(jiàn)圖6～7。在東西向傾斜方面，地下開(kāi)采在地表形成了一正一負(fù)兩個(gè)傾斜區(qū)域，以X=4 600～4 700為界，分別位于東西兩側(cè)。正傾斜、負(fù)傾斜區(qū)域的傾斜絕對(duì)值最大分別為4e-5m/m、3.5e-5m/m，均未達(dá)到3 mm/m，小于最低等級(jí)要求。在南北向傾斜方面，地表形成了一正一負(fù)兩個(gè)傾斜區(qū)域，以Y=5 450～5 550為界，分別位于南北兩側(cè)。正傾斜、負(fù)傾斜區(qū)域的傾斜絕對(duì)值最大分別為4e-5m/m、4.5e-5m/m，均未達(dá)到3 mm/m。

圖6 地表東西向傾斜Fig.6 Surface east-west tilt

圖7 地表南北向傾斜Fig.7 Surface north-south tilt

4.2.3 地表曲率分析

地表曲率見(jiàn)圖8～9。在東西向曲率方面，地表形成了一正一負(fù)兩個(gè)曲率區(qū)域，正曲率、負(fù)曲率區(qū)域的曲率絕對(duì)值最大分別為4e-6/m、3.5e-6/m，均未達(dá)到2e-4/m。在南北向曲率方面，地表形成了一正一負(fù)兩個(gè)曲率區(qū)域，正曲率、負(fù)曲率區(qū)域的曲率絕對(duì)值最大分別為1.2e-5/m、1.6e-5/m，均未達(dá)到2e-4/m。

圖8 地表東西向曲率Fig.8 Surface east-west curvature

圖9 地表南北向曲率Fig.9 Surface north-south curvature

4.2.4 地表水平變形分析

地表水平變形見(jiàn)圖10～11。在東西向水平變形方面，地表形成了一正一負(fù)兩個(gè)水平變形區(qū)域，以正變形區(qū)域居中，負(fù)變形區(qū)域位于其兩側(cè)，正變形、負(fù)變形區(qū)域的變形絕對(duì)值最大分別為3e-3mm/m、2.1e-2mm/m，均未達(dá)到2 mm/m。在南北向水平變形方面，地表形成了一正一負(fù)兩個(gè)水平變形區(qū)域，正變形、負(fù)變形區(qū)域的變形絕對(duì)值最大為2.2e-2mm/m、3.6e-2mm/m，均未達(dá)到2 mm/m。

4.3 地表影響范圍

為了界定地下開(kāi)采對(duì)地表的影響范圍，根據(jù)國(guó)家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范對(duì)巖層移動(dòng)形成的地表位移、傾斜、曲率及水平變形進(jìn)行分析，并通過(guò)地表變形值的比較，最終圈定地表移動(dòng)影響范圍。

礦區(qū)934～1 054 m中段礦體開(kāi)挖以后，采空區(qū)主要影響區(qū)域是礦體上盤(pán)，同時(shí)由于礦體沿東西走向較長(zhǎng)，礦體在X=4 500～4 900之間比較集中，且有L27-8厚礦體(礦脈平均厚度達(dá)到4.68 m，最厚處可達(dá)16.3 m)存在，因此，在地表的開(kāi)挖影響區(qū)域主要集中在X=4 500～4 900之間，這與地表整體位移及豎向位移分析結(jié)果一致，同時(shí)也與急傾斜礦體地下開(kāi)采圍巖的變形破壞規(guī)律[7,9]相吻合。因此，根據(jù)地表整體位移及地表豎向位移的分析，按照地表移動(dòng)邊界中最外邊界(一般指下沉10 mm的點(diǎn)圈定的邊界)的圈定原則，以下沉10 mm作為臨界值圈定地表影響范圍(圖12)，可見(jiàn)圈定的地表影響范圍具有一定的可信度。

圖10 地表東西向水平變形Fig.10 Surface east-west horizontal deformation

圖11 地表南北向水平變形Fig.11 Surface north-south horizontal deformation

圖12 地表影響范圍Fig.12 The affected area of the surface

5 結(jié) 論

1) 借助AutoCAD、Dimine、Midas GTS NX等軟件聯(lián)合構(gòu)建三維數(shù)值計(jì)算仿真模型，并通過(guò)轉(zhuǎn)換軟件生成FLAC3D文件，這一方法提高了建模效率，能夠滿(mǎn)足復(fù)雜地質(zhì)模型的構(gòu)建及三維計(jì)算分析的要求。

2) 地表傾斜、曲率及水平變形均小于磚混結(jié)構(gòu)建筑物破壞等級(jí)要求的臨界變形值，表明地表傾斜、曲率及水平變形均不會(huì)對(duì)地表建(構(gòu))筑物造成影響。

3) 地下采空區(qū)主要影響區(qū)域是礦體上盤(pán)，最終開(kāi)挖影響區(qū)域主要集中在礦體分布集中區(qū)域?qū)?yīng)的上盤(pán)位置，這與地表位移分析結(jié)果一致，同時(shí)也與急傾斜礦體地下開(kāi)采圍巖的變形破壞規(guī)律相吻合。

4) 以地表移動(dòng)邊界中最外邊界(下沉10 mm為臨界值)圈定地表影響范圍具有一定的可信度。