李同鵬 胡 崴 方勝勇 李何林 婁廣文 1

（1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司，安徽 馬鞍山 243000；2.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 馬鞍山 243000；3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心有限公司，安徽 馬鞍山 243000；4.銅陵有色股份鳳凰山礦業(yè)有限公司，安徽 銅陵 244000）

礦山地下開采對(duì)地表的安全影響是地下礦山開采過程中普遍存在的問題，開采過程中產(chǎn)生的地表沉降不僅會(huì)造成礦區(qū)生態(tài)環(huán)境破壞，還可能導(dǎo)致地表建構(gòu)筑物破壞，嚴(yán)重時(shí)還將造成地表塌陷等地質(zhì)災(zāi)害。隨著礦產(chǎn)資源的持續(xù)開發(fā)，大部分易采礦體已經(jīng)基本開采殆盡，未來越來越多的地下礦山面臨對(duì)建構(gòu)筑物、水體等壓覆的礦產(chǎn)資源進(jìn)行回采。且近年來，國(guó)家全面推進(jìn)綠色礦山建設(shè)，在新時(shí)代生態(tài)文明建設(shè)和綠水青山就是金山銀山的發(fā)展理念下，為保護(hù)地表生態(tài)環(huán)境和建構(gòu)筑物安全，對(duì)控制地表沉降造成的影響也提出了更高的要求［1-3］。

鳳凰山銅礦位于鳳凰山風(fēng)景名勝區(qū)下方，礦區(qū)及周邊地表分布有景區(qū)已有的和規(guī)劃建設(shè)的各類建構(gòu)筑物，礦山開采可能對(duì)景區(qū)地表建構(gòu)筑物安全造成影響。本研究在對(duì)礦山現(xiàn)狀和地質(zhì)條件進(jìn)行全面調(diào)查和分析的基礎(chǔ)上，采用理論計(jì)算和數(shù)值模擬分析手段，研究礦山地下開采對(duì)風(fēng)景名勝區(qū)的安全影響，為礦山后續(xù)開采和景區(qū)建設(shè)安全提供理論依據(jù)。

1 工程概況

鳳凰山銅礦始建于1965年，自1971年正式投產(chǎn)至今，已有近50年的開采歷史，井下共形成了8個(gè)中段，其中-440 m水平以上礦體已全部開采結(jié)束，前期形成的采空區(qū)均已采用尾砂和廢石進(jìn)行了充填或已冒落塌實(shí)。目前主要開采范圍為-500 m中段和-560 m中段礦體，設(shè)計(jì)采用上向分層水平充填法進(jìn)行開采，礦塊沿走向布置，長(zhǎng)度為50 m，寬度為礦體水平厚度，間柱寬4～5 m，頂柱3～5 m，底柱7 m，礦房中間留有?5 m不規(guī)則的礦柱，采場(chǎng)高60 m。礦體與地表相對(duì)位置見圖1。

2 臨時(shí)采空區(qū)冒落安全影響分析

根據(jù)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)實(shí)際，礦山-440 m以下全部采用上向分層充填采礦法開采，分層回采高度3 m，采場(chǎng)分層礦石出完，形成5～6 m高的臨時(shí)采空區(qū)后進(jìn)行充填。故空頂高度最大為6 m。若形成的采空區(qū)未及時(shí)充填，則可能造成臨時(shí)采空區(qū)垮塌。本次研究借鑒“三帶”理論計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式，通過計(jì)算冒落帶、裂隙帶高度分析地下開采對(duì)地表的安全影響。

冒落帶高度［4-5］

裂隙帶高度［4-5］

式中，M為空頂高度。

根據(jù)計(jì)算，冒落帶高度為10.5～14.9 m，裂隙帶高度為39.85～51.05 m，則臨時(shí)采空區(qū)冒落影響高度最大為14.9 m+51.05 m=65.95 m。即鳳凰山銅礦-440 m水平以下按設(shè)計(jì)采礦方法和參數(shù)進(jìn)行開采時(shí)，采空區(qū)垮塌造成的最大影響高度為-440 m水平以上65.95 m，不會(huì)對(duì)地表安全造成影響。

3 開采沉陷數(shù)值模擬

基于礦山開采現(xiàn)狀和設(shè)計(jì)情況，利用FLAC3D軟件對(duì)礦山不同開采階段下的開采及充填過程進(jìn)行模擬，分析地表沉降和變形的總體情況和對(duì)風(fēng)景區(qū)建構(gòu)筑物的影響。

（1）模型建立。為合理模擬鳳凰山銅礦地下開采對(duì)風(fēng)景區(qū)建構(gòu)筑物的安全影響，在充分研究已有地質(zhì)資料與多次試算基礎(chǔ)上，確定了數(shù)值模型的平面范圍，模型平面范圍東西向長(zhǎng)1 200 m，南北向?qū)? 000 m。礦區(qū)地表分布有排土場(chǎng)和露天采坑，露天采坑底部采用膠結(jié)尾砂充填，根據(jù)礦區(qū)實(shí)測(cè)地形圖和各中段平面圖建立了地表和礦體模型，見圖2。

（2）巖體力學(xué)參數(shù)取值。依據(jù)礦山提供的巖石力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)及礦區(qū)工程地質(zhì)條件，參考采礦設(shè)計(jì)手冊(cè)中巖石力學(xué)參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)及工程巖體質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，通過折減，確定本次數(shù)值計(jì)算模型中圍巖及礦體材料物理力學(xué)參數(shù)，詳見表1。

（3）模擬過程。為盡可能真實(shí)地反映鳳凰山銅礦礦體開采及覆巖的變形特征，數(shù)值計(jì)算按以下幾個(gè)步驟進(jìn)行：①形成初始應(yīng)力場(chǎng)；②模擬鳳凰山銅礦-440m水平以上已采礦體回采和充填過程；③模擬-440 m水平以下（-500 m中段和-560 m中段）礦體回采和充填過程。每個(gè)步驟的計(jì)算均在前一步計(jì)算基礎(chǔ)上連續(xù)進(jìn)行，并且逐步推進(jìn)和計(jì)算，從而客觀地反映多個(gè)過程的疊加效應(yīng)［6-8］。

（4）-440 m以上已開采礦體開采數(shù)值模擬。-440 m以上為礦山前期已開采的礦體，包括-40 m、-80m、-120 m、-180 m、-240 m、-300 m、-360 m和-440 m共8個(gè)中段。-440 m以上各中段開采后的地表垂直位移和水平位移云圖見圖3。通過模擬分析可知，-440 m以上開采結(jié)束后，地表產(chǎn)生的最大垂直位移約41.05 cm，主要集中在露天采坑底部，其四周主要表現(xiàn)為整體均勻沉降。最大水平位移約8.47 cm，水平變形影響區(qū)主要位于露天采坑底部及其西側(cè)區(qū)域，數(shù)值模擬結(jié)果與礦山現(xiàn)狀情況較為吻合。

（5）-440 m以下礦體開采數(shù)值模擬。在-440 m以上礦體回采后地表產(chǎn)生的應(yīng)力和位移場(chǎng)的基礎(chǔ)上，對(duì)-440 m以下礦體開采過程進(jìn)行模擬分析。-440 m以下（-500 m中段和-560 m中段）回采后的地表垂直位移和水平位移見圖4。通過對(duì)-440 m水平以下礦體開采過程模擬分析可知，隨著開采過程的進(jìn)行，地表變形進(jìn)一步增大，地表最大垂直位移約43.75 cm，最大水平位移約8.96 cm，比-440 m以上開采結(jié)束時(shí)垂直位移和水平位移分別增大2.70 cm和0.39 cm。

4 地表沉降對(duì)建構(gòu)筑物安全影響分析

鳳凰山銅礦地表需保護(hù)的建構(gòu)筑物主要有采礦遺址、戶外露營(yíng)基地、道路等景區(qū)設(shè)施，根據(jù)《GB 50771—2012有色金屬采礦設(shè)計(jì)規(guī)范》中的等級(jí)劃分，其保護(hù)等級(jí)分別為Ⅰ級(jí)和Ⅱ級(jí)，對(duì)建構(gòu)筑物的影響程度主要考慮傾斜、曲率和水平變形值，變形允許值見表2。

根據(jù)鳳凰山銅礦開采結(jié)束后地表垂直位移云圖（見圖5），在建構(gòu)筑物附近各剖面線（A線～I(xiàn)線）上每隔2 m提取1個(gè)垂直位移數(shù)據(jù)，每條剖面線提取了30個(gè)垂直位移數(shù)據(jù)，根據(jù)公式［9-12］計(jì)算得出了地表建構(gòu)筑物附近的最大傾斜為0.75 mm/m；最大曲率為0.17 mm/m，滿足Ⅰ級(jí)建筑物變形允許值要求。各剖面線建構(gòu)筑物附近的垂直位移曲線見圖6。

根據(jù)鳳凰山銅礦開采結(jié)束后地表水平位移云圖（見圖7），在建構(gòu)筑物附近各剖面線（A線～I(xiàn)線）上每隔2 m提取1個(gè)水平位移數(shù)據(jù)，每條剖面線提取了30個(gè)水平位移數(shù)據(jù)，計(jì)算得出了地表建構(gòu)筑物附近的最大傾斜為0.44 mm/m，滿足Ⅰ級(jí)建筑物變形允許值要求，各剖面線建構(gòu)筑物附近的水平位移曲線見圖8。

5 結(jié) 論

（1）根據(jù)理論計(jì)算分析，鳳凰山銅礦深部-440 m以下采用上向水平充填采礦法開采，僅有單層5～6 m高的臨時(shí)采空區(qū)，采空區(qū)坍塌最大影響高度約為65.95 m，不會(huì)造成地表出現(xiàn)明顯沉降或塌陷，可以保障風(fēng)景區(qū)地表安全。

（2）根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算分析，鳳凰山銅礦深部-440 m以下開采所產(chǎn)生的地表最大垂直位移增量為2.69 cm，最大水平位移增量為0.39 cm；地表建構(gòu)筑物所處位置產(chǎn)生的傾斜、曲率和水平變形值均在《GB 50771—2012有色金屬采礦設(shè)計(jì)規(guī)范》所規(guī)定的Ⅰ級(jí)保護(hù)建構(gòu)筑物變形允許值范圍內(nèi)，可以保障風(fēng)景區(qū)地表建構(gòu)筑物安全。

（3）本次研究為鳳凰山銅礦深部開采和鳳凰山風(fēng)景名勝區(qū)建設(shè)安全提供了理論依據(jù)，推動(dòng)了礦山開采與風(fēng)景名勝區(qū)建設(shè)共生共存、協(xié)調(diào)發(fā)展，同時(shí)也為類似礦山地表沉降安全影響分析提供了借鑒。