許夢(mèng)國(guó) 張威威 王 平 程愛(ài)平 胡 彥 胡倡瑞

（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.冶金礦產(chǎn)資源高效利用與造塊湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430081）

目前，程潮鐵礦開(kāi)采至-500 m中段，現(xiàn)設(shè)計(jì)-570 m、-675 m中段開(kāi)拓工程作為-500 m中段的生產(chǎn)接續(xù)工程。前期設(shè)計(jì)以上盤52°、下盤和端部62°圈定地表移動(dòng)范圍，目前開(kāi)采造成的地表移動(dòng)線已逼近新副井南部邊緣，后續(xù)開(kāi)采對(duì)塌陷坑附近地表移動(dòng)及新副井的影響成為亟待解決的問(wèn)題。地表塌陷不僅受地質(zhì)構(gòu)造和采礦方法的影響，隨著開(kāi)采深度遞增，地表塌陷移動(dòng)值也表現(xiàn)出不同的規(guī)律性。采用科學(xué)的方法研究深部崩落開(kāi)采下地表塌陷移動(dòng)規(guī)律，對(duì)于保護(hù)地表重要建（構(gòu)）筑物有重要意義。于保華等［1］通過(guò)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)揭示了深部開(kāi)采條件下地表沉陷各項(xiàng)變形值與淺部開(kāi)采的差異性；陸玉根等［2］通過(guò)相似模擬試驗(yàn)，結(jié)合位移傳感器和壓力傳感器測(cè)量研究了大紅山鐵礦崩落開(kāi)采條件下覆巖冒落和地表塌陷規(guī)律；裴明松等［3］采取相似模擬試驗(yàn)得到了兩種采礦方法回收-500 m以上礦體的地表變形規(guī)律；李騰等［4］在相似模擬的基礎(chǔ)上結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，揭示了井下開(kāi)采地表移動(dòng)具有延時(shí)性和跳躍性特點(diǎn)；雷遠(yuǎn)坤［5］在地表變形數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬分析了不同水平下礦柱回采對(duì)地表重要建筑物的影響程度；夏開(kāi)宗等［6］通過(guò)對(duì)程潮鐵礦往年地表監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，并結(jié)合巖層移動(dòng)機(jī)理得出不同開(kāi)采水平下的巖體變形規(guī)律；宋許根等［7-9］依據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)從理論力學(xué)角度分析了地表塌陷后采礦推進(jìn)與地表變形規(guī)律之間的關(guān)系；龐漢松等［10］針對(duì)分段崩落法提出了一種新的地表移動(dòng)邊界確定方法，揭示了程潮鐵礦西區(qū)同一開(kāi)采深度下不同剖面移動(dòng)角存在的差異性?？傮w上，現(xiàn)階段針對(duì)深部崩落開(kāi)采地表塌陷移動(dòng)規(guī)律的研究大都依賴于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)的預(yù)測(cè)具有滯后性，且針對(duì)金屬礦山塌陷坑周邊圍巖及移動(dòng)角隨開(kāi)采深度變化規(guī)律的相似模擬研究涉及較少。

為此，本研究依據(jù)程潮鐵礦實(shí)際開(kāi)采情況，采用相似模擬和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)該礦-500 m以下中段開(kāi)采塌陷坑周邊巖體的移動(dòng)規(guī)律進(jìn)行預(yù)測(cè)研究。借助應(yīng)變片和千分表對(duì)模型開(kāi)挖至不同階段的塌陷坑周邊遠(yuǎn)近地表圍巖應(yīng)變值和地表沉降量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，研究深部崩落開(kāi)采條件下塌陷坑隨采深的移動(dòng)變化規(guī)律，并依據(jù)不同開(kāi)采階段對(duì)塌陷坑周邊地表重要建筑物的影響程度提出相應(yīng)的解決措施。

1 相似理論

本研究基于相似三定理，展開(kāi)相似模擬試驗(yàn)。通過(guò)縮小原型比例制作模型，借助相關(guān)儀器分析模型的應(yīng)變、位移等力學(xué)參數(shù)及其變化規(guī)律。合理的相似準(zhǔn)則是準(zhǔn)確進(jìn)行試驗(yàn)的基礎(chǔ)，線彈性模型的相似準(zhǔn)則一般是在彈性力學(xué)的基礎(chǔ)上，結(jié)合單值條件方程分別推出線彈性問(wèn)題的基本判據(jù)［11］：

式中，Cσ為應(yīng)力相似比；Cγ為容重相似比；Cl為幾何相似比；Cu為位移相似比；Cε為應(yīng)變相似比；CE為彈性模量相似比；Cμ為泊松比相似比；Cf為摩擦系數(shù)相似比；Cφ為內(nèi)摩擦角相似比；Cσt為抗壓強(qiáng)度相似比；Cσc為抗拉強(qiáng)度相似比。

在實(shí)際模擬中，考慮到各種實(shí)際因素?zé)o法滿足以上所有方程式，常根據(jù)所分析的問(wèn)題以及實(shí)際情況選取主要因素作為相似準(zhǔn)則，忽略其他因素設(shè)計(jì)試驗(yàn)，以達(dá)到研究目的［12-13］。本研究確定的主要相似準(zhǔn)則為

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 模擬范圍確定

在考慮程潮鐵礦的地質(zhì)和采礦等影響因素后，結(jié)合實(shí)際情況，選取位于新副井附近的23#勘探線作為本次相似模擬試驗(yàn)的模型剖面，模擬開(kāi)采范圍為-500～-657.5 m水平的礦體?？紤]到開(kāi)挖擾動(dòng)引起的原巖應(yīng)力重分布［14］以及試驗(yàn)?zāi)康?，確定本次研究的開(kāi)采范圍為+123～-900 m水平，總深度為1 023 m；模擬寬度為1 650 m。為方便模型澆筑，對(duì)原剖面進(jìn)行了簡(jiǎn)化得到如圖1所示的剖面模型，上盤主要為角巖，下盤主要為花崗巖，礦體上部為閃長(zhǎng)巖和矽卡巖。其中，1#～11#點(diǎn)為監(jiān)測(cè)模型地表沉降的千分表測(cè)點(diǎn)，各千分表間距900 mm，CH1～CH23點(diǎn)為監(jiān)測(cè)模型微觀變化的應(yīng)變片測(cè)點(diǎn)。

2.2 相似比及模型尺寸確定

在充分考慮實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有模型設(shè)備條件下，結(jié)合多個(gè)相似比方案分析比較，最終選取Cl=950，Cγ=1.3，由式（2）可得Cσ=1 235。在武漢科技大學(xué)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展相似模擬試驗(yàn)，其中模型框架全部由型鋼制作，凈斷面長(zhǎng)1.75 m、高2.30 m、寬0.20 m。依據(jù)選取的幾何相似比計(jì)算，試驗(yàn)所需的模型架長(zhǎng)1.74 m、高1.07 m，寬度選擇模型架的寬度。

2.3 相似材料制作

依據(jù)程潮鐵礦提供的巖體力學(xué)參數(shù)，并結(jié)合應(yīng)力相似比計(jì)算出模擬巖體的力學(xué)參數(shù)。對(duì)比分析已有研究成果［15-17］，本研究以河沙、重晶石粉、石膏、鐵礦粉作為相似材料，以單軸抗壓強(qiáng)度為指標(biāo)，基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)相似材料配比方案。為減少試驗(yàn)誤差，每組配比方案制作3個(gè)試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)（圖2），相似材料配比結(jié)果見(jiàn)表1。在不考慮地下水影響下閃長(zhǎng)巖和矽卡巖物理性質(zhì)相近，且在此相似比下兩種巖體相似材料抗壓強(qiáng)度接近，因此在試驗(yàn)中采取相同的配比方案。

2.4 模型堆砌與開(kāi)采方案

根據(jù)程潮鐵礦地質(zhì)資料，模擬開(kāi)采范圍內(nèi)無(wú)斷層構(gòu)造，礦區(qū)水平應(yīng)力與自重應(yīng)力相比可忽略不計(jì)。水平應(yīng)力由模型架兩端為保持模型垂直狀態(tài)所施加的反作用力產(chǎn)生，自重應(yīng)力場(chǎng)由相似材料自身重力施加，頂部不施加任何荷載。根據(jù)相似材料配比方案（表1）進(jìn)行材料配比，將混合材料干拌均勻后再加水?dāng)嚢?，最后按圖1中的礦巖分布由下往上依次澆筑入模。待模型澆筑7 d后拆模使其在自然條件下養(yǎng)護(hù)至模型風(fēng)干完畢，加入散體，布設(shè)千分表和應(yīng)變片，制作完成的模型如圖3所示，靜置3 d待模型達(dá)到平衡狀態(tài)即可進(jìn)行試驗(yàn)。

注：散體部分采用上下盤巖體配比制作大小合適的碎塊。

試驗(yàn)過(guò)程中采用千分表監(jiān)測(cè)地表隨開(kāi)挖累計(jì)垂直沉降值，各千分表測(cè)點(diǎn)相互間距900 mm。采用靜態(tài)電阻應(yīng)變儀監(jiān)測(cè)塌陷坑遠(yuǎn)近地表區(qū)域巖體的應(yīng)變情況。試驗(yàn)?zāi)M開(kāi)挖-500～-657.5 m水平礦體，開(kāi)挖方式嚴(yán)格按照由上至下順序，并及時(shí)記錄相應(yīng)階段千分表和應(yīng)變儀的讀數(shù)。開(kāi)挖至不同采深的模型如圖4所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 地表沉降分析

根據(jù)開(kāi)采過(guò)程中實(shí)時(shí)記錄的千分表讀數(shù)，篩選開(kāi)挖至-552.5、-587.5、-622.5、-657.5 m時(shí)對(duì)應(yīng)的千分表讀數(shù)，依據(jù)幾何相似比，得到上下盤地表實(shí)際沉降值與采深的變化曲線，如圖5所示。

由圖5可知：隨著采深增加，地表變形表現(xiàn)出不同程度的持續(xù)沉降，總體呈現(xiàn)出地表沉降值與塌陷坑距離呈負(fù)相關(guān)的趨勢(shì)，符合地下開(kāi)采的一般沉降規(guī)律。-657.5 m水平開(kāi)采結(jié)束以后，1#千分表所在位置未表現(xiàn)出明顯沉降，即開(kāi)采至-657.5 m水平對(duì)塌陷坑644 m以外的上盤區(qū)域不會(huì)造成明顯影響；上盤最大沉降點(diǎn)為8#點(diǎn)所在位置，沉降值為2 100 mm。下盤最大沉降點(diǎn)為9#點(diǎn)所在位置，沉降值為13.5 mm。對(duì)比分析上盤各監(jiān)測(cè)點(diǎn)階段沉降值可知，在-500～-587.5 m水平地表沉降表現(xiàn)為加速變形；-587.5～-622.5 m水平地表沉降表現(xiàn)為減速變形；-622.5～-657.5 m水平地表沉降又表現(xiàn)出加速變形。由此表明：隨著采深增加，上盤地表變形表現(xiàn)出先加速后減速再加速的變化趨勢(shì)。

根據(jù)圖5（a）中各測(cè)點(diǎn)的垂直位移，以豎直位移達(dá)到或超過(guò)變形標(biāo)準(zhǔn)值（10 mm）視為地表破壞點(diǎn)依據(jù)［18］，計(jì)算得到各分段開(kāi)采結(jié)束時(shí)的上盤移動(dòng)角依次為52°、54°、55°、57°，從-552.5 m水平開(kāi)采結(jié)束，地表上盤移動(dòng)范圍依次增加64、32、21 m。由此可見(jiàn)，隨著礦體開(kāi)采上盤地表移動(dòng)角逐漸增大，地表移動(dòng)擴(kuò)張速率逐漸放緩。分析圖5（b）可知：在-587.5 m水平之前礦體開(kāi)采對(duì)下盤影響較大，此后隨著開(kāi)采作業(yè)繼續(xù)推進(jìn)，開(kāi)采對(duì)下盤造成的影響逐步減弱，相似模擬直觀顯示出隨著采礦作業(yè)的推進(jìn)，下盤塌陷坑附近采空區(qū)被散體充填，下盤邊緣崩落散體隨著開(kāi)采逐步減少，塌陷坑邊緣表現(xiàn)出滑坡趨勢(shì)。至開(kāi)采結(jié)束，新副井處于開(kāi)采移動(dòng)界限之外，新副井附近監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)最大沉降值為8.5 mm，地表傾斜值為0.017 mm/m，大于《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50007—2011）［19］中“50～100 m 建 筑 物 的 傾 斜 值 為0.005 mm/m”的要求。由以上分析可知，-500 m水平以下礦體開(kāi)采會(huì)對(duì)新副井造成一定程度的影響，在開(kāi)采過(guò)程中應(yīng)及時(shí)針對(duì)下盤制定相應(yīng)措施提高端部圍巖的穩(wěn)定性。

3.2 上下盤圍巖應(yīng)變分析

每次開(kāi)挖結(jié)束，取兩組應(yīng)變穩(wěn)定狀態(tài)下的應(yīng)變值作為監(jiān)測(cè)結(jié)果。剔除試驗(yàn)過(guò)程中的損壞應(yīng)變片，將剩余應(yīng)變片劃分為4個(gè)區(qū)域。CH2～CH7為A區(qū)，CH8～CH10為B區(qū)，CH13～CH16為C區(qū)，CH17～CH19為D區(qū)；其中，A和B分別表示上盤和下盤近地表圍巖應(yīng)變監(jiān)測(cè)，C和D分別表示上盤和下盤遠(yuǎn)地表圍巖應(yīng)變監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖6所示，橫軸代表試驗(yàn)開(kāi)挖進(jìn)度工況。

由圖6可知：在開(kāi)采初期各應(yīng)變片讀數(shù)變化相對(duì)較小，隨著后續(xù)開(kāi)挖的進(jìn)行，各應(yīng)變片數(shù)值呈現(xiàn)出不同的增長(zhǎng)趨勢(shì)。4個(gè)區(qū)域應(yīng)變值以正數(shù)為主，塌陷坑邊緣為負(fù)數(shù)，依據(jù)“拉正壓負(fù)”特征可知，深部開(kāi)采在豎直方向上對(duì)近地表圍巖和遠(yuǎn)地表圍巖造成的應(yīng)變以拉應(yīng)力為主。對(duì)比A區(qū)和C區(qū)、B區(qū)和D區(qū)可以看出深部開(kāi)采條件下，崩落開(kāi)采引起的應(yīng)力重分布對(duì)近地表區(qū)域圍巖影響較大，對(duì)遠(yuǎn)地表區(qū)域圍巖影響較弱。

從應(yīng)變值變化規(guī)律來(lái)看，在-552.5 m水平之前上盤應(yīng)變值呈現(xiàn)出距離塌陷坑越近應(yīng)變?cè)酱蟮内厔?shì)；隨著開(kāi)采逐漸往上盤轉(zhuǎn)移，應(yīng)變值逐漸呈現(xiàn)出距離塌陷坑越遠(yuǎn)應(yīng)變值越大的趨勢(shì)。下盤距離塌陷坑越近應(yīng)變值越大，在-587.5 m水平以后隨著開(kāi)采的進(jìn)行，下盤應(yīng)變不再產(chǎn)生強(qiáng)烈波動(dòng)，并逐漸趨于穩(wěn)定，表明隨著開(kāi)采的進(jìn)行，下盤所受影響逐漸減弱，這與千分表地表沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果呈現(xiàn)一致性。

4 數(shù)值模擬

為檢驗(yàn)相似模擬結(jié)果的可靠性，采用FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，結(jié)合程潮鐵礦地質(zhì)資料進(jìn)行參數(shù)折減［20］，得到的礦巖物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

4.1 模型構(gòu)建

根據(jù)開(kāi)采范圍構(gòu)建的數(shù)值模型尺寸為1 650 m×20 m×1 023 m（長(zhǎng)×寬×高），采用Ansys軟件劃分成尺寸為20 m×20 m的四面體網(wǎng)格，總計(jì)34 211個(gè)單元，11 179個(gè)節(jié)點(diǎn)，模型效果如圖7所示。模型上邊界為自由邊界，左右邊界和下邊界均采用位移約束條件，模型整體受垂直向下的重力，礦體及所涉巖體采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型。

4.2 數(shù)值模擬對(duì)比分析

在模型上下盤布設(shè)與室內(nèi)試驗(yàn)相對(duì)應(yīng)的地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)，整理模型開(kāi)挖至-552.5、-587.5、-622.5、-657.5 m分段地表監(jiān)測(cè)數(shù)值，得到相應(yīng)上盤地表移動(dòng)角和下盤沉降值隨開(kāi)采深度的變化情況，數(shù)值模擬與相似模擬試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖8和圖9。

由圖8和圖9可知：就上盤而言，數(shù)值模擬與相似模擬結(jié)果均顯示上盤移動(dòng)角隨開(kāi)采增大的趨勢(shì)，且大于初期設(shè)計(jì)值52°。從工程實(shí)際來(lái)講，移動(dòng)角大小與地表移動(dòng)范圍成反比，由此表明，開(kāi)采對(duì)上盤設(shè)計(jì)范圍外地表建筑物的影響有限。對(duì)于下盤，從沉降數(shù)值來(lái)看，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果偏小于相似模擬，新副井區(qū)域最大沉降值為6.54 mm，地表傾斜值為0.012 mm/m，以上結(jié)果均顯示-657.5 m水平以上礦體開(kāi)采會(huì)對(duì)新副井造成一定程度的影響。從變化趨勢(shì)來(lái)看，-587.5 m水平以上礦體開(kāi)采對(duì)下盤地表沉降影響較大，隨著開(kāi)采深度的增加對(duì)下盤影響逐步減弱，這與相似模擬得出的規(guī)律一致。

綜上所述，程潮鐵礦-500 m水平以下礦體開(kāi)采對(duì)下盤影響主要集中在-587.5 m水平之前，因此有必要針對(duì)下盤制定有效的圍巖穩(wěn)固措施，以降低開(kāi)采對(duì)下盤以及地表新副井的影響，如在新副井附近垂直勘探線方向200 m范圍內(nèi)減少爆破頻率，降低爆破振動(dòng)對(duì)邊坡巖體的影響；增大崩落采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)、優(yōu)化開(kāi)采順序、采用錨桿聯(lián)系鏈支護(hù)技術(shù)等。

5 結(jié) 論

（1）通過(guò)相似模擬和數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法，對(duì)不同開(kāi)采深度下塌陷區(qū)周邊巖體移動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了研究，既直觀揭示了塌陷區(qū)周邊巖體移動(dòng)規(guī)律，使塌陷區(qū)移動(dòng)規(guī)律具象化，又較為精確地反映了塌陷區(qū)周邊巖體的穩(wěn)定性狀況。

（2）程潮鐵礦西區(qū)-500 m水平以下礦體開(kāi)采塌陷區(qū)周邊巖體移動(dòng)規(guī)律研究表明，開(kāi)采前期對(duì)下盤巖體移動(dòng)影響較大，隨著礦體開(kāi)采逐步往上盤轉(zhuǎn)移，對(duì)下盤所造成的影響逐步降低。分析結(jié)果可為保障塌陷區(qū)周邊地表重要建（構(gòu)）筑物尤其是新副井的穩(wěn)定性，以及制定合理措施提高端部圍巖穩(wěn)定性提供參考。

（3）對(duì)塌陷區(qū)上覆散體的動(dòng)態(tài)變化給周邊巖體移動(dòng)規(guī)律帶來(lái)的影響研究有待深入，下一步根據(jù)散體側(cè)壓力的變化對(duì)其上下盤圍巖穩(wěn)定性的影響進(jìn)行深入分析。