某铁矿挂帮矿开采对地表拦洪坝的影响

陈顺满 许梦国 王 平，2 李 斌 徐 钊 雒 凯

(1.武汉科技大学资源与环境工程学院，湖北武汉430081; 2.华中科技大学土木工程与力学学院，湖北武汉430074)

充填采矿方法被认为是一种对采动影响较小，能够抑制地表变形的采矿方法［1］。它对围岩和地表需要保护、地压比较大、埋藏比较深、地质条件比较复杂的矿体开采具有比较特殊的优势。充填采矿方法的应用将越来越广泛，尤其是在一些有色金属矿山和贵重金属矿山。其中我国在有色金属大中型地下矿山利用充填法开采的约占总数的45%，黄金中小型地下矿山约占总数的37%［2］。

地表变形与岩层移动受矿山地层岩性、地质构造、地应力场、矿体赋存条件、采矿方法等多种因素影响，在不同情况下各因素的影响程度不同［3-5］。本研究针对某铁矿区拦洪坝变形的现状，预测挂帮矿一号矿体、挂帮矿二号矿体、挂帮矿三号矿体在不同的开采情况下，地表的变形情况以及拦洪坝的变形情况，运用FLAC3D软件进行计算，最终对拦洪坝的安全性进行评价，为矿山的安全生产提供依据。

1 矿区概况

某铁矿主要采用无底柱分段崩落法进行开采，在整个矿区开采范围已经形成了很大的塌陷区域，在东塌陷区周边拦洪坝附近残留有一些小的矿体，被称之为“挂帮矿”。该部分矿体主要赋存在－75～－150 m标高之间，矿体厚度约为20 m，沿走向长度为150 m左右，矿体规模较小，为急倾斜矿体，在挂帮矿三号矿体上方附近有拦洪坝水库，矿区概况如图1所示，图2为选取的典型剖面A－A。挂帮矿的开采可能会影响某铁矿拦洪坝及拦洪坝水库的安全，同时塌陷区可能会进一步扩大，因此有必要研究充填法开采挂帮矿对拦洪坝的影响。

图1 矿区概况Fig.1 The distribution ofm ining outline

图2 A－A典型剖面图Fig.2 Typical A－A section

为了保证拦洪坝水库的安全，创造良好的回采工艺条件，提高劳动生产力，本次数值模拟采用平底结构的分段空场留矿嗣后充填采矿法对矿体进行开采。目前拦洪坝水库东西岸，均存在一些裂缝，为了保证安全，矿山对其进行了注浆填堵，自从2010年1月开始，矿山就开始对地表进行监测，该区域已经进入到变形区域。

2 数值建模

2.1 模型的建立原则

如图1，本研究以典型剖面A－A为基础，建立三维模型。运用有限元软件Ansys workbench对研究对象建立三维模型并划分网格，模型的尺寸为长×宽×高为920 m×3 m×460 m，将网格划分为六面体网格，共划分为47 847个单元，337 232个节点，如图3所示。再将划分好网格的模型导入到FLAC3D中，先进行应力场初始化，然后在初始化的基础上对位移和速度清零，之后对模型施加边界条件，对岩体赋力学参数，再进行计算。挂帮矿分布比较分散，开采顺序为挂帮矿一号矿体→挂帮矿二号矿体→挂帮矿三号矿体，见表1。

图3 网格划分示意图Fig.3 The sketch of themesh generation

表1 模拟开采方案简要说明Table1 The brief explanation of simulation m ining scheme

2.2 初始条件及边界条件

应力约束边界上的水平应力主要由自重应力水平分量和水平构造应力两部分相互叠加而成，自重应力以及自重应力的水平分量可由下式得到［6］，即

式中，σv为自重应力，σH为自重应力的水平分量，μ为上覆岩层的泊松比，γ为岩体的容重，H为距离地表的深度。

综合现场实测认为，由于模拟开采的区域深度不大，构造应力现象不明显，因此只考虑自重应力场的影响。对模型的左右两个侧面施加水平位移约束，对前后2个侧面施加固定位移约束，并将边界的初始水平位移清零，对底部施加竖直约束，模型的上部为地表，为自由约束。

2.3 矿岩及充填体力学参数

通过对本矿区进行实地考察，确定将大理岩、矽卡岩、花岗岩、亚砂土、闪长岩、磁铁矿作为计算主要考虑的岩体。计算中所采用的物理力学参数主要是通过在现场进行采样，再在实验室通过岩石力学实验得到。得到的主要岩体物理力学性质参数进行相应的折减之后如表2所示。

表2 计算模型的岩体力学参数Table2 Themechanical parameters of rock masses for the com putingmodel

2.4 本构模型的选择

大理岩、矽卡岩、花岗岩、亚砂土、闪长岩、磁铁矿为主要考虑的岩体，均属于弹塑性材料，故采用摩尔－库仑屈服准则进行计算［7］:

式中，σ1、σ3分别为最大主应力和最小主应力;N= (1+sin)/(1－sin);c、分别为材料黏结力和摩擦角。当fs＜0时进入剪切屈服;当fs＞0时进入拉伸屈服。

3 数值模拟结果分析

通过对整个矿区进行三维数值模拟，在地表拦洪坝附近从左向右依次布置11个监测点观测地表的变形情况，其中每隔12 m布置1个监测点。在模拟开采的过程中对各监测点的竖直位移和水平位移变形监测，最后分析在不同的开采条件下嗣后充填法开采对地表变形的影响。

3.1 开采过程中地表变形位移及影响范围分析

根据FLAC3D进行数值模拟计算得到的地表变形范围、地表沉降量如图4～图6所示。随着地下矿体的开采，变形逐渐影响到地表，地表由原来的标高逐渐向下沉降，且影响的区域大于开采的矿体区域，矿体的上盘岩层移动要大于矿体下盘岩层的移动区域。从沉降图中，可以看出，随着开采范围的增加，地表沉降的影响范围也在不断地增加，只开采挂帮矿一号矿体的情况下，地表出现了第一个沉降中心，影响区域主要为一号矿体上方区域，影响范围呈碗型分布，每开挖一个分段，影响半径和影响高度都相应地增加。继续开挖二号和三号矿体，地表上分别呈现了第二个、第三个碗型影响区域和对应的沉降中心，地表的影响区域越来越大，且地表的最大沉降量为10.498 cm。3个沉降中心的最大沉降量分别为10.498、 8.342、8.498 cm。

图4 开挖挂帮矿一号矿体地表沉降图Fig.4 The surface subsidence figure of excavation N0.1 Hanging wall ore

图5 开挖挂帮矿二号矿体地表沉降图Fig.5 The surface subsidence figure of excavation N0.2 Hanging wall ore

图6 开挖挂帮矿三号矿体地表沉降图Fig.6 The surface subsidence figure of excavation N0.3 Hanging wall ore

3.2 拦洪坝监测点沉降位移分析

从图4、图5、图6可以看出，随着矿体的开采，地表的影响区域越来越大。通过对拦洪坝附近11个控制点进行监测，得到矿体在开采过程中每个监测点的沉降值，如表3所示。从表3可以看出，在开挖挂帮矿一号矿体的情况下，拦洪坝附近的监测点地表沉降数值较小，其中11号监测点的沉降最大，为2.518 cm。再继续开挖挂帮矿二号矿体，11号监测点的沉降值最大，为2.812 cm，各个监测点的沉降值较只开挖挂帮矿一号矿体的情况下要大，此基础上，开采挂帮矿三号矿体，各个监测点的沉降值急剧增加，其中4号监测点的沉降值最大，为8.498 cm。

3.3 挂帮矿开采对地表拦洪坝的影响

通过数值模拟挂帮矿一号矿体、挂帮矿二号矿体、挂帮矿三号矿体在不同的条件下进行充填法开采，得到地表和拦洪坝的变形情况。在只开挖挂帮矿一号矿体的情况下，拦洪坝附近沉降数值较小，且随着各个分段的开采，沉降值变化不大，比较稳定，而开采挂帮矿二号矿体之后，拦洪坝附近沉降稍有增加，影响区域也相应的扩大，而当开采挂帮矿三号矿体之后，拦洪坝沉降速率急剧增加，最大沉降为开采二号矿体之后最大沉降值的3倍左右，表明挂帮矿三号矿体的开挖对拦洪坝的影响很大，使拦洪坝的安全受到威胁。而对于本矿区，通过对现场进行考察，目前拦洪坝已经进入变形区域，东西区都产生了一些小的裂缝［8］，矿山已经采取了相应的措施对其进行封堵注浆等处理。继续开挖三号矿体，拦洪坝沉降速率会急剧增加，地表受扰动影响较大，可能会使拦洪坝附近产生新的裂缝，加剧拦洪坝的变形，对地表环境造成一定程度的影响，引起拦洪坝中的水渗流到采空区，充填体被冲刷，甚至引发泥石流等地质灾害。

表3 拦洪坝地表监测点值Table3 The subsidence value of the flood－control dam surfacem onitoring points

4 结论

(1)采用嗣后充填采矿方法对挂帮矿进行开采，仍然会对地表产生一定的影响，地表发生小范围的变形移动，使拦洪坝水库及地表建筑物安全受到威胁，因此在实际生产中，有必要在矿体开采过程中对地表进行监测和预防。同时由于采空区中不稳定，在每个矿房开采完毕之后，应该及时对采空区进行充填，加强安全生产，以减小开采对地表的影响。

(2)通过对比挂帮矿一号矿体、挂帮矿二号矿体、挂帮矿三号矿体在不同的开采情况下，地表的变形情况以及拦洪坝各个监测点的沉降值，建议拦洪坝周围禁止一切开采活动，挂帮矿三号矿体暂时不能开采，对于挂帮矿二号矿体的开采，应该严格按照开采设计要求进行。

(3)地表变形是一个长期复杂的过程，它与地下水、断层、构造应力、充填质量爆破震动等等因素都有关，而本研究只考虑了一些比较重要的因素进行数值模拟。同时本研究采用的是有限元的方法对其进行模拟，模拟得到的结果与实际有一定的差距，但是能够反映地表变形的趋势，对矿山的安全生产具有一定的指导意义。

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