缓倾斜矿体开采地表沉降模拟

周晓超 周 铭 李小武

(昆明有色冶金设计研究院股份公司，云南 昆明650051)

地下金属矿床采用空场法开采过程中，必然导致采空区的应运而生，破坏了采场上覆岩层原有的力学平衡状态。当矿体开采规模超过一定范围时，采场周边围岩不足以支撑顶板覆岩重，应力将发生转移，恶化更多的围岩体并导致岩层移动产生连锁反应;起始于采场附近的破坏和移动将向地表扩散形成地表沉陷，产生连续或非连续的地表变形，对周边构筑物的安全产生不利影响［1-4］。因此，科学合理地确定地表沉降范围，以减轻、消除和避免由于地表沉降产生的开采损害是十分必要的。

岩体移动与地表沉陷问题由于受地质结构、岩体力学性质、矿体赋存条件、采矿方法等多种因素的影响，错综复杂［5］。目前，国内外针对岩层、地表移动的预测研究主要有概率积分法、相似模型试验法、模糊数学法、数值仿真模拟法等［6-9］。但由于金属矿山矿体赋存条件复杂多变，使得地下金属矿床很难单纯地采用煤矿常用的模型识别方法进行地表移动规律预测、研究，而借助现有的理论进行岩层移动以及地表沉降机理的研究也具有一定的局限性。地表移动影响范围预测不当，将会导致矿山建设规划不合理，地表征地、居民搬迁范围不准确，造成巨大的经济损失，影响矿山的安全生产［10-11］。为此，对地下矿体开采引起的地表移动和岩层变形机制进行研究，并在可能的条件下控制其移动而保护构筑物，尽可能把影响程度降低到最低程度，具有重要的现实意义。

1 工程概况

某地下矿山为铂钯为主、伴生铜镍多金属矿床，出露于礼社江两岸的悬崖和陡坡地带，开采范围为307#～327#勘探线、1 220 ～1 550 m 标高的F2 以西、F3 以东划分为K1、K2、K3 3 大矿群。矿区地质构造复杂，背斜构造呈北北西—南南东展布，断裂多为正断层。矿体缓倾斜薄～中厚，赋存于块状、片状超基性岩体中，顶底板岩层为白云岩、灰质白云岩夹砂岩、板岩，矿岩稳固性较好，矿山拟采用后退式空场法进行开采，中段高度为30 m。该矿区地表分布主要有杨家村、田家禹、对门冲3 座村庄，其中杨家村位于矿体勘探线内西侧，田家禹、对门冲位于勘探线外的西北侧、东北侧，伴随地下矿体开采，对其安全性影响不容忽视。

2 三维有限差分模拟

2.1 计算模型与参数

为全面系统地反映矿体开挖后覆岩移动特征、地表影响范围和地表沉降程度对附近村庄的影响并满足计算需要和保证计算的精度，本次计算采用的模型长、宽、高取开采范围的3 ～5 倍，选取勘探线311#～327#线建立FLAC3D三维计算模型进行模拟，图1 为三维计算模型网格图。模型沿走向X 方向长度1 000 m;模型垂直矿体走向Y 方向，长度1 300 m;模型共划分203 597 个单元体，211 854 个节点。模型边界约束采用位移约束方式，底部所有节点取X，Y，Z3 个方向的固定约束;模型X 方向两端边界采用X方向约束，模型Y 方向两端边界进行Y 方向约束，模型顶部为自由边界。采用莫尔－ 库伦(Mohr － coulomb)弹塑性本构模型。

图1 三维计算模型网格Fig.1 Three-dimensional grid calculation model

结合矿山实际情况，考虑到岩体的结构面、节理裂隙等尺寸效应的影响，采用的矿岩体力学参数见表1 所示。

2.2 计算过程设计

采矿工程的力学特点是岩体力学行为与开采过程和开采时间有关，为了尽可能真实模拟矿体开采引起的地表沉降变形规律，根据矿区开采范围进行如下模拟计算。

表1 矿岩体物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of rock mass

(1)计算在给定边界力学与位移条件下模型的初始状态;

(2)矿体实际开挖。

2.3 计算结果与分析

利用建立的三维计算模型对矿体开采结束后的地表移动变形规律进行了分析，如图2、图3 所示。由于勘探线表示的矿体最接近实际情况，选取311#～327#勘探线为研究对象，利用FLAC3D后处理TECPLOT 软件给出了各勘探线模拟位移云图(如图4)。根据数值模拟监测位移结果绘制出地表沉降曲线图，见图5 ～图6。从模拟计算结果可以得出地表的移动变形规律如下。

图2 地表垂直位移场Fig.2 Surface vertical displacement field

图3 地表沉降位移等值线Fig.3 Contour line graph of surface subsidence displacement

图4 317#勘探线垂直位移等值线Fig.4 Vertical displacement contour line of No.317 exploration line

由图2 ～图4 看出地表最大沉降值为120.9 mm，伴随开采继续沉降值逐渐增大，地表呈现沉降盆地近乎椭圆，移动盆地最大下沉点位于316#线～320#线间，矿体上盘沉降速率大于下盘，岩层移动逐步向地表扩展并相互叠加形成更大的塌落拱，同时明显看出采空区顶底板周围形成应力集中区且等值线较地表密集。

图5 沿倾向方向(317#勘探线)地表沉降曲线Fig.5 Surface settlement curve along strike direction(No.317)

图6 沿走向方向(纵剖面线5)地表沉降曲线Fig.6 Surface settlement curve along strike direction(No.5 profile)

从图5、图6 可以看出，地表下沉呈现为沉降漏斗型，礼社江方向沉降值大于田家禹方向沉降，杨家村方向沉降值大于对门冲方向沉降，呈现不对称分布，其中杨家村沉降值最大为24 mm。沉降等值线基本遵循塌沉形态分布［12］，采空区上方地表下沉最大，同一方向上越远离中心下沉值越小。根据地表沉降移动盆地危险边界相关规范，杨家村处于危险圈定范围内，田家禹、对门冲都处于移动影响范围外，因此，按照现有开采方式进行井下开采应对杨家村采取相应的治理措施以防止矿体开采过程中由于地表沉降产生一定的灾害或进行井下矿体开采方式改进尽可能使地表村庄处于开采损害范围外。

3 结 论

通过FLAC3D仿真模拟得出矿体开采引起的地表移动过程是一个连续变化的过程。沉降等值线基本按地表塌陷的形态分布，扩展速率变形最大在礼社江、杨家村一侧，田家禹、对门冲村方向较弱，呈现出不对称分布。鉴于地表移动对杨家村产生影响，地表沉降最大沉降值为23.9 mm，其他村庄、选厂等设施影响程度较小，因此应针对杨家村方向的沉降采取相应的保护措施免受井下开采影响。由于井下开采对地表引起的开采损害，对矿山生产生活设施均会产生不同程度的影响，严重影响矿山安全生产以及地下矿体资源的开采。因此，对于该矿体开采过程中建议从以下几点进行综合考虑:

(1)对采后空区及时进行块石充填限制岩体更大程度的移动同时实现矿体无废开采。

(2)采用合理的开采顺序。开采施工的中间过程对岩体力学性能、采空区稳定存在很大的影响。生产实践表明:当回采工作面从某一方向单向推进，或从建筑物、村庄下方中央向相反两侧推进时，可以使上覆岩层及地表变形互相抵消一部分而减小［13］。这主要是随工作面开采推进远离地表建筑物、村庄衰减地下岩层移动对地表的扩散影响，同时减弱了地压非线性增长机制效应，因而根据矿体实际赋存条件、岩体力学性质、地表村庄、建筑物位置确定合理的工作面位置与开采顺序是很有意义的。

(3)为防止上覆岩层及地表塌陷，应根据开采过程中地压显现和地表观测沉降值确定留设空场法预留的点柱，此外可采用留设适当宽度的隔离矿(岩)柱，减小采空区的暴露面积，在控制地压的同时也抑制了塌落空间的纵向扩展，使得各工作面形成了非充分开采，进而控制岩层移动和地表沉降。

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