金属矿山地下开采对地表建筑物稳定性影响分析

张智博，高世坤，吴亚斌,4

(1.长沙矿山研究院有限责任公司，湖南 长沙 410012； 2.金属矿山安全技术国家重点实验室，湖南 长沙 410012； 3.陕西太白黄金矿业有限责任公司，陕西 宝鸡 721607; 4.中南大学资源与安全工程学院，湖南 长沙 410083)

地下开采过程会影响上覆岩体和引起地表下沉，进而会对地表建筑物的稳定性造成影响[1-3]。矿区附近建筑物开裂或失稳的主要原因是矿山在开采过程中造成了地表建筑物下方区域地面的水平变形或者使建筑发生倾斜，由于砖混或砖木结构建筑物的抗拉伸能力往往不强，所以可能在地表还未出现明显裂缝的情况下建筑物出现裂缝[4-5]。地下开采对地表变形的影响随开采的进行而不断加大[6]，因此需要对建筑物下方地表的变形情况与开采过程进行关联研究。

常见采空区造成地表下沉的分析方法大致分为三种:理论法、数值模拟法和物理模型模拟法。其中理论法又包含剖面函数法、灰色系统理论法、典型曲线法、分布函数法和概率积分法等，这些方法有不同的优缺点，所以在研究中常常结合或者对比使用，其优缺点对比见表1。付华等[7]通过使用概率积分法对地下开采引起的地表变形进行了分析；刘三平等[8]使用概率积分法与数值模拟法得到了地表变形的等值图；代张音等[9]在概率积分法的基础上与模拟实验进行对比预测斜坡的地表变形；张惠生等[10]使用典型曲线法对特殊条件下开采沉降进行了预测，得到了较为准确的结果；李春意等[11]基于正态分布时间函数构建了函数模型对地表下沉进行预测，得到了地表下沉的时空分布特征；袁广祥等[12]通过建立灰色系统的GM(1,1)模型对地表岩移发展变化进行预测，得到了可信的预测结果；任伟中等[13]使用相似模拟法与数值模拟法进行了对比,分析了开采引起的地表变形。

表1 常见地表变化预测方法对比Table 1 Compare of common surface deformation predictive methods

综合对比上述方法的优缺点，并结合矿方实际要求以及实际研究需要，选用应用广泛的数值模拟法。本文针对某铜矿的开采过程，在数值模拟的基础上，以该矿区建筑物地表的变形为研究对象，构建数值计算模型对建筑物的稳定性随开采过程的变化情况进行模拟。

1 建筑物稳定性主要参数的选择

建筑物稳定性主要参数有下沉、倾斜、水平变形、曲率等，由于目前大多数老矿山使用的建筑物多为砖混结构，与相关研究以及规程[4-5]对照后，在地表发生小范围连续沉降和水平变形时，判断连续下沉时地表建筑是否安全的主要指标为水平变形、倾斜和曲率。其中，水平变形的含义是地表单位长度内水平移动的变形值，倾斜的含义是地表单位长度内下沉的变形值，曲率的含义是地表单位长度内倾斜的变形值，如图1所示。水平变形值计算公式见式(1)；倾斜值计算公式见式(2)；曲率计算公式见式(3)。

(1)

(2)

(3)

式中：ε为水平变形值，mm/m；UA为A点水平位移值，mm；UB为B点水平位移值，mm；ΔU为两点水平位移之差，mm；Δx为两点的距离，m；i为倾斜值，mm/m；WA为A点垂直位移值，mm；WB为B点垂直位移值，mm；WC为C点垂直位移值，mm；ΔW为两点垂直位移之差，mm；K为曲率，10-3m；Δi为倾斜的变化量，mm/m。

图1 地表移动和变形示意图Fig.1 Ground movement and deformation diagram

2 数值分析模型的建立

某铜矿原采用浅孔留矿法开采形成了采空区，造成地表不同区域的建筑物出现了裂隙，如主竖井及周边建筑出现裂隙、选厂墙体开裂、选厂地面开裂等现象。设计后期开采改为平底结构浅孔留矿嗣后充填法，但即使采用充填法进行开采也可能对地表和矿山建筑造成破坏[14]，为了保障矿山的安全生产，需要对矿山开采现状进行稳定性分析，本文采用数值模拟的方法先模拟当前情况，进一步模拟后续开采步骤进行研究。

通过对矿区地表、矿体及地层界线数据的提取和分析，建立了矿区数值计算模型。模型x方向长350 m，y方向长400 m，z方向-520 m至地表，模型单元总数49.2万个。根据矿区地形图和中段平面图构建三维Surpac模型，再将Surpac模型导入Midas GTS有限元软件中划分网格，再导入FLAC3D计算软件中计算，模型见图2。数值模拟计算采用的岩体力学参数见表2，矿体岩性为矽卡岩，围岩岩性为大理岩，地表为覆土层，初始应力云图见图3。在需要分析的建筑物地表布置监测点，沿主要研究建筑物的地表长轴和短轴端点各布置两个监测点，二者交点布置一个监测点，即每个建筑物地表布置5个监测点。

图2 三维数值模型和三维计算模型图Fig.2 Three-dimensional numerical model and three-dimensional calculation model

表2 岩体力学参数汇总Table 2 Summary of rock mechanics parameters

图3 初始应力云图Fig.3 Initial stress diagram

3 稳定性分析

3.1 现状分析

对模型进行稳定性分析，先分析中段模拟开采至-170 m中段，得到当前情况下地表沉降状态和应力分布情况，并充填现有采空区，模拟计算至平衡状态。

观察地表沉降云图可知，选厂和办公区域都随着回采出现了不同程度的下沉，其沉降量约为17 mm，与实际监测的地表下沉值相当。地表下沉量最大的区域主要位于浓缩池的东侧，坑采办公室的北侧，见图4。选取浮选车间附近的监测点，其监测曲线见图5。这些位置的地表变形以垂直沉降为主，其垂直位移明显大于水平位移，位移约1.64 cm，计算沉降数据和现场情况基本一致，地表沉降主要发生在回采-135 m中段和-170 m中段矿体时，由于这两个中段矿体厚度明显大于-135 m以上中段矿体，形成的采空区体积较大，致使地表沉降趋势更加明显。

图4 地表垂直沉降云图Fig.4 Flotation shop monitoring point displacement curve

3.2 建筑物在开采过程中分析

根据矿方开发利用方案，其设计为-225 m和-265 m中段作为首采中段，结合矿体走向较短、赋存范围集中的特点及所矿方选用的采矿方法，确定表3的模拟计算方案，即先采上部中段，后采下部中段，由上而下逐个中段开采并同时充填该中段上方中段，依次模拟各个步骤得到各个中段回采或充填结束的状态。

表3 数值模拟计算方案Table 3 Numerical simulation program

图5 浮选车间监测点位移曲线Fig.5 Displacement curve of monitoring point in flotation workshop

由于矿山使用充填法进行开采，由模拟中的不同阶段的塑性区变形范围可以看出，开采引起的塑性区变形发生在正在开采矿体和充填体周围4 m左右，当多个矿体距离较近时，塑性区会重合并贯通，容易出现局部垮落，但塑性区距地表较远，见图6。

以浮选车间为例，其随矿体开采的变形情况见图7。矿体开采过程中，其水平变形呈现出缓慢减小的趋势，并在回采-225 m和-265 m中段时候出现峰值，约为4 mm/m；而其倾斜和曲率则表现为迅速增加趋势，在回收最后中段时达到峰值，前者约为5.5 mm/m。由于对采空区进行了充填，地表变形影响范围大幅缩小，地下开采对地表造成的影响主要表现为小范围沉降和水平位移。整体上，浮选车间随着矿体的开采主要以倾斜破坏为主。将六个主要建筑物的变形情况汇总于表4，并与《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中砖石结构建筑物破坏等级进行对比[4]。矿体开采过程中对地表构建筑物及选厂影响主要表现为：浮选车间、浓缩池为中度破坏，选厂办公室、卷扬室、坑采办公室、破碎站为轻度破坏。

表4 后续开采过程中不同建筑物的变形情况Table 4 Deformation of different buildings duringsubsequent mining

图6 典型塑性区变化图Fig.6 Typical plastic zone change diagram

图7 浮选车间在开采过程中的变形情况Fig.7 Deformation of the flotation workshop during the mining process

4 结 论

1) 通过本文的研究，开采现状模拟计算结果和现场实测地表沉降数据基本吻合，因此，通过数值模拟研究建筑物附近地表布置监测点的方法能够真实有效地反应开采过程中建筑物下地表的变形情况。

2) 在矿山开采过程中影响地表建筑物稳定的因素众多，建筑物附近地表的应力与位移变化是影响建筑物结构稳定性的直接表征参数。数值模型建筑物附近地表布置模拟监测点的方法，能够获取一系列地表稳定性随开采过程变化的空间参数。

3) 采用数值模型地表布置监测点模拟地下矿体开采的方法可以有效地对需要研究的每个建筑物所在位置的地表变化情况进行独立深入的分析。