基于数值模拟的红岭铅锌矿岩层移动带圈定*

纪晓飞

(赤峰山金红岭有色矿业有限责任公司， 内蒙古 赤峰市 025400)

金属矿地下开采过程中，必然会形成数量庞大、形状复杂的采空区[1]，这些采空区的上覆岩层在自重、构造应力及开采扰动作用下，会产生多种形式的破坏，如跨落、断裂、离层、弯曲等，进而发展到地表形成一定区域内的地表塌陷[2-3]。国内外对煤矿开采岩层移动规律研究较多，但煤矿床是赋存相对规则的水平煤层，通常采用综放式开采，而在金属矿床中赋存条件复杂，矿体形状不规则且呈现分支复合现象，因而金属矿床开采后形成的空区形状千差万别[4-6]，同时金属矿床存在复杂的地质构造、采空区相互连通，致使一些用于煤层开采的地表沉陷、岩层移动等理论难以适用于地下金属矿床，金属矿山开采的岩层沉陷机理、地表移动规律等理论研究仍处于起步阶段[7-9]。

红岭铅锌矿用空场法联合崩落法开采，即空场法回采矿房，崩落法回收矿柱。由于采空区采用强制崩落上覆围岩充填处理，不仅造成体积达210万m3的地表塌陷坑，同时危及提升竖井井筒及地表工业设施安全。因此，有必要针对红岭铅锌矿地质条件和开采特征，研究岩层移动规律，圈定矿床开采地表岩层移动带，为矿山安全决策及地表工业建筑布置提供科学依据。

1 工程概况

红岭铅锌矿属于矽卡岩型多金属矿，矿体总体走向北东59°，倾向北西，倾角60°～80°，平均倾角75°，走向长度1350 m。红岭矿业公司井下目前有8个中段，三中段及以上已塌陷，四、五、六中段为主要生产中段，七、八中段正在进行采准工程。矿山采用阶段空场崩落联合采矿法，矿房宽度为 32 m，矿柱宽度为18 m，顶柱厚度10 m，矿房空场法回采、顶底柱采用崩落法回采。

经过十几年的开采，矿山留下了大量的采空区。随着各中段的矿柱相继回收，空区连通至地表造成大面积塌陷。根据统计，地表塌陷区面积为52416 m2，体积为210万m3，底部最上部到达三中段底板，最下部延深至五中段底板。随着地下矿体不断回采，地表塌陷区逐渐扩大。

2 红岭铅锌矿岩层移动角确定与地表移动带圈定

总结国内外在该领域的发展现状与研究成果，岩层移动的预测理论与预测方法主要有：观测、探测、测试方法；理论分析方法；物理模拟方法；数值分析方法；工程类比法等。

工程类比法是目前最常采用的一种方法,也是矿床开拓设计的首选方法。根据岩体的普氏分级系数、地质构造、矿体的产状等情况,将设计矿山与地质、采矿条件相类似的开采矿山进行比较，综合考虑确定相适应的岩层移动参数。

矿区锌1号矿体为主要矿体，分布6～45线间，长1350 m，地表可见露头，赋存标高1110～630 m，控制最大垂深480 m，厚度一般为5～6 m，走向北东59°，倾向北西，倾角70°～80°。矿体延深西浅东深，主矿段为29线至1线长800 m，垂深200～400 m，连续性好，矿体最大厚度 28.33 m，最小厚度0.99 m，平均厚度9.99 m，上盘f=8，下盘f=12。

经工程对比，认为武山铜矿与赤峰山金红岭铅锌矿1号矿体各方面条件最为接近。武山铜矿的岩层移动角见表1。

表1 武山铜矿岩层移动角

根据采矿手册上所提供的矿山移动角资料，研究表明，围岩的普氏系数愈高，岩体移动角愈大。所以，赤峰山金红岭铅锌矿1号矿体上下盘普氏系数均略大于武山铜矿，经过对比与修正，该矿体岩层移动角为 α=59°，β=64°，γ=69°。

3 红岭铅锌矿岩层移动数值模拟分析

依据红岭铅锌矿矿区地质剖面建立矿床开采三维有限元数值模型，分析计算矿山1至6中段矿体开挖后采空区不充填工况下的地表变形[9-10]，根据地表变形状态圈定地表移动带。

3.1 数值模型建立

以红岭铅锌矿 1#至 29#勘探线地质剖面图为基础，建立高精度符合矿体复杂曲面形状的三维有限元数值模型。本次建模共划分29个group，按照材料特征分为矿体、矽卡岩、大理岩、长石斑脉岩及板岩，材料力学参数见表2。矿体模型如图1所示，在模型中部存在一脉岩。

3.2 数值模拟结果分析

3.2.1 地表位移分析

利用三维计算模型对红岭铅锌矿各中段矿体开采结束后的地表移动变形规律进行分析，分别选取5#勘探线和17#勘探线作为剖面，分析地表沉降，得出岩层移动角，图2为6中段开采完毕，地表及围岩的竖向位移场。

开挖六中段后的围岩塑性区如图3所示。

图2和图3数值模拟结果表明：

（1）开挖一中段至六中段后，地表最大沉降分别为：0.3，1.0，2.3，3.3，4.5，5.0，6.0 cm，开挖至四中段后，地表变形特征明显；

（2）开挖至三中段以前，地表肪岩附近出现向上的正向位移，这是因为矿体开挖后，岩层具有较大的水平应力，泊松效应使肪岩地表附近将会产生正向的竖向位移，但随着矿体往下开采，脉岩保持向下沉降的趋势。

（3）开挖六中段后的围岩塑性区上盘的影响范围大于下盘的影响范围，在矿体的西南方向，5#勘探线对比矿体东北方向的 17#勘探线而言，破坏更大，上盘的破坏区面积也远大于下盘的破坏区面积，由于天然岩体的裂隙和地表的风化作用，这些破坏的塑性区在实际中已经塌陷。

根据塑性区破坏情况推测地表破坏情况，画出了破坏塑性区的包络曲线(见图3)。根据包络线推测5#勘探线西南方向地表塌陷宽度约为210 m，17#勘探线东北方向地表塌陷宽度约为130 m。根据现场实测，西南方向平均地表塌陷宽度为180 m，东北方向平均地表塌陷宽度为115 m，数值模拟结果与实测数值吻合，表明数值模拟结论的可靠性。

表2 数值模拟材料力学参数

图1 矿体模型

图2 六中段开挖后竖向位移场

图3 围岩塑性图

3.2.2 地表岩层移动角分析

选取六中段开挖后的计算结果作为移动角选择依据，图4为六中段开挖后位移分布。竖直位移指标达到或超过变形标准值(10 mm)，该节点即可视为地表破坏点，以此为依据，计算得出：矿体5#勘探线的上盘移动角为59°，下盘移动角为65.7°；17#勘探线的上盘移动角为 59.5°，下盘移动角为61.9°。矿体垂直勘探线的剖面图可以得出矿体的端部移动角为68.9°。经综合分析，矿体上盘平均移动角α=59.2°，下盘岩层平均移动角β=63.8°，端部移动角 γ=68.9°。工程类比法得出的岩层移动角为α=59°，β=64°，γ=69°，数值模拟研究得出的岩层移动角与工程类比法计算得出的结论类似。因此，数值模拟验证了工程类比法所得岩层移动角结论的正确性。

3.2.3 地表岩层移动带圈定

根据地表竖向位移为 10 mm圈定六中段开挖后地表的移动带范围，如图5所示，由图5可知，红岭铅锌矿移动带垂直矿体走向方向平均宽度为400 m，沿矿体走向方向平均长度为800 m，面积大约为320000 m2。箕斗井距离移动带为70 m，如果继续向下开采，则箕斗井很有可能会处在移动带范围之内，因此，深部矿体开采时必须采取有效措施控制移动带范围的进一步延伸。

图4 5#勘探线移动角示意图

图5 地表移动带范围示意图

4 结 论

（1）运用工程类比法对开采区域岩层移动进行分析，得到岩层移动角为 α=59°，β=64°，γ=69°。采用数值模拟的方法对矿体开采后位移进行分析，验证了工程类比法得到岩层移动角的正确性；根据竖直方向位移10 mm圈定地表移动带，移动带垂直矿体走向方向平均宽度为400 m，沿矿体走向方向平均长度为800 m，移动带面积大约为320000 m2。

（2）根据数值模拟结果，对开采区域岩层破坏塑性区包络曲线推算地表塌陷区范围与现场实测范围吻合，验证了数值模拟结论的可靠性。

（3）根据红岭铅锌矿岩层移动范围研究结果，箕斗井距离移动带只有70 m，随着矿体回采向下延伸，移动带范围将进一步扩大，如不采取有效措施控制地压问题，箕斗井等主要地表生产设施将处于移动带范围内，造成矿山生产安全隐患。