高速公路压覆矿体开采地表变形预测

曹易恒，尹贤刚，李向东，甯瑜琳

(1.长沙矿山研究院有限责任公司，长沙410012；2.国家金属采矿工程技术研究中心，长沙410012)

建筑物下、铁(公)路下和水体下埋藏的矿体称为“三下”矿体，“三下”矿体的开采可能导致位于地表的建筑物、交通工程、水利工程发生破坏失稳，从而产生一系列威胁人员生命财产安全的问题[1]。

压覆矿体开采的关键是如何控制地下开采引起上覆岩层和地表移动变形，国内外已有许多研究人员对此进行了研究。许家林等提出关键层理论，分析了关键层活动对覆岩与地表移动的影响[2]；刘仁冬等通过数值模拟方式研究了“三下”矿体开采造成的地表移动变形，分析了地表移动变形规律[3-5]；陈则连等通过理论计算或数值模拟研究了公路铁路下开采造成的地表移动变形，并提出了具体的保护措施[6-8]；王伟等采用数值模拟方式研究了充填采矿法的地表变形，表明充填体对减小采矿引起地表变形具有重要作用[9-10]。

本研究以盘龙铅锌矿矿区的高速公路压覆矿体开采为例，综合利用理论计算和数值模拟的方式得出压覆矿体开采造成的地表移动变形结果，并导出数值模拟结果进行后处理，生成地表移动变形等值线复合图，以此可直观对照大致得出诸如建筑物、公路等地表保护对象的移动变形值，从而判定压覆矿体开采是否会使得高速公路发生破坏。

1 工程概况

矿区主要出露地层为第四系土层，平均厚度16 m。矿区地表有建筑物、河流、公路等，地表不允许塌陷，其中矿区4～6勘探线之间有高速公路通过，矿区东部有宽约500 m、水位40～45 m的黔江流过，为防止突水淹矿和严重岩溶地面塌陷问题的发生，矿区东部设有注浆帷幕挡水工程。东部矿体主要赋存于白云岩中，总体走向北东向，走向长750 m，最大倾斜延伸1 100 m，倾向340°，倾角平均82°，厚度平均18 m，赋存标高62～-1 140 m。

为延长矿山服务年限，增加可采资源储量，综合考虑后决定试采位于2～16线，-220 m标高以下高速公路压覆的矿体，设计采矿方法为机械化上向水平分层充填法，中段高60 m，采场垂直走向布置，两步骤回采，矿房矿柱宽度均为15 m，分层高度4～5 m。

2 理论计算

概率积分法基本原理是以正态分布函数为影响函数用积分式表示地表下沉盆地，是我国应用于地表开采沉陷预测比较成熟的一种理论预计方法。本文具体采用了P系数法、条带经验公式法、特殊开采法三种计算方法进行预测，三种计算方法的计算结果见表1，计算结果与2017年颁发的《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》规程对比可知，理论计算结果满足规程安全要求，表明地表建构筑物未发生破坏。

表1 概率积分法理论计算结果

3 数值模拟

3.1 模型建立及参数

依据勘探线剖面图提取的矿岩边界，综合利用3Dmine生成矿体边界、Midas GTS建立矿体实体并划分网格、FLAC3D模拟开挖计算，最终实现压覆矿体数值模拟开挖计算。模型X方向长1 500 m，Y方向长500 m，Z方向-1 100 m至地表，数值模拟计算模型如图1所示。模型单元体数量为126.6万，节点数量为23.9万。

图1 数值模拟计算模型Fig.1 Numerical simulation model

约束方式为边界位移约束，模型X、Y方向端部平面分别只约束X方向、Y方向位移，模型底部只约束Z方向位移，顶部地表面为自由边界。将模型岩体简化为各向同性的材料，以Mohr-Coulomb准则为屈服准则，矿岩力学参数具体见表2。

表2 矿岩物理力学参数表

3.2 开挖步骤及回采顺序

模拟开挖步骤依照该矿山压覆矿体机械化上向水平分层充填法回采方案，中段间的开挖顺序为由上至下，依次回采充填-380 m中段至-980 m中段，最后回采充填-270 m、-320 m中段；中段内的开挖顺序为两步骤回采，隔一采一，一步骤采场回采宽度15 m，二步骤采场回采宽度15 m，同一水平的采场同时作业。模拟回采充填步骤见表3。

表3 模拟回采充填步骤表

3.3 模拟计算结果

由于FLAC3D云图等值线上没有标明数值，且无法单独展示地表移动变形云图，由此导出的地表移动变形云图可读性不强，利用相关软件将结果进行可视化后处理便于直观阅读地表移动变形结果，后处理所得等值线复合图具体如下：

地表最大沉降量约为12.3 mm，主要位于6～10线，地表沉降变形情况如图2所示；地表最大倾斜绝对值0.011 7 mm/m，位于16线附近，地表倾斜变形情况如图3所示；地表水平变形情况如图4所示，地表最大水平变形绝对值为0.010 6 mm/m；地表最大曲率绝对值为0.003×10-3/m，位于X=37 369 100，Y=2 600 300附近。

图2 地表沉降位移等值线复合图Fig.2 Composite contour sheet of surface settlement displacement

图3 地表倾斜变形情况Fig.3 Surface tilt deformation

3.4 结果分析

2017年颁发的《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》，其中规定地表移动边界按实测下沉值10 mm的点确定，Ⅰ级保护建筑物的变形临界允许值：倾斜变形i=±3 mm/m，水平变形ε=±2 mm/m，曲率变形K=±0.2×10-3/m。

图5 地表沉降三维云图Fig.5 Three dimensional cloud chart of surface settlement

依据数值模拟结果，按沉降10 mm作为边界可圈出地表沉降盆地东西向边界。对比分析地表沉降三维云图(图5)和地表最大变形-沉降等值线复合图(图6)可知，地表最大倾斜变形0.011 7 mm/m，位于地表沉降盆地中腰部；地表最大水平变形0.010 6 mm/m，位于模型边界、沉降量最大区域；最大曲率变形0.003×10-3/m，位于沉降量最大区域、沉降盆地中心圈内。由表4数值模拟结果与规程要求对比可知，以上变形结果均小于临界允许值，这表明压覆矿体模拟开采后，地表建构筑物未发生破坏。

图6 地表最大变形-沉降等值线复合图Fig.6 Composite contour sheet of maximum surface deformation and settlement

表4 数值模拟结果表

4 结论

为探讨“三下”矿体开采引起的地表移动变形，以盘龙铅锌矿高速公路压覆矿体开采为例，采用数值模拟和理论计算的方法进行研究，取得如下结论：

1)概率积分法理论计算得出地表最大倾斜变形0.101 mm/m、最大水平变形0.078 mm/m、最大曲率变形0.000 4×10-3/m；数值模拟得出地表最大倾斜变形0.011 7 mm/m、最大水平变形0.010 6 mm/m、最大曲率变形0.003×10-3/m。理论计算和数值模拟结果均符合规程要求，表明压覆矿体开挖后，包括高速公路在内的地表建构筑物未发生破坏。

2)最大倾斜变形位于沉降盆地中腰部，最大水平变形位于沉降量大的模型边界，最大曲率变形位于沉降盆地中心圈内。

3)数值模拟分析及理论计算结果为研究高速公路压覆矿体开采引起地表移动变形和论证类似压覆矿体是否能开采提供了依据，对于类似矿山具有重要意义。