某矿山厚大第四系下开采对地表的影响分析

黄 斌张 宁林玉川李庸庆王 靖任远芳

（1.霍邱县庆发矿业有限责任公司；2.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司；3.中钢集团马鞍山矿院工程勘察设计有限公司；4.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司；5.安徽富凯矿业有限公司）

随着社会经济的高速发展，矿山周边的厂房、村庄不断扩张，导致岩体移动监测范围内存在道路、村庄、厂房等建（构）筑物。矿体开采后，地应力重新分布，引发上覆岩层移动，进而使地表建筑发生变形，严重时将造成破坏，对矿区周边人员和财产造成威胁［1］。

安徽霍邱地区某矿体上部第四系厚约200 m，设计第四系下部留设不小于50 m 的隔离层矿柱，其地表岩体移动范围分布有农田、道路、村庄等。为研究该矿床开采对地表的影响，研究采用FLAC3D软件，基于拉格朗日有限差分法，计算开采过程中应力、位移分布情况［2-4］，分析地下开采对地表的影响。

1 矿山概况

1.1 矿床概况

该铁矿矿床由1 个主矿体和多个零星小矿体组成，矿体赋存于周集岩组含磁铁矿岩段中。矿体呈似层状，单层厚度为18.58～36.59 m，夹层厚度为2.1～8.97 m，倾向南西，浅部矿体倾角为45°～60°，深部矿体倾角为5°～15°。矿体标高为-180～-734 m，最大斜长约为700 m，走向为330°，长度为1 600 m。

矿床被第四系松散层所覆盖，风化带呈似层状分布，稳定性差，矿体及其顶、底板岩石稳定性较好，矿床属于坚硬、半坚硬层状矿床工程地质类型。矿床构造复杂程度相对简单，主要以Ⅲ、Ⅳ结构面为主。第四系松散层、风化带及局部破碎带影响岩体稳定。岩体质量分级见表1。

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矿山水文地质条件简单，地表以及各含水组之间水力联系简单，矿区环境地质良好。

矿区地表平坦，标高在30～39 m，矿区岩体移动监测范围内分布村庄、道路等建（构）筑物，保护等级属于II类。

1.2 设计情况

矿山设计生产规模为95 万t/a，设计开采标高范围为-250～-600 m，矿区第四系厚度约为200 m，分布标高在40～-180 m。

为保证第四系的稳定，设计最高开采标高为-250 m 水平，以上有厚度为50～90 m 的矿体（包括氧化矿体）作为护顶矿柱。根据各勘探线护顶矿柱厚度统计与校核，5#勘探线剖面护顶矿柱厚度最小，为79.47 m；2#勘探线剖面新鲜基岩工程地质组厚度最小，为37.84 m；5#勘探线剖面风化基岩工程地质岩组厚度最小，为19.47 m，各勘探线剖面上护顶矿柱与各工程地质岩组厚度见表2。

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2 室内岩石力学试验

2.1 试验内容

对矿体及顶底板岩石取样，进行室内岩石力学试验。试验包括单轴抗压强度试验、劈裂拉伸试验、剪切变形试验和变形试验。

岩石力学试验结果汇总见表3。

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2.2 岩体力学参数

岩体是由一系列结构面及被结构面切割成的结构体所组成的复杂介质，与岩石有较大差别。在模拟计算时，需对室内力学试验结果进行折减处理。折减后的矿岩体力学参数见表4。

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3 数值模拟计算

3.1 模型建立

根据矿体的分布以及回采盘区的尺寸情况，模型上部为矿区地表，其余各边界距开采边界的距离是盘区尺寸3 倍以上［5］。建模范围为南北方向2 200 m，Y轴 坐 标 自3 590 800～3 593 000 m；东 西 方向2 000 m，X轴坐标自39 401 800～39 403 800 m；下部边界为-800 m 水平。

模型根据岩层、中段矿块设计及围岩留设情况划分材料类别，包括第四系（dsx）、风化层（fhc）、矿块（350～450 m）、围岩（wy）等，共建立929 195 个网格单元，20余个回采单元。模型典型剖面见图1。

3.2 模拟开采顺序

按照设计推荐回采顺序，水平方向上自中间3#勘探线和5#勘探线向两翼回采，垂直方向上先回采-450 m 中段矿体，随后开采-350 m 中段矿体，最后回采-600 m中段矿体。

3.3 计算结果分析

为了清晰地反映矿体开采过程中位移发展规律，本次论证结合平面图和剖面图进行分析。平面图利用计算模型表面图，剖面图根据保护对象相应位置，共设计了4 条虚拟计算监测线，分别为1#、2#、3#和4#，见图2。

矿体开采结束后，采场围岩应力分布状态受到了扰动，采场周边区域在弹性恢复以及自重作用下向暴露面方向移动，造成其周边围岩发生位移，进而逐渐影响至地表［6］，通过1#～4#监测线和地表位移等值线图分析矿床开采的影响区域，为后续变形及曲率计算提供基础数据（图3～图7）。

从图3 中可以看出，受矿体开采影响，1#监测线影响区域在Y方向上的3 590 800～3 593 000 m，深部影响区域在-250～-600 m，主要影响区域出现在-400和-500 m处。深部最大位移为70 mm，地表区域最大位移为37 mm。

从图4 中可以看出，受矿体开采影响，2#监测线影响区域在Y方向上的3 591 000～3 592 700 m，位移等值线在-600 m 中段形成等值线拱，最后延伸至地表形成不闭合等值线群，深部最大位移值为65 mm，地表区域最大位移值为18 mm。

从图5 中可以看出，受矿体开采影响，矿体开采在该监测线的影响区域在X方向上的39 401 900～39 403 100 m，对该监测线所在剖面的影响小，主要以不闭合等值线群出现，深部区域影响小，地表区域影响相对较大，最大位移值为19 mm。

从图6中可以看出，受矿体开采影响，该监测线的影响区域在X方向上的39 401 800～39 403 500 m，位移等值线在-600 m 中段形成等值线拱，最后延伸至地表形成不闭合等值线群，深部最大位移值为75 mm，地表区域最大位移值为31 mm。

图7为矿体开采结束后地表位移等值线图，可以看出，受矿体开采影响，地表位移以矿体开采区域为中心向外呈等值线拱，开采区域中部位置地表位移最大，远离开采中心，位移等值线半径变大，位移值变小，地表最大位移值为41.5 mm，出现在桃园村与张家夏楼之间区域。

4 安全评判

矿山开采引起的地表建（构）筑物的破坏主要由倾斜和变形导致。我国评判矿体开采对建筑物破坏等级的标准采用倾斜、曲率及水平变形值为依据，需根据位移与变形相互关系进行转化计算［7］。通过对比地表发生的倾斜、曲率及水平变形值是否符合相关规范的允许值，判断建（构）筑物是否发生破坏。

4.1 模拟监测点布设

为寻求矿区地表最大倾斜、曲率及水平变形值，结合上述数值模拟计算结果，在模型表面保护对象及位移变化明显的区域布置模拟监测点，模拟监测点网格为100 m×100 m，共计设置模拟监测点110个，监测点布设见图8。

4.2 评判标准

参照《有色金属采矿设计规范》，分2步骤评判地表保护对象的变形与曲率的允许值。首先对照建（构）筑物的重要程度划分保护等级表，该矿山地表分布有学校、长度大于20 m 的2 层和3 层以上住宅楼、一级公路等，属于Ⅱ类保护等级。

Ⅱ类保护等级建（构）筑物允许地表倾斜、曲率及水平变形值见表5。

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4.3 评判结果

通过计算，整个矿区地表最大变形及曲率出现在张家夏楼与桃园村之间的进矿大道和张家夏楼北部村庄区域，最大倾斜为0.123 4 mm/m，最大曲率为0.000 8×10-3/m，最大水平变形为-0.092 4 mm/m，均远小于Ⅱ类保护等级构筑物的允许值。

5 结 语

（1）数值模拟表明，该矿区地表最大变形及曲率出现在张家夏楼与桃园村之间的进矿大道和张家夏楼北部村庄区域，其变形值符合相关规范要求，不会对建（构）筑物的安全造成太大的影响。

（2）对于厚大第四系矿山，留设合适的水平隔离层矿柱及采用空场嗣后充填法开采矿体，引起的地表位移及变形较小，对地表建（构）筑物的影响较小。