不同隐伏埋深下急倾斜矿体开采岩移规律研究

宋旻，邓飞，张院成

(江西理工大学 资源与环境工程学院， 江西 赣州市 341000)

0 引言

我国有着较为发达的矿产业，矿产资源储量极为丰富，多种矿物产量及储量位居世界第一。从家用电器到国防军工再到航空航天，都离不开矿产业的有力支撑，矿产资源作为国民经济发展的基础材料和重要的战略物资，关系到国民经济命脉和国家安全，因此必须持续优化矿业开发结构，推进我国矿业的高质量发展[1-2]。然而，随着国内各大矿山地下开采规模的不断扩大，各类生产事故及地质灾害事故不断发生，每年都有大量因采空区陷落引起的地表沉陷变形灾害发生。因此，矿山地表及岩层移动问题的研究需求变得越来越迫切，我国对此投入了大量的研究[3-5]。急倾斜矿体由于开采条件及应力作用的复杂性，造成的岩移运移特征与其他倾角矿体迥然不同，其开采被视为世界公认的难题，近年来逐渐成为一个新兴的研究方向[6-8]。因此，研究急倾斜矿体岩移规律对于地下井巷工程及地面建构筑物的保护具有非常重要的价值。

目前国内外学者对急倾斜矿体的岩移问题开展了大量研究工作，许梦国等基于室内相似模拟试验和数值模拟方法，分析了深部塌陷坑移动角和地表围岩随开采深度的变化规律[9]；郭延辉等基于离散单元法3DEC，分析了不同原岩应力下厚度及倾角对急倾斜矿体开采岩移规律的影响[10]；方建勤等分析了构造应力影响下的矿山开采后引起岩层移动产生宏观破坏特征的力学机理[11]；赵海军等采用数值模拟的方法，对急倾斜矿体在高构造应力和自重应力2种条件下的岩移特征进行对比分析，提出了原岩应力场中作为特征量的最大主压应力的取向对岩移行为的影响是使得两者岩移产生差异的根本原因[12]。

综上，已有的研究主要围绕不同岩移影响因素和不同原岩应力下急倾斜矿体岩移规律开展，分析其开采后的岩层运移特征规律及宏观机理。然而，埋藏深度作为岩层移动主要影响因素之一，目前对其研究还较少，因此，本文对此展开研究。

1 计算模型设计及计算方案

数值模拟采用基于有限差分的FLAC3D软件，计算模型概化图如图1所示，模型块体长为1000 m，竖直方向高度为400 m，矿体厚度为30 m，倾角为60°，倾向长度垂直分量取150 m，分为5个30 m高的阶段从上至下依次开采，矿体埋深为a，计算时分别取15 m、45 m、75 m、105 m、135 m、165 m，开挖后采空区不进行处理。模型采用平面应变，模型左右边界约束水平方向位移，底边界约束水平和竖直方向位移，模型整体约束所有纵向方向位移。选用Mohr-Coulomb本构模型进行模拟，矿岩物理力学参数见表1。将FLAC3D模拟计算的地表监测点垂直位移输出，绘制得到地表垂直位移曲线和倾斜值曲线。

图1 计算模型概化

2 地表岩移规律对比分析

不同埋深下地表垂直位移变化曲线如图2所示。由图2可知：

（1）随着埋深的增加，垂直位移曲线开口越来越大，沉降总量呈逐步增大趋势；

（2）地表最大沉降值都在初期随着埋深增加时有所减小，直至最后保持稳定，如15 m埋深时的地表最大沉降值达到最大，随后逐渐减少，直到75 m埋深时最大沉降值开始保持稳定不变，75 m、105 m、135 m、165 m埋深时地表最大沉降值几乎接近。

图2 地表沉降值随埋深变化曲线

图3为地表倾斜值随埋深变化的曲线，表1为岩体力学参数。

图3 地表倾斜值随埋深变化曲线

由图3可知，倾斜值总体的变化趋势是在靠近开挖区域时，埋深越小，地表倾斜值越大，当远离开挖区域达到一定距离时，如在500～600 m距离范围内，小埋深的倾斜值开始加速减小，直至最终原地表大埋深的倾斜值开始变得大于小埋深的倾斜值，即大埋深对远离采空区地表的影响大于小埋深。另外，若以垂直位移达到或超过变形标准值（10 mm）视为地表破坏点依据[13]，可得在仅改变矿体埋深的条件下，矿体开采后地表上下盘移动角随埋藏深度的变化规律,计算得到在埋藏深度为15 m、45 m、75 m、105 m、135 m、165 m时的上盘移动角分别为65.4°、60.3°、57.3°、55.4°、54.1°、53.4°。由此分析可得，急倾斜矿体开采时，随着埋深增加，影响范围越来越大，移动角越来越小，而移动角对埋深变化的敏感度越来越低，减小的速率逐渐变小。

表1 岩体力学参数

3 采空区上下盘围岩运移对比分析

图4是采空区上下盘围岩随埋深变化的位移云图，由图4分析可得出以下规律。

（1）上盘围岩随埋深增加，移动影响范围有所增大，最大岩移值表现为先少量减少而后增大的趋势，最大岩移值在45 m埋深时达到最小值4.28 cm；在75 m埋深时最大岩移值增大至4.51 cm，但未超过初始15 m埋深的最大岩移值；75 m埋深之后，最大岩移值以一定速率缓步增大，最终变得大于15 m埋深的最大岩移值。这是由于当矿体赋存在地表浅部的15～45 m埋深范围内时，随着埋深在地表浅部范围内的增加，采空区对岩层的扰动处于一种弱性发展阶段，即扰动范围有所增大但最大影响值略微减小，埋深越大，矿体上盘岩移传递到地表的距离越远，因此反映到地表最大沉降值就是45 m和75 m埋深时最大沉降值减少较快。另外由于75 m埋深后随着埋深逐步增加，上盘岩移值以一定速率较为均匀地增大，因此最终传递到地表的最大沉降值也逐渐保持稳定。

（2）下盘围岩最大沉降值随着埋深增大而一直增大，而移动影响范围有所减小。

图4 不同埋深下的上下盘围岩位移云图

4 结论

（1）急倾斜矿体开采时，随着埋深增加，地表沉降总量呈逐步扩大的趋势，地表最大沉降值在初期有所减小，直至最终保持稳定后几乎不产生变化。

（2）既定条件下，靠近采空区处地表变形值与埋深成反比，但当逐渐远离开挖区地表时，小埋深的倾斜值开始加速减小，直至最终原地表大埋深的倾斜值开始变得大于小埋深的倾斜值。

（3）不同质量等级围岩下急倾斜矿体开采时，随着埋深增加，影响范围越来越大，移动角越来越小，而移动角对埋深变化的敏感度越来越低，减小的速率逐渐变小。

（4）随着埋深增加，上盘围岩最大移动变形值先少量减小而后逐步增大，岩移影响范围越来越大，下盘围岩最大移动变形值一直增大，而移动影响范围逐渐减小。