地下采动影响下地表沉陷的分析

王瑞星，孙洪洲，刘志义

(1.山东黄金矿业(莱州)有限公司三山岛金矿 山东 莱州市 261442；2.中南大学 资源与安全工程学院, 湖南 长沙 410083)

地下采动影响下地表沉陷的分析

王瑞星1，孙洪洲1，刘志义2

(1.山东黄金矿业(莱州)有限公司三山岛金矿 山东 莱州市 261442；2.中南大学 资源与安全工程学院, 湖南 长沙 410083)

三山岛金矿直属矿区属于滨海矿床，矿体开采技术条件复杂，上覆岩层或者地表沉陷都有可能导致海水大量的渗入，为确保矿山安全，采用有限元数值软件对直属矿区深部取消点柱后的矿体建立模型，通过计算下沉、水平位移、倾斜、曲率、水平变形、扭曲和剪应变等指标，定量的分析取消点柱后地下采动对地表沉陷的影响。结果表明，三山岛金矿直属矿区深部开采取消矿柱后上覆岩层不发生破坏，对地表建筑物不构成影响。

滨海矿床；采动影响；地表沉陷；数值计算

0 引 言

当地下工作面开采达到一定距离后，地下开采便波及地表，受采动影响的地表从原来的标高向下沉降，从而在采空区上方形成一个比采空区大得多的沉陷区域，这种地表沉陷区域称为地表移动盆地，或称下沉盆地[1]。在地表移动盆地的形成过程中，逐渐改变了地表的原有形态，引起地表标高、水平位置发生变化，从而导致位于影响范围的建(构)筑物的损坏。

三山岛金矿直属矿区属于滨海矿床，矿体开采技术条件复杂，上覆岩层或者地表沉陷都有可能导致海水大量的渗入，严重影响矿山安全[2]。鉴于此，选取取消点柱的分界深度为-555 m，-555 m以下矿体开采全面取消矿柱。为研究取消矿柱后岩层移动及滨海地表沉降规律，采用有限元分析软件ANSYS进行数值模拟，分析取消点柱后采动对地表沉陷的影响，从而确保矿山安全生产。

表1 岩体力学参数折减系数

表2 模拟中岩体力学参数

1 ANSYS计算模型的建立

1.1 岩石力学参数

三山岛金矿区的岩石主要是黄铁绢英岩质碎裂岩、黄铁绢英岩化花岗质碎裂岩、绢英岩化花岗岩[2]。考虑到岩石力学实验中所用的试件与工程中岩体的差别，对实验数据需要进行折减，折减系数值如表1所示，模拟使用的基本岩石力学参数如表2所示。

原岩应力包括自重应力和构造应力，根据地应力测量报告，水平构造应力主应力σhmax垂直矿体走向，主应力方向σhmix沿矿体走向，构造应力变化规律如下[3]：

σhmax=0.11+0.0539H

(1)

σhmix=0.13+0.0181H

(2)

σz=0.08+0.0315H

(3)

式中,H为竖直方向深度，m。

1.2 计算模型的建立

实体模型的建立,一是要根据移动角大体估算可能的移动范围，二是要考虑计算机的可实现性。建立的模型参数如下：计算模型取走向1230 m，宽度为500 m，深度为1000 m，矿房中矿柱尺寸取4 m×4 m，网度15 m×15 m，顶底柱3 m。由于研究对象为地面建筑，同时考虑开采沉陷范围，计算模型在往陆地方向取长度1100 m，往海水延伸方向取100 m。

根据上述参数建立有限元模型网格如图1所示。模型中共有70413个单元，单元类型为solid45。

图1 计算模型

2 ANSYS计算结果分析

从地表移动的力学过程及工程技术问题的需要出发，地表移动的状态可用垂直移动和水平移动进行描述。常用的定量指标有下沉、倾斜、曲率、水平变形、扭曲和剪应变[4]。

2.1 定量指标计算

地表点的沉降叫下沉，是地表移动向量的垂直分量。下沉曲线表示地表移动盆地内下沉的分布规律，设主断面方向为x轴，下沉位移为y轴，地表移动盆地主断面上的下沉曲线如图2所示。

图2 垂直矿体走向主断面下沉曲线

对垂直矿体走向沉降点分别进行拟合，拟合结果为：y=-2.089×10-18x6+8.378×10-15x5-1.237×10-11x4+7.463×10-9x3-4.765×10-7x2-0.00109x+0.130988,拟合系数为0.9974，拟合度较好。

倾斜曲线表示地表移动盆地倾斜的变化规律，为下沉的一阶导数，通过对下沉曲线数据的处理，可得到地表移动盆地垂直矿体走向主断面上的倾斜曲线,如图3所示。

对垂直矿体走向沉降点斜率分别进行拟合，拟合结果为：y=-5.911×10-25x6-1.044×10-17x5+3.35110-14x4-3.711×10-11x3+1.493×10-8x2-4.764×10-7x-0.00109,拟合系数为1，拟合度较好。

图3 垂直矿体走向主断面下沉倾斜曲线

曲率曲线表示地表移动盆地内曲率的变化规律，它是倾斜的一阶导数，通过对倾斜曲线数据的处理，可得到地表移动盆地垂直矿体走向主断面上的曲率曲线,如图4所示。

图4 垂直矿体走向主断面下沉曲率曲线

对垂直矿体走向沉降点曲率分别进行拟合，拟合结果为：y= 1.102×10-27x6-7.736×10-24x5-4.175 ×10-17x4+1.005×10-13x3-7.422×10-11x2+1.493×10-8x-4.764×10-7，拟合系数为1，拟合度较好。

水平变形是水平移动的一阶导数，通过对水平移动曲线数据的处理，可得到地表移动盆地垂直矿体走向主断面上的水平变形曲线，如图5所示。

对垂直矿体走向水平移动变形分别进行拟合，拟合结果为：y=-2.138×10-30x8+1.07×10-22x7-4.964×10-19x6+9.27×10-16x5-8.85×10-13x3+4.5×10-10x3-1.136×10-7x2+1.103 ×10-5x-0.00031946，拟合系数为1，拟合度较好。

2.2 计算结果分析

(1) 竖直沉降分析。矿区最大沉降位移区域位于垂直走向430 m处，最大沉降值达到140.642 mm，正好处于点柱式开采与盘区法开采分界处的上方，与理论分析结果吻合。

图5 垂直矿体走向主断面水平移动变形曲线

(2) 倾斜及曲线分析。矿区最小倾斜区域均位于点柱式开采与盘区法开采分界处的上方。结合地下采空区平面图及地表下沉曲线图，对地表斜率变化规律进行分析，发现点柱式开采引起的倾斜情况比盘区式开采引起的倾斜较大一些。

(3) 曲率曲线分析。矿区最大曲率区域均位于盘区法开采矿体的上方，最大值达0.003×10-3/m。结合曲率曲线图可以看出，曲率变化在-150 m和-600 m以及-1000 m附近有拐点，在开采中应对这些区域加强观测。

(4) 水平变形曲线。由水平变形曲线图可知，点柱式开采变形为负，在600 m左右水平变形减为0，盘区式开采部分矿体上方地表位移表现为距离活动采场越远的地方，水平变形逐渐增大。

3 结 论

根据计算结果，三山岛金矿深部开采取消矿柱后，主断面上地表垂直位移为14 cm，最大水平变形为0.4 mm/m，最大曲率为0.003×10-3/m，最大倾斜0.011 mm/m。分析可知,上覆岩层不会发生破坏,按国家规定的等级分类，建筑物的损坏等级为Ⅰ级，地表建筑物的自然砖墙上可能会出现1 mm左右的裂缝，对建筑物的使用不构成影响，可以不进行结构处理。

[1] 何国清,杨 伦.矿山开采沉陷学[M].北京:中国矿业大学出版社,1991:45-59.

[2] 彭 康,李夕兵.基于响应面法的海下框架式采场结构优化[J].中南大学学报:自然科学版，2011(8):2417-2423.

[3] 彭 康,李夕兵.三山岛金矿中段盘区间合理回采顺序动态模拟选择[J].矿冶工程，2010(6):8-12.

[4] 武龙飞.充填开采引起地表沉陷的影响因素探讨[J].能源技术与管理,2008(1):21-26.

2013-09-25)

王瑞星(1970-)，男，黑龙江齐齐哈尔人，工程师，本科，主要从事采矿工艺研究工作,Email：liuzhiyi20czh@163.com。