某铁矿地下开采地表变形数值模拟

徐祥熙　武　斌

(山东金岭矿业股份有限公司)



某铁矿地下开采地表变形数值模拟

徐祥熙武斌

(山东金岭矿业股份有限公司)

地下矿产的开发不可避免地造成地表沉陷和移动变形，对矿区地表建(构)筑物造成一定的影响。为定性和定量研究矿区地表变形特征，运用FLAC3D数值模拟方法，对某铁矿开采引起的地表变形区域进行了划分，结果表明，地表建(构)筑物大多位于地表移动边界之外，扩界开采带来的影响较小。

地下开采开采沉陷地表沉降数值模拟移动边界

地下矿山开采对地表产生了不同程度的影响，随着地下采掘范围的扩大，导致地表出现不均匀沉降，严重者甚至造成地表塌陷，在矿区附近地表往往会出现塌陷坑、地裂缝等采矿活动引起的地表大变形现象[1-4]。若采场距地表建筑(构)物较近，便会导致建筑(构)物地基的稳定性受到影响，造成地表房屋开裂、破坏。为确保某铁矿在扩界开挖过程中，矿区附近的居民房屋安全以及企事业单位的正常运行，需对采矿引起的地表变形程度和范围进行定性定量分析。

1　工程背景

某铁矿至今开采已逾50 a，目前开采标高+250～-200 m，采区面积1.048 4 km2，采矿方法为下向进路胶结充填法，生产规模45万t/a。经扩界后矿区在开采面积上有所增加，开采深度从-200 m延深至-350 m。该矿矿体分布较复杂，矿体形态不规则，分布有零星矿体无法开采，但总体而言，矿体位于大理岩和闪长岩接触带中，顶板多为大理岩，底板为矽卡岩及蚀变闪长岩。该铁矿采用的下向进路胶结充填采矿法可有效限制采矿活动引起的地表变形，为遏制地表变形发展发挥了积极作用。该方法自上而下分层回采、分层充填，以巷道进路方式在上分层的人工假底保护下进行回采，每一分层回采是在掘进完分层联络道后，以分层全高垂直走向或沿走向划分进路，间隔或连续地进行进路采矿，第一批进路回采完毕后便立即铺设人工假底并进行胶结充填接顶，在此基础上回采并充填相邻进路，待整个分层的回采与铺设人工假底、充填工作结束后，再进行进路回采下一分层。该方法的主要优点在于回采安全，矿石回收率高，贫化率低，进路的方向、位置及数量可根据矿山地质情况进行调整，灵活性强。

2　数值模拟

2.1模型构建

该铁矿矿区面积较大，矿体广泛分布于-1#～53#线，原矿体竖向分布主要从地表附近至-200 m，扩界的竖向区域主要为-200～-350 m，但扩界区域内矿体较薄，主要分布于19#～23#线，部分区域矿脉厚度较小，无法开采。矿区地表有较薄的第四系地表土，地表大部分区域直接与岩石接触，地表以下主要岩石为大理岩，其间夹杂少量的砾石和灰岩，该部分可简化为大理岩层，而实际地层为倾斜地层，为简化数值模拟过程，在不影响计算结果的前提下，将该部分地层简化为水平地层，大理岩地层下伏为闪长岩层。根据该矿圈定的研究范围，建立了三维数值计算模型，最终模型尺寸为2 500 m×1 300 m×630 m(长×宽×高)，计算模型共分为2个地质地层，3个计算组(大理岩、闪长岩和矿体)，模型总计267 534个三维计算单元，48 685个网格节点。三维仿真模型及矿体形态如图1所示。

图1　数值计算模型

该计算模型采用的边界条件为侧面限制水平移动，底面固定，模型上表面为自由边界。模型全部采用实体单元模拟，岩土体材料破坏特征符合Mohr-Coulomb强度准则。模型计算所需的力学参数取值见表1。

表1　某铁矿数值模拟各地层力学参数

模型数值模拟运算过程为：①在给定的力学条件和边界约束情况下，计算模型的初始应力，以达到初始应力平衡状态；②计算实际分步开采回填过程中地表的沉降变形，得到地表移动边界，分析开采过程中地表建(构)筑物的安全性。

2.2数值模拟结果分析

根据实际矿体开采情况(0 m以上采用崩落法开采，0～-200 m为充填法开采，扩界开采部分也采用充填法开采)，得到地表变形位移云图，如图2所示。由图2可知：矿区地表主要有2个沉降盆地，左侧盆地最大沉降量约25 mm，右侧约75 mm，该2个盆地为矿体集中分布区域，两处矿体均较厚大，采出土石及矿石方量大，故地表沉降值较大，与地表在两处形成塌陷坑的实际情况相符。由于该矿前期采用崩落法开采，未能及时进行填充才造成了塌陷坑的生成，现已对老采空区进行了尾砂胶结充填处理，地表塌陷坑也进行了填埋，地表沉降已基本趋于稳定。取沉降15 mm作为移动边界(图2中黑色粗实线)，则可知该矿区地表主要建筑(构)物和民居都位于移动边界外，该铁矿地下开采对地表建(构)筑物的影响较小。对该矿区地表最大沉降量累积进行了统计，结果见表3。

图2　地表沉降位移云图(单位：mm)

由图3可知：地表最大沉降约为75 mm，扩界前的开采过程地表沉降增长速度较快，而扩界后地表沉降趋于稳定。这是因为：①顶板为大理石顶板，较完整，地质条件较好，强度较大，抗变形能力强；②随着开采深度的增大，虽然对地表的影响范围增大，但对地表的影响程度逐渐减小，扩界开采时与地表的距离在300 m以上，因此地表所引起的变形微乎其微；③由于对崩落法采矿造成的老采空区进行了充填，之后的采矿活动采用胶结充填法致使采矿活动引起的沉陷得到限制，岩土体的强度得到保护，因此在开采下部矿体时其造成的影响也相应减小，扩界开采引起地表沉降量变化较小[5-7]。

图3　地表最大沉降累积

矿区在井下采掘工作的影响下，地表将形成2个沉降中心。随着扩界开采深度的增加，开采对地表的影响逐渐变小，扩界开采并填充采场后，地表受采动影响，产生的沉降变形趋于平缓稳定。地表沉降中心位于矿区内部，由于矿体空间位置较集中，地表沉陷云图呈偏态闭合椭圆形，最大沉降中心与现有的塌陷坑位置相吻合。矿区周边主要建(构)筑物位于地表移动界限外，扩界生产对其造成的影响较小。

3　结　语

采用FLAC3D软件对某铁矿山地下开采对地表变形的影响进行了数值模拟分析，结果表明，该矿区地表主要建筑(构)物均位于开采移动边界外，矿山开采过程对其影响较小，本研究分析结果对于确保该矿区安全生产有一定的参考价值。

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2016-05-06)

徐祥熙(1988—)，男，工程师，255000 山东省淄博市张店区中埠镇。