马城矿多中段叠加开采对上覆岩体移动与变形的影响

孙世国 马银阁

（北方工业大学土木工程学院，北京100144）

地下矿产资源开发诱发地表移动变形的研究一直是我国岩土工程领域研究中的重点课题［1-3］。我国金属矿产资源丰富，随着我国工业化进程的加快，对能源与矿产的需求日益增长。浅部矿山已经逐渐开采完毕，许多矿山开始向更深范围开采，如红透山铜矿等均己进入地下1 000多m的深度开采［4］。在多次重复开采的过程中，地下采空区会对上覆岩体的变形产生叠加作用［5］。本研究以马城矿为依托，模拟不同开采中段对采空区上覆岩体的稳定性影响，在分析地表沉降与水平变形的基础上，重点分析了倾斜、曲率、水平变形等指标的变化，为实际工程提供参考。

1 工程概况

马城矿段为一大型鞍山式沉积变质铁矿床，隶属河北省滦南县马城镇所辖，矿区南北长约6 km，东西长约2 km，地面海拔标高15～20 m。全区共分为17个矿体，依次编号为Ⅰ～ⅩⅦ，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ号为主矿体。矿体总体呈北北西走向，层状产出，倾向北西或南西，倾角39°～56°。矿区断裂构造发育，分别命名为F1、F2、F3，3条断裂带相互关联、互相影响。由于马城矿体赋存条件和水文地质、地表环境条件的复杂性，设计采用嗣后充填法。

2 上覆岩体移动与变形

2.1 计算模型设计参数的选取

应用FLAC3D软件建立模型，如图1所示，本次设计开采对象为17个矿体中的6个，即I号、II号、III号、V号、XI号和XII号矿体，范围为-240～-900 m，并划分为2个采区，其中-240～-540 m为上部采区，-540～-900 m为下部采区，以60 m为一个中段，上、下采区同时开采。本模型（见图1）尺寸：东西长度为3 168 m、南北长度为6 850 m、深度1 670 m。三维模型划分216 703个单元，84 153个节点，其中含3条断裂带F1、F2、F3以及构造破碎带。

力学参数如表1所示。

2.2 地表移动变形规律综合分析

2.2.1 地表位移规律

不同开采厚度诱发走向方向地表沉降曲线如图2所示。随着采空区顶板面积增大，临空面失去支撑而产生了下沉并依次向上传递，最后传到地表，并逐渐在地面形成一个下沉盆地。随着各中段的不断开采，工作面不断向上部推进，由于接顶率无法达到100%，导致各个中段开采诱发的变形产生叠加效应，由此地表下沉量随开采中段数的增加而逐渐增大。地表变形与开采扰动相关，距离Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ号矿体较远区域，开采扰动效应逐渐减小，地表位移量也逐渐减小，直至变为零而无影响。6个中段开采结束后，地表最大沉降量为4.13 m（Y=1 800 m），下沉盆地范围在Y=400～4 500 m之间，长约4 100 m。

走向方向地表水平位移曲线如图3所示。从图中可以看出，矿产开挖初期，地表的水平位移基本呈对称状态。随着矿产资源的不断开挖，当进行到第三中段时，地表水平位移逐渐呈现不对称分布，且逐渐增大。远离采空区水平位移逐渐变为零。地表水平位移的最大值分别为1.16 m（Y=1 600 m）以及-0.40 m（Y=3 400 m），水平位移范围大概在Y=600～4 500 m之间，长约3 900 m。

不同开挖高度下倾向地表沉降曲线如图4所示。可以看出随着开采工作面不断向上部推进，地表下沉量也逐渐增大，6个中段开采完成后，最大沉降量为-4.22 m（X=2 000 m），下沉盆地范围大概在X=750～2 750 m之间，长约2 000 m。

倾向方向地表水平位移曲线如图5所示。倾向方向水平位移与走向方向水平位移变化趋势基本一致，随着矿产资源的不断开挖，地表水平位移逐渐呈现不对称分布，且逐渐增大。地表水平位移的最大值分别为1.86 m（X=1 600 m）以及-1.53 m（X=2 200 m），水平位移范围大概在X=550～2 800 m之间，长约2 250 m。

2.2.2 倾斜变形

地表倾斜往往发生在移动盆地边缘区，位于拐点处的地表倾斜最大。地表倾斜能使排水系统改变坡度，这对于靠流体重力作用的自流管道影响很大。地表倾斜变形也会对铁路、公路有一定的危害，尤其是铁路，线路的坡度的增加将使列车运行阻力有所增加。同样，地表倾斜对底面积小、高度大的建筑物或构筑物的影响很大，会使这些建筑重心发生偏斜，引起应力重新分布，当倾斜过大时，会使构筑物折断或倾倒。

走向方向地表倾斜变形曲线如图6所示。随着开采工作面不断向上部推进，地表倾斜变形量也逐渐增大。左侧模型埋深较深，所以模型右侧地表倾斜变形特征比左侧明显。6个中段开采完成后，模型左侧地表倾斜变形最大值为-6.57 mm/m（Y=800 m），模型右侧地表倾斜变形最大值为6.22 mm/m（Y=2 600 m）。

倾向地表倾斜变形曲线如图7所示。同样随着开采工作面不断向上部推进，地表倾斜变形量也逐渐增大。6个中段开采完成后，模型左右两侧地表倾斜变形最小值为-9.75 mm/m（X=1 400 m）和最大值10.41 mm/m（X=2 000 m）。

2.2.3 地表曲率变形

地表曲率有正、负曲率之分，由不均匀沉降引起的地表曲率变形会引起管道在竖向面内产生弯曲。地表曲率变形同样会引起建筑物上附加应力增大，一般是随着曲率半径减小、建筑物长度增大，建筑物产生的破坏也加大。

走向方向地表曲率变形曲线如图8所示，可以看出随着开采工作面不断向上部推进，地表曲率变形量显著增大，地表曲率变形波动也较大。模型右侧（X=4 000～6 850 m）地表曲率变形数值基本为0。6个中段开采完成后，模型地表曲率变形在Y=600 m处出现最小值为-0.023 mm/m2。

倾向方向地表曲率变形曲线如图9所示，随着开采工作面不断向上部推进，地表曲率变形量显著增大。模型左右两侧（X=0～500 m、X=2 800～3 750 m）地表曲率变形数值基本为0。6个中段开采完成后，模型地表曲率变形最大值为-0.027 mm/m2（Y=1 200 m）。

2.2.4 地表水平变形

地表的拉伸和压缩称为水平变形，正值表示拉伸变形，负值表示压缩变形。

走向方向地表水平变形曲线如图10所示，随着开采工作面不断向上部推进，地表水平变形量逐渐增大。6个中段开采完成后，模型地表水平变形最大值为2.16 mm/m（Y=800 m）和-2.60 mm/m（Y=2 600 m）。

23线剖面（倾向）地表水平变形曲线如图11所示，6个中段开采完成后，模型地表水平变形最大值为-7.6 mm/m（Y=2 000 m）。

2.2.5 采空区移动角的确定

在我国通常使用倾斜i、曲率k和水平变形ε来衡量建筑物的破坏程度。规范规定［6］：以盆地内地表移动变形对建筑物有无危害而划分的边界，一般砖石结构建筑物的临界变形值：倾斜i=3 mm/m、曲率k=0.2 mm/m2和水平变形ε=2 mm/m。确定移动角时以3个变形值中最外的为边界。图12为移动角示意图。

当开采厚度较小时，其相应的移动角大；当开采厚度依次增大时，其移动角相应减小，即移动范围增大；当开采达到一定厚度之后，上覆岩体达到充分采动时，移动角不再减小而稳定在某个数值上；各个中段开采结束后移动角大小如表2所示，总体移动规律是随着开采厚度增大移动角变小。由于许多工程设施位于其危险变形区内，为了保障其安全性，需要强化动态监测，实时掌握其动态发展趋势，避免地表产生破坏性变形诱发各种建筑物和市政设施的破坏，从而诱发次生灾害。

3 结 论

（1）多次重复开采加剧了地表位移变形，增大地表沉陷盆地的范围与水平变形剧烈程度。根据模拟结果得到，位移值在采空区中心最大，向两侧依次减小;随着开采中段的增加，水平位移值、沉降值均增大。

（2）分析了地表变形的3项指标，均随着开采中段的增加而不断增大。根据倾斜、曲率、水平3项变形值可以更好地预测地表建筑物的破坏程度。

（3）确定倾向主断面的移动角以及倾向方向保护边界，分别是采区上盘移动角为66.04°，即向左侧扩展400 m，采区上盘移动角为48.47°，即向右侧扩展797 m。