某铅锌矿井下采空区对地表沉降的影响分析

袁子清，秦云东，陈 璐，郭利杰，冯盼学

(1.矿冶科技集团有限公司，北京 102628；2.国家金属矿绿色开采国际联合研究中心，北京 102628；3.中国—南非矿产资源开发利用联合研究中心，北京 102628；4.驰宏科技工程股份有限公司，云南 曲靖 655000)

采空区(尤其是各种原因形成的不明采空区)是矿山安全生产事故的一个重要诱因。据调查，由于民间掠夺式开采，留下的大量不规则采空区已成为严重影响矿山生产安全、造成人员和财产损失的主要原因。尤其因采空区顶板大面积冒落造成的地表沉陷和开裂已成为众多资源型城镇的重要安全与环保问题[1]。很多学者对井下空区对地表沉降的影响进行了相关研究，主要体现在采空区稳定性分析方法、空区探测方法以及地表沉降监测等方面，均取得了很多成果[2-13]，但关于井下空区对地表沉降影响范围与尺度的研究不多。本文通过现场空区调查，运用数值计算方法分析得到了某铅锌矿采空区对地表沉降的影响范围与尺度，为矿山采空区治理与地表沉降监测提供了参考。

1 工程概况

某铅锌银矿位于丘陵地区，山势平缓，地表一般标高750～850 m。矿体呈脉状产于断裂构造带中，倾角大多45°～85°，平均厚度0.86～1.85 m，属于倾斜-急倾斜薄矿体。矿体直接顶底板围岩有花岗岩类、闪长岩类、安山岩类、砂岩类、凝灰岩类、板岩类及石英斑岩类。矿体及顶底板岩石抗压强度36.7～82.7 MPa，属半坚硬-坚硬岩类。但在构造破碎带、节理裂隙发育带、蚀变带易发生坍塌、冒顶、片帮等矿山工程地质问题。矿床的水文地质条件简单，工程地质条件为简单—中等，采用潜孔留矿法开采。320 m以上大部分已开采完毕，部分采空区进行了废石或全尾砂胶结充填处理，部分采空区仍处于未处理的封闭状态。根据矿体分布及开拓系统布置情况，矿山在空间上共分为5个独立的生产采区，各采区空区分布及分级情况见表1。

表1 各采区空区分布及分级情况Table 1 Goaf distribution and classification of ever mining area

2 模拟思路与模型建立

2.1 建模思路

若对所有采空区进行整体建模计算。则建模范围太大，会导致数值模拟无法计算。为提高模拟的准确性，按各采区逐个独立建模计算方式，又根据各采区井下空区的规模，重点选择空区较大的1-1、1-2、2-2 3个采区作为模拟计算与分析对象。

在确定3个重点建模区域后，经过重点剖面的二维简化试算，可知远离地表的空区对地表影响逐渐减弱。根据恩菲设计的西鞍山铁矿工程经验，为确保地表铁路线不受开采空区诱发地表沉降的影响，同样开展了开采空区诱发地表沉降的研究，仅模拟了近地表约100 m范围内采空区，模拟结果成功应用到实际生产中。本项目空区建模高度已经超过上述工程经验范围，因此，仅对近地表200～300 m高度范围内的较大成片空区进行模拟，可满足各采区所有空区对地表的影响分析。确定的3个采区中段模拟范围，具体见表2。

表2 重点采区模拟的空区范围Table 2 Goaf simulation range of important mining area

2.2 模型建立

根据所提供的地质和采空区资料，依托建模软件，通过MIDAS GTS与FLAC3D接口转换程序，将MIDAS GTS中的模型节点和单元数据共同导入至FLAC3D软件中，得到可用直接模拟计算的高精度数值模型。3个重点采区的三维模拟计算模型(图1～3)，第1～5组为1采空区模型，第6组为围岩体模型，各个模型根据范围大小共划分的单元数约79万～96万个，节点数13万～17万个，最小单元格尺寸为3 m。

图1 1-1采区三维模拟模型Fig.1 3D simulation model for No.1-1 mining area

图2 1-2采区三维模拟模型Fig.2 3D simulation model for No.1-2 mining area

图3 2-2采区三维模拟模型Fig.3 3D simulation model for No.2-2 mining area

3 数值模拟与分析

3.1 1-1采区模拟结果

通过以上数值计算，得到该采区整体竖向位移分布(图4)。从图4可以看出模型的竖向最大位移值为3.3 cm，地表位移值为5 mm左右，对地表有一定影响，但不明显。通过提取采空区周边围岩体的竖向云图(图5)可以看出最大竖向位移出现的位置。

图4 1-1采区整体竖直位移云图Fig.4 The whole displacement cloud map for No.1-1 mining area

图5 1-1采区采空区周边围岩体竖向位移云图Fig.5 The vertical displacement cloud map of surrounding rock for No.1-1 mining area

从图5可以看出，在1-1采区，最大竖向位移出现在690 中段采空区的上方。为了更为准确地评估1-1采区中既有采空区对地表沉降的影响，在模型的Y方向上每隔100 m进行剖面，提取位移云图，读取各个剖面处采空区对地表沉降的影响，数据见表3。

表3 1-1采区剖面空区对地表沉降的影响Table 3 Subsidence effect on ground about the No.1-1 mining area

从表3各个剖面的竖向位移值数据可以看出，在1-1采区，采空区诱发地表变形的最大位移值为7.04 mm，出现在Y=1 000 m剖面位置，对比空区模型与实际空区位置，该采区地表最大位移大致出现在坐标X(39846100～39746200)、Y(5416500～5416600)区域。

3.2 1-2采区模拟结果

通过数值模拟计算，提取1-2采区模型的整体位移云图(图6)，可以看出模型的竖向最大位移值为6.2 cm，表明地表位移值为1.1 cm左右，对地表有较大影响。通过提取采空区周边围岩体的竖向云图(图7)可以看出最大竖向位移出现的位置。

图6 1-2采区整体竖直位移云图Fig.6 The whole displacement cloud map for No.1-2 mining area

从图7可以看出，1-2采区最大竖向位移出现在740中段采空区的上方，最大位移值为6.25 cm。地表出现了一定变形的区域，地表变形值在1～2 cm左右，为了更准确地评估该采区中已有采空区对地表沉降的影响，在模型的X方向上每隔100 m进行剖面，提取位移云图，读取可知各个剖面处采空区对地表沉降的影响，数据见表4。

图7 1-2采区采空区周边围岩体竖向位移云图Fig.7 The vertical displacement cloud map of surrounding rock for No.1-2 mining area

表4 1-2采区剖面空区对地表沉降的影响Table 4 Subsidence effect on ground about the No.1-2 mining area

从表4可以看出，在1-2采区，采空区诱发地表变形的最大位移值为17.79 mm，出现在X=1 200 m剖面位置，对比空区模型与实际空区位置，该采区地表最大位移大致出现在坐标X(39846500～39846700)、Y(5415400～5415600)区域。

3.3 2-2采区模拟结果

通过数值模拟计算，提取2-2采区模型的整体位移云图(图8)，由图8可以看出，模型的竖向最大位移值为13.38 cm，模型上表面的右下方和右上方出现了明显的变形区域，右下方的地表位移值为1.87 cm，右上方的地表变形值为1.13 cm，表明2-2采区相应地表位置出现了一定的地表沉降。通过提取采空区周边围岩体的竖向云图(图9)可以看出最大竖向位移出现的位置。

图8 2-2采区整体竖直位移云图Fig.8 The whole displacement cloud map for No.2-2 mining area

图9 2-2采区采空区周边围岩体竖向位移云图Fig.9 The vertical displacement cloud map of surrounding rock for No.2-2 mining area

从图9可以看出，2-2采区最大竖向位移出现在680中段采空区的上方。为了更准确地评估2-2采区中采空区对地表沉降的影响，在模型Y方向上每隔50 m进行剖面，提取位移云图，读取各个剖面处采空区对地表沉降的影响，数据见表5。

表5 2-2采区剖面空区对地表沉降的影响Table 5 Subsidence effect on ground about the No.2-2 mining area

从表5可以看出，2-2采区采空区诱发地表变形的最大位移值为18.41 mm，出现在Y=200 m剖面位置，对比空区模型与实际空区位置，地表最大位移大致出现在坐标X(39846800～39846900)、Y(5416000～5416100)区域，该区域地表已出现明显塌陷，数值模拟结果与圈定的现场已塌陷区(图10)在整体方位上具有相似性，说明本数值模拟结果具有可参考性。

图10 实际塌陷区与模拟出的塌陷区位置对比Fig.10 Comparison between the actual and simulative subsidence area

4 结论与建议

1)在1-1采区，采空区诱发地表变形的最大位移值为7.04 mm，地表最大位移大致出现在X坐标(39846100～39846200)、Y(5416500～5416600)区域。

2)在1-2采区，采空区诱发地表变形的最大位移值为17.79 mm，地表最大位移大致出现在坐标X(39846500～39846700)、Y(5415400～5415600)区域。

3)在2-2采区，采空区诱发地表变形的最大位移值为18.41 mm，地表最大位移大致出现在坐标X(39846800～39846900)、Y(5416000～5416100)区域。其中，数值模拟结果与圈定的现场实际已塌陷区位置在整体方位上具有相似性，说明本数值模拟结果具有可参考性。

4)模拟结果显示地表出现了一定沉降和潜在沉降区域，应加强地表沉降和潜在沉降区的观测与治理工作。