铜陵金口岭铜矿“三下”开采地表变形研究

杨家冕 李鹏程3

（1.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司;2.金属矿山安全与健康国家重点实验室）

根据2017年原国土资源部联合六个相关职能部门印发并实施的《关于加快建设绿色矿山的实施意见》文件内容，国家对矿山的地表环境保护要求越来越严格，如何避免开采后造成地表的变形、塌陷，保持地表原始地貌等问题，已经摆放在矿山人的面前［1-5］。铜陵金口岭铜矿位于城市边缘，地表移动范围内有城市干道及部分民房，不允许发生较大的变形。为此，拟采用FLAC3D数值模拟得到地下开采时的地表变形特征，并与《有色金属采矿设计规范》的地表变形允许标准进行对比，分析地下开采对地表建（构）筑物的影响，以期为矿山提供技术指导。

1 工程概况

铜陵金口岭铜矿主要分为金口岭、罗家村、笔山等3个采区。近些年，矿山主要开采的是笔山采区-450及-510 m中段的深部矿体，矿体厚度为2.5~9.5 m，平均为4.29 m，厚度变化系数43%，为均匀型。斜深为30.0~110.1 m，平均为65.63 m。矿体主要赋存于大理岩与石英闪长岩的接触带内。

自2009年试生产以来，矿体回采采用浅孔留矿法，矿块沿矿体走向布置，矿块长度30~50 m，中段高度为60 m，采场宽度为矿体厚度，间柱为8 m，顶柱为4~6 m。掘进的废石用于井下采空区充填。经调查，采后留下大小采空区约为9.4×104m3，单个采空区最大不超过2.5×104m3。截止2018年7月，地下存在的采空区赋存状态见表1。

由表1可知，笔山深部采空区体积约为104 939 m³，已通过尾砂或矸石充填处理了11 000 m³，现仍存9.3万m³的采空区未充填。矿山深部开采引起的地表岩层移动范围内有部分民房、厂房等建（构）筑物，且矿区西北侧有城市干道穿过，属于典型的“三下”开采案例。因此，研究在既有采空区未充填的条件下地表变形对建（构）筑物的影响是十分有必要的。

2 数值模型的构建

2.1 模拟范围

根据金口岭铜矿地形地质图，笔山-45、-85、-390和-510 m等中段地质平面图以及金口岭笔东采空区统计图等，构建了金口岭铜矿笔山矿段采场三维数值计算模型。模型x轴、y轴分别与东西向、南北向一致，z轴为竖直方向。数值模型长宽均为1 400 m，数值方向为-600 m水平至地表。

模拟矿区的三维模型见图1，矿体、矿柱以及采空区分布如图2所示。整个三维数值计算模型共包含1 676 187个四面体单元与279 094个节点。模拟过程主要分三步，首先开采30~-131 m高程范围内矿体；接着开采-350~-500 m高程范围内上部矿体，并采用存窟矿石进行充填，形成上部采空区；然后开采下部矿体，同样充填存窟矿石，形成最终采空区形态。

2.2 边界条件及强度准则

（1）模型前后及左右边界均设定水平应力约束。

（2）模型底部边界设定位移全约束。

（3）模型顶部为地表自由面，不施加边界条件。

（4）原始应力场垂直方向采用重力场施加，忽略水平构造应力。

（5）假设模型中矿岩体均为理想弹塑性连续介质，采用摩尔-库伦（Mohr-Coulomb）屈服准则。

2.3 矿岩物理参数

查阅矿山相关资料以及类比周边矿山相似岩体，得到矿区地质岩层的物理力学参数（表2）。

3 地表沉降及变形特征分析

3.1 地表沉降特征

经模拟开挖和采空区部分充填后，得到矿区地表的沉降变形特征，如图3所示。

由图3可知，所有采空区形成后，矿区地表最大沉降为1.16 mm，位于矿体正上方。铜都大道地处矿区西北侧，最大沉降量约为0.5 mm，地表沉降由矿体中心向四周呈环状逐渐递减的趋势。

3.2 地表倾斜变形及水平变形分析

图4为所有采空区形成后地表水平变形及倾斜变形分布特征，由图4（a）可知，矿区地表最大水平变形为0.033 mm/m，较大水平变形位置主要集中在距离矿体中心约300 m的环状区域，距离此区域越远对应水平变形位移越小，其中在矿体中心正上方以及模型四周水平变形几乎为零。铜都大道区域最大水平变形约为0.017 mm/m，民房所在位置的最大水平变形为0.022 mm/m，小于《有色金属采矿设计规范》中对一级保护对象规定的水平变形临界值2 mm/m。由图4（b）可知，铜都大道区域与民房的最大倾斜变形值分别为0.002 7和0.032 mm/m，同样小于《有色金属采矿设计规范》中对一级保护对象规定的倾斜变形临界值3 mm/m。综上所述，在既有采空区存在的条件下，矿区地表的建（构）筑物能保证自身稳定，受地下空区的影响较小。

4 结语

通过数值模拟结果分析可知，所有采空区形成后，矿区地表最大沉降为1.16 mm。在现有采空区存在及部分采空区已充填条件下，铜都大道区域和地表民房最大水平变形量分别为0.017和0.022 mm/m，最大沉降和水平位移分别为0.5和0.35 mm，地表民房所在位置的沉降和水平位移分别为0.8和0.64 mm，最大倾斜变形值分别为0.002 7和0.032 mm/m，均小于《有色金属采矿设计规范》的相关标准。由此说明铜陵金口岭铜矿采用部分采空区充填的处理方法较为合理。