某铁矿地下开采对地表建（构）筑物的安全影响研究

李何林 周 磊 祝小龙 胡 崴 杨强胜

（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；3.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司；4.马钢（集团）控股有限公司姑山矿业公司）

地下矿床开采破坏了采场上覆岩层原有的力学平衡状态，当矿体开采规模超过一定范围时，起始于采场附近的变形和移动将向地表扩散，产生连续或非连续的地表变形，导致地表出现沉降或塌陷，可能引起地表建（构）筑物出现开裂、倾斜或倒塌，造成人员伤亡和财产损失。因此，对地表沉降进行科学合理地预测，并对其产生的安全影响进行研究，以减轻和避免因地表沉降带来的危害［1-2］。

矿山地下开采造成的地表沉降问题，受矿区地质构造、矿体赋存条件、岩体力学性质和采矿方法等多种因素影响，是一项复杂的工程问题。目前，国内外针对地表沉降预测的研究方法主要有概率积分法、模糊数学法、相似模拟试验法和数值模拟法等。数值模拟法基于有限元和有限差分法，在建立仿真模型和赋值时，可综合考虑矿区地质条件和采矿方法等因素，并且能将地表沉降预测结果直观展示出来，因而在矿山地表沉降预测研究中应用较为广泛［3-4］。本次利用理论计算和数值模拟分析方法，对某铁矿隔水护顶矿柱厚度、矿山地下开采造成的地表沉降以及对矿区地表建（构）筑的安全影响进行研究，为矿山建设和生产安全管理提供理论依据。

1 工程概况

某铁矿为新建矿山，设计生产能力为200 万t/a，采用进路充填法和分段凿岩阶段空场嗣后充填采矿法进行开采。设计阶段高度为60 m，自上而下划分-200，-260，-320，-380，-440，-500，-560 m 共7 个生产中段，每个中段内设4个分段，分段高度为15 m。首采中段为-440 m 中段。为保证产能，-440 m 中段回采完成后需双中段同时回采，-200～-380 m 矿体自上而下回采，-440～-560 m 的矿体自下而上回采。矿区地表水十分发育，地下水有孔隙水、裂隙水及岩溶裂隙水3 种类型，各含水岩组都有水力联系，构成统一水位面的含水系统，水文地质条件复杂，是以孔隙水、裂隙水直接充水为主的水文地质类型。矿区岩组均为Ⅳ类基岩组成，岩体质量均属差—较差，岩体完整性均属较破碎，工程地质条件为复杂类型。矿山周边环境较为复杂，矿区范围内地表存在村庄、运矿铁路、县道和高速公路等建（构）筑物，其中，县道和高速公路位于设计地表移动范围外。

由于矿区地表水系发育，工程地质及水文地质条件复杂、矿体埋藏浅，且矿区地表存在民房、道路等建（构）筑物，为保护矿区地表建构筑物和地表水，防止开采造成地表水漏失和建构筑物破坏等事故，需在开采矿体上部留设隔水护顶矿柱。若隔水护顶矿柱留设厚度过大，将造成矿产资源浪费，若留设过小，又将对矿山安全生产造成威胁。因此，对隔水护顶矿柱留设厚度进行研究是十分必要的。

2 隔水护顶矿柱厚度分析

计算护顶矿柱安全厚度的理论方法有多种，常用的主要由荷载传递交汇线理论、K.B.鲁别涅依他公式、冒落带、裂隙带高度计算公式、厚跨比法、结构力学梁理论和平板梁理论等。由于需要考虑矿区地表民房以及道路运输车辆的外部荷载，且预留的矿柱还需要起到隔水作用，本次研究选取了荷载传递交汇线理论、K.B.鲁别涅依他公式和冒落带、裂隙带高度计算公式进行计算。

2.1 荷载传递交汇线理论

该方法是假定上部载荷由采场顶板中心位置按竖直线成30°～35°夹角向下传递，当传递线位于顶板与采场帮壁的交点以外时，即认为采场帮壁对采场顶板起到直接支撑作用，则采场顶板是安全的，此时的安全隔离矿柱厚度计算公式如下。

式中，H为护顶矿柱安全厚度，m；L为采场跨度，4.5 m；θ为荷载传递线与顶板中心竖直线之间的夹角，30°～35°；K为安全系数，考虑矿区地表存在民房和道路等建（构）筑物，安全系数取10。

2.2 K.B.鲁别涅依他公式

该方法考虑了采场跨度、顶板岩体强度、地质构造和外部荷载等因素对隔离层安全厚度的影响，计算公式如下：

式中，γ为顶板岩石密度，2.65 t/m3；σB为考虑强度安全系数和结构削弱系数条件下顶板强度极限，MPa；σn3=（7%～10%）σc，MPa，σc为单轴抗压强度，MPa；K3为强度安全系数，取7～10；K0为结构削弱系数，取2～3；F为外部荷载对护顶矿柱的压力，考虑矿区地表道路运输车辆的荷载影响，取4 MPa。

2.3 冒落带、裂隙带高度计算公式

矿体采出后，根据采空区周围岩体的破坏程度，可将其分为冒落带和裂隙带。裂隙带高度的确定是水体下开采设计和隔水采矿的重要基础。根据有关规范，冒落带、裂隙带高度及隔水护顶矿柱厚度计算

公式如下。

式中，Hm为冒落带厚度，m；Hd为导水裂隙带厚度，m；M为分层回采厚度，4.0 m。

根据理论计算，得出3种方法确定的隔水护顶矿柱的厚度范围为16.9～58.4 m（表1），出于保守考虑，取3种方法计算厚度的最大值，推荐隔水护顶矿柱的留设厚度为60 m，详见图1。

3 地下开采安全影响分析

3.1 模型建立与参数取值

3.1.1 模型建立与模拟过程

根据前文研究结果，在留设60 m 隔水护顶矿柱的基础上，根据矿山实测地形图和地质剖面图建立了矿区开采范围内的矿体及围岩数值计算模型，整体模型尺寸为1 800 m×1 600 m×660 m（长×宽×高）。采场模型按照不同采矿方法的设计参数，进路充填法开采进路为4.5 m×4 m（宽×高），分段凿岩阶段空场嗣后充填采矿法矿房和矿柱规格为15 m×15 m（宽×高）。根据矿山设计，将模拟开采过程分为4 个阶段：第一阶段开采-440 m 中段，第二阶段开采-200 和-560 m 中段，第三阶段开采-260和-500 m 中段，第四阶段开采-320 和-380 m 中段。数值计算模型见图2。

3.1.2 参数取值

在室内岩石力学试验基础上，结合工程岩体质量分级标准，并根据矿山岩体完整程度及岩体基本质量分级情况，对岩石力学参数进行了折减，得到了计算采用的岩体力学参数指标，见表2。

3.2 沉降预测分析

通过4个阶段开采后的地表沉降云图（图3）可以看出，随着开采活动的进行，地表沉降值不断增大，最大沉降值分别为4.87，7.11，10.59 和21.77 cm。第一阶段和第二阶段开采时，地表沉降中心主要位于村庄C 附近，第三阶段和第四阶段开采时，地表沉降中心向村庄B 附近转移，这与矿体形态、产状和回采区域高度变化等因素影响有关。整个开采过程中，运矿铁路和村庄E均位于开采沉降区范围之外，高速公路、村庄A 和村庄D 位于沉降区边缘附近，其中高速公路、村庄A 和村庄D 处最大沉降值约2.0 cm，县道、村庄B 和村庄C 位于沉降中心附近，最大沉降值为10～12 cm。

从地表沉降值分析可知，矿山开采沉降对运矿铁路和村庄E 基本不造成影响，对高速公路、村庄A和村庄D 影响相对小，对县道、村庄B、村庄C 和村庄D影响相对较大。因此，矿山在生产过程中应重点对县道、村庄B 和村庄C 的地表沉降值进行监测和分析，必要时及时采取有效的安全技术措施，如提高充填体强度和充填接顶率或预留间柱等。

3.3 建构筑物安全影响分析

根据《有色金属采矿设计规范》（GB 50771—2012），矿区地表建（构）筑物中高速公路保护等级为Ⅰ级，民房、运矿铁路、县道等保护等级为Ⅱ级，对建（构）筑物的影响程度主要考虑倾斜、曲率和水平变形值，其允许值见表3，计算公式如下。

（1）倾斜计算公式为

式中，in为点n处的倾斜值，mm/m；Wn为点n处的下沉值，mm；Ln-n+1为地表点n与点n+1的水平距离，m。

（2）曲率计算公式为

式中，Kn为地表n点的曲率值，m-1。

（3）水平变形计算公式为

式中，εn为地表n点的水平变形值，mm/m；Hn为地表点n的水平移动值，mm［5-6］。

通过数值模拟得到了矿山开采后地表产生的垂直位移、水平位移，为进一步对地表变形值进行计算和分析，本次研究选取了10条勘探线，具体位置见图4，在位移云图上沿勘探线提取地表位移数据，并得到各勘探线上地表的位移曲线图，见图5 和图6。根据地表位移数据和式（7）、式（8）和式（9），计算得出了各勘探线上的最大倾斜为1.72 mm/m，最大曲率为0.16×10-3m-1，最大水平变形为0.71 mm/m，均满足Ⅰ级建筑物变形允许值要求。计算结果表明，矿山开采引起的地表变形对地表村庄、道路等建（构）筑物影响轻微，不会威胁地表建（构）筑物安全。

4 结论

（1）通过理论计算和数值模拟分析，确定了矿区隔水护顶矿柱的安全厚度为60 m，得出了矿山各开采阶段的地表最大沉降值和沉降范围，明确了矿山地下开采过程中地表需重点监测和防范的区域。

（2）通过位移数据提取和地表变形计算，得出地表各勘探线上的最大倾斜为1.72 mm/m；最大曲率为0.16×10-3m-1，最大水平变形值为0.71 mm/m，满足相关规范要求。分析结果表明，矿山开采引起的地表变形不会威胁地表建（构）筑物安全。

（3）本次研究对矿山未来开采过程中引起的地表沉降变形和对建（构）筑物的安全影响进行了合理预测分析，为矿山建设和生产安全管理提供了指导依据。建议矿山在后续开采过程中，加强地表沉降变形监测，并根据揭露的岩体质量情况和地表变形情况，进一步开展安全专项研究，必要时采取对采矿设计参数和充填体强度进行优化等措施，减小地下开采造成的变形影响，确保地表水系和建（构）筑物安全。