地下矿山开采岩层移动范围耦合分析

吴福和 ，覃敏 ，何环莎 ，吕冠颖

(1.铜陵有色金属集团股份有限公司安庆铜矿， 安徽 铜陵市 246131；2.长沙矿山研究院有限责任公司， 湖南 长沙 410012；3.金属矿山安全技术国家重点实验室， 湖南 长沙 410012)

0 引言

岩体在矿山开采之前维持原有的应力平衡，处于稳定状态。当矿山进行一系列井下采掘活动时就会打破岩体已形成的应力平衡，从而会引起岩体变形、破坏活动[1]。对于大型地下矿山，采空区数量多、体积大、暴露时间较长，加之风化、雨水侵蚀等，易导致采空区破坏、失稳，发生大量岩石冒落，严重时可能会引起连锁反应，垮塌至地表，同时伴随冲击波和矿震，造成严重影响。例如，山西煤炭产量占全国煤炭产量的 1/4，采空区面积占全省面积的1/7，其中近6000 km2受到开采沉陷影响，2010年，因地表沉降或塌陷造成的经济损失达700亿元；三鑫工贸公司都里铁矿于2005年12月26日13时05分地表突然发生大面积塌陷，形成一个长约100 m、宽约50 m、平均深度60 m的大坑，造成8人被埋，3人失踪的特大事故[2]；1994年，江苏省徐州市贾旺矿区发生了地表塌陷，造成了周边 30个村庄出现民房开裂的现象，涉及村民 9000多户、共3万多人[3]。

矿山开采引起的地表沉降开裂不在少数，加之环境保护的要求，各方已认识到了问题的严重性。针对地表沉降变形，国内外学者对其进行了不同程度的研究。国外研究较早，主要分为3个阶段：初步认识和假说阶段、现场实测和规律认识阶段、理论形成及应用阶段[4-5]。在第 1阶段产生了“垂线理论”、“二等分线理论”、“圆拱形理论”等；第 2阶段，通过现场实测研究地表移动的一般规律，如苏联学者Gluckauf提出了Gluckau地表移动f计算方法；第3阶段开始由实测转向理论系统化，如波兰学者Budryk和Knothe提出的几何理论，总结出正态分布影响函数。国内研究起步较晚，但也进行了大量的研究工作，如周敏[6]以南京栖霞山铅锌矿为依托，开展深部开采环境下岩体长期稳定性和地表沉降规律研究；王建鹏[7]通过建立动态变形监测数据的灰色预报模型及 GA-BP模型来预测预警矿山变形。由于岩体的多异性和复杂性，本文对某矿山的岩体变形规律进行了研究。

1 工程概况

某矿开采灰岩矿、铅锌矿，其中以灰岩矿开采为主，设计生产能力为200×104t/a。矿石为栖霞灰岩，局部岩石破碎、裂隙较发育，矿层顶板为泥灰岩、硅化灰岩或与上伏童子岩组钙质粉砂岩、泥岩呈断层（F1）接触。矿层底板为泥灰岩、硅化灰岩或与下伏林地组角岩、变质砂岩呈断层（F0）接触。岩石以坚硬为主，岩石质量好，岩体较完整，工程地质性能好。

矿山已断断续续开采二十多年，形成了一定规模的采空区，总暴露面积较大。矿山采空区存在超宽超高现象，多数采空区为Ⅲ级（风险较大）和Ⅳ级（风险重大），矿柱留设不规范，甚至有的已经采穿[8]。另外，矿区还存在多层重叠采空区，隔离层矿柱厚度较小等问题。因而，矿山采空区整体上存在一定的失稳风险。

2019年9月22日，矿区地表发生了沉降开裂，导致一定范围内岩体错动、房屋开裂[9]。经测量，地表最大沉降量约5 m，最大裂缝宽度达20 cm，地表沉降范围约 12400 m2，开裂范围约 62500 m2（见图1）。通过现场勘查，基本判断为井下采空区大面积、跨中段连续垮塌，并且与地下溶洞相互影响，造成地表沉降开裂。

图1 地表沉降开裂实测范围

2 地表移动范围的确定

2.1 岩层移动理论计算

通常，地下矿山采动越充分，对地表岩层影响越大。充分采动的定义是地表只有一个沉降点达到最大值[10]，而多个点达到最大值意味着超常采动。地表移动范围还与矿山开采深度、开采厚度、采矿方法及地压管理办法等因素相关[11-12]。该矿区矿体倾角一般为10°～25°，为缓倾斜矿层，地表移动形成的盆地中心与矿山井下采空区中心对称分布。

2.1.1 移动角的选择

由于岩层移动角影响因素众多，需通过长期的现场观察和试验才能得出[13]，一般确定松散层的移动角为40°～60°，实际上，根据《岩移参数的确定方法》中的各覆岩类型对应移动角的经验值，该矿体属于非层状矿体，矿体倾角为10°～25°，松散层厚度较小，约10 m，确定基岩移动角为65°。

2.1.2 地表移动范围

通过现场调查矿区沉降开裂情况，实测井下垮塌范围，并运用矿业三维软件构建三维模型，如图2所示。以井下垮塌区域的采空区最外侧来圈定移动范围。地表沉降区域最低标高为+960 m，移动角为65°，推算出地表移动线如图3所示。

图2 垮塌范围复合井下采空区三维模型

图3 地表移动线三维俯视图

2.2 数值模拟计算

2.2.1 计算模型

采用三维建模软件及三维有限差分数值模拟软件，通过计算模型准确反映出矿山采空区间的相对位置关系，并分析矿山采空区开挖过程及采空区垮塌之后对地表的影响范围。x方向长度为1365 m；y方向长度为1776 m；z方向范围为+400 m至地表。模型共计574792个单元网格（见图4）。

图4 三维计算模型

2.2.2 模型地层分界及岩石力学参数选取

根据矿山相关设计资料及图纸，确定计算模型主要涉及地层、相关岩性及厚度，按从上至下的顺序列于表1，模型地层分组见图5。选取了硅化灰岩、灰岩、铅锌矿3类矿石进行室内物理力学参数试验，并折减计算得出岩体力学参数，见表2。

表1 计算模型地层分组

图5 模型地层分组

表2 岩体力学参数

2.2.3 计算结果

2.2.3.1 位移分析

通过Flac3D数值模拟计算，提取各监测点数据，可以直观了解各监测点的位移变化趋势及规律，3个监测点位置见图6。通过3个监测点的位移变化量可以看出，塌陷区域中心1号监测点的位移变化量很大，最大下沉量达到3.48 m，地表发生了沉降；2号监测点和3号监测点最大位移变化量相对较小，分别为7.3，26.8 cm，与现场实际情况相吻合。

图6 监测点平面位置

2.2.3.2 地表变形范围分析

提取地表变形数据，利用插值绘图软件 Surfer绘制地表移动变形云图，再将实际测量的地表扰动区域、地表塌陷区域与等值线图复合，如图7所示。比较分析图7可以看出，模型中地表产生较大变形的区域与实际测量范围基本相符，Z向最大位移即地表最大下沉量达到4.02 m，X向、Y向最大变形值分别为 0.92，1.1 m。另外，还可以看出，X、Y方向的扰动范围比实际测量范围更大。

图7 模拟地表变形等值线

2.3 地表移动范围的确定

理论计算和数值模拟结果的对比分析如图8所示，从图8可以看到，数值模拟计算的范围较小，基本上位于理论计算范围之内，从安全的角度来看，取两者较大值，确定矿山下一步安全开采有效的防范区域，如图9所示。

图8 地表移动对比分析复合图

图9 地表移动线地形平面

3 地表控制措施

根据地表移动线范围设置警戒线，并在危险区域外侧设置警示标语牌，同时在各个路口设置标识牌，禁止车辆及无关人员进入危险区域，以免发生人员安全事故和财产损失。同时，加强地表的观测与巡查，做好观测数据的记录分析，以确保地表的安全稳定。并在该岩体活动区域建立岩体位移、沉降在线监测系统，预报预警岩体的沉降活动，为矿山的安全生产和安全管理提供科学保障[14]。另外，井下各水平应与垮塌区域做好隔离封堵措施，避免生产区域与垮塌区域进一步相互作用产生更大的危害。

4 结论

在矿区地表沉降开裂范围实测的基础上，理论分析和数值模拟均表明岩层会产生岩移活动，发生剩余变形，数值模拟确定的移动范围相较于理论计算要小，但从安全角度出发，本文以两者较大值确定了矿区地表岩层的移动范围。