童大志，汪 杰

(1.赤峰山金紅嶺有色礦業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 赤峰 025400；2.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083 )

金屬礦地下開采過程中，必然會(huì)形成數(shù)量龐大、形狀復(fù)雜的采空區(qū)[1]，這些采空區(qū)的上覆巖層在自重、構(gòu)造應(yīng)力及開采擾動(dòng)作用下會(huì)產(chǎn)生多種形式的破壞，如跨落、斷裂、離層、彎曲等，進(jìn)而發(fā)展到地表形成一定區(qū)域內(nèi)的地表塌陷[2-3]。國(guó)內(nèi)外對(duì)煤礦開采巖層移動(dòng)規(guī)律研究較多，但煤礦床是賦存相對(duì)規(guī)則的水平煤層，通常用綜放式開采，而在金屬礦床中賦存條件復(fù)雜，礦體形狀不規(guī)則且呈現(xiàn)分支復(fù)合現(xiàn)象，因而金屬礦床開采后形成的空區(qū)形狀千差萬(wàn)別[4-6]，同時(shí)金屬礦床存在復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造、采空區(qū)相互連通，致使一些用于煤層開采的地表沉陷、巖層移動(dòng)等理論難以適用于地下金屬礦床，金屬礦山開采的巖層沉陷機(jī)理、地表移動(dòng)規(guī)律等理論研究仍處于起步階段[7-10]。

紅嶺鉛鋅礦用空?qǐng)龇?lián)合崩落法開采，即空?qǐng)龇ɑ夭傻V房，崩落法回收礦柱。由于采空區(qū)用強(qiáng)制崩落上覆圍巖充填處理，不僅造成體積達(dá)210萬(wàn)m3的地表塌陷坑，同時(shí)危及提升豎井井筒及地表工業(yè)設(shè)施安全。因此，有必要針對(duì)紅嶺鉛鋅礦地質(zhì)條件和開采特征，研究巖層移動(dòng)規(guī)律，圈定礦床開采地表巖層移動(dòng)帶，為礦山安全決策及地表工業(yè)建筑布置提供科學(xué)依據(jù)。

1 工程背景

紅嶺鉛鋅礦屬于矽卡巖型多金屬礦，礦體總體走向北東59°，傾向北西，傾角60°～80°，平均傾角75°，走向長(zhǎng)度1 350 m。紅嶺礦業(yè)公司井下目前有八個(gè)中段，三中段及以上已塌陷，四、五、六中段為主要生產(chǎn)中段，七、八中段正在進(jìn)行采準(zhǔn)工程。礦山采用階段空?qǐng)霰缆渎?lián)合采礦法，礦房寬度為32 m，礦柱寬度為18 m，頂柱厚度10 m，礦房空?qǐng)龇ɑ夭伞㈨數(shù)字捎帽缆浞ɑ夭伞?/p>

經(jīng)過十幾年的開采，礦山留下了大量的采空區(qū)。隨著各中段的礦柱相繼回收，空區(qū)連通至地表造成大面積塌陷。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，地表塌陷區(qū)面積為52 416 m2，體積為210萬(wàn)m3，底部最上部到達(dá)三中段底板，最下部延深至五中段底板。隨著地下礦體不斷回采，地表塌陷區(qū)逐漸擴(kuò)大。

2 數(shù)值模型建立

依據(jù)紅嶺鉛鋅礦礦區(qū)地質(zhì)剖面建立礦床開采三維有限元數(shù)值模型，分析計(jì)算礦山一至六中段礦體開挖后采空區(qū)不充填工況下的地表變形[9-10]，根據(jù)地表變形狀態(tài)圈定地表移動(dòng)帶。

以紅嶺鉛鋅礦1#至29#勘探線地質(zhì)剖面圖為基礎(chǔ)，各勘探線剖面圖如圖1所示，利用HyperMesh軟件進(jìn)行建模與網(wǎng)格劃分，再利用Matlab軟件編制的接口將模型由HyperMesh導(dǎo)入FLAC3D進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，建立高精度符合礦體復(fù)雜曲面形狀的三維有限元數(shù)值模型。本次建模共劃分29個(gè)group，按照材料特征分為礦體、矽卡巖、大理巖、長(zhǎng)石斑脈巖及板巖，材料力學(xué)參數(shù)如表1所示。礦體模型如圖2所示，在模型中部存在一脈巖。

圖1 各勘探線剖面圖Fig.1 Profile of each exploration line

表1 材料力學(xué)參數(shù)Table 1 Material mechanics parameters

圖2 礦體模型圖Fig.2 Ore body model

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 地表位移分析

利用所建好的三維計(jì)算模型對(duì)紅嶺鉛鋅礦各中段礦體開采結(jié)束后的地表移動(dòng)變形規(guī)律進(jìn)行分析，分別選取5#勘探線和17#勘探線作為剖面，分析地表沉降，得出巖層移動(dòng)角，圖3為六中段開采完畢，地表及圍巖的豎向位移場(chǎng)，圖4為六中段開挖后圍巖塑性區(qū)分布。

圖3 六中段開挖后豎向位移場(chǎng)Fig.3 Vertical displacement field after excavation in stage of 6

圖4 六中段圍巖塑性區(qū)分布圖Fig.4 Distribution of plastic zone of surrounding rock in stage of 6

分析圖3和4得到如下結(jié)論：

1)開挖一中段至六中段后，地表最大沉降分別為：0.3、1.0、2.3、3.3、4.5、5.0、6.0 cm，開挖至四中段后，地表變形特征明顯。

2)開挖至三中段以前，地表肪巖附近出現(xiàn)向上的正向位移，這是因?yàn)榈V體開挖后，巖層具有較大的水平應(yīng)力，泊松效應(yīng)使肪巖地表附近將會(huì)產(chǎn)生正向的豎向位移，但隨著礦體往下開采，脈巖保持向下沉降的趨勢(shì)。

3)開挖六中段后的圍巖塑性區(qū)上盤的影響范圍大于下盤的影響范圍，在礦體的西南方向，5#勘探線對(duì)比礦體東北方向的17#勘探線而言，破壞更大，上盤的破壞區(qū)面積也遠(yuǎn)大于下盤的破壞區(qū)面積，由于天然巖體的裂隙和地表的風(fēng)化作用，這些破壞的塑性區(qū)在實(shí)際中已經(jīng)塌陷。

根據(jù)塑性區(qū)破壞情況推測(cè)地表破壞情況，畫出了破壞塑性區(qū)的包絡(luò)曲線(圖4所示)。根據(jù)5#勘探線推測(cè)西南方向地表塌陷寬度約為210 m，根據(jù)17#勘探線推測(cè)東北方向地表塌陷寬度約為130 m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，西南方向平均地表塌陷寬度為180 m，東北方向平均地表塌陷寬度為115 m，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)值吻合，表明數(shù)值模擬結(jié)論具有可靠性。

3.2 地表巖層移動(dòng)角分析

選取六中段開挖后的計(jì)算結(jié)果作為移動(dòng)角選擇依據(jù)，圖5和圖6為六中段開挖后位移分布。豎直位移指標(biāo)達(dá)到或超過變形標(biāo)準(zhǔn)值(10 mm)，該節(jié)點(diǎn)即可視為地表破壞點(diǎn)，以此為依據(jù)，計(jì)算得出：礦體5#勘探線的上盤移動(dòng)角為59°，下盤移動(dòng)角為65.7°；17#勘探線的上盤移動(dòng)角為59.5°，下盤移動(dòng)角為61.9°。圖7為礦體垂直勘探線的剖面圖，從圖中可以得出礦體的端部移動(dòng)角為68.9°。經(jīng)綜合分析，礦體上盤平均移動(dòng)角α=59.2°，下盤巖層平均移動(dòng)角β=63.8°，端部移動(dòng)角γ=68.9°。

圖5 5#勘探線移動(dòng)角示意圖Fig.5 The diagram of moving angle of No.5 exploration line

3.3 地表巖層移動(dòng)帶圈定

根據(jù)地表豎向位移為10 mm圈定六中段開挖后地表的移動(dòng)帶范圍，如圖8所示，將該地表范圍投影到實(shí)際地表平面圖，如圖9中黑色曲線所示。由圖9可知，紅嶺鉛鋅礦移動(dòng)帶垂直礦體走向方向平均寬度為400 m，沿礦體走向方向平均長(zhǎng)度為800 m，面積大約為320 000 m2?；肪嚯x移動(dòng)帶為70 m，如果繼續(xù)向下開采，則箕斗井很有可能會(huì)處在移動(dòng)帶范圍之內(nèi)，因此，深部礦體開采時(shí)必須采取有效措施控制移動(dòng)帶范圍的進(jìn)一步延伸。

圖6 17#勘探線移動(dòng)角示意圖Fig.6 The diagram of moving angle of No.17exploration line

圖7 礦體端部移動(dòng)角示意圖Fig.7 The diagram of movement angle of the end of ore body

圖8 地表移動(dòng)帶范圍示意圖Fig.8 Surface movement zone

4 結(jié)論

1)根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，利用開采區(qū)域巖層破壞塑性區(qū)包絡(luò)曲線推算地表塌陷區(qū)范圍與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)范圍吻合，驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)論的可靠性。

圖9 數(shù)值模擬移動(dòng)帶圈定圖Fig.9 The movement zone of numerical simulation

2)通過對(duì)開采區(qū)域數(shù)值模擬的位移分析，得到礦體上盤平均移動(dòng)角59.2°，下盤平均移動(dòng)角65.7°，端部移動(dòng)角68.9°；根據(jù)豎直方向位移10 mm圈定地表移動(dòng)帶，移動(dòng)帶垂直礦體走向方向平均寬度為400 m，沿礦體走向方向平均長(zhǎng)度為800 m，移動(dòng)帶面積大約為320 000 m2。

3)根據(jù)紅嶺鉛鋅礦巖層移動(dòng)范圍研究結(jié)果，箕斗井距離移動(dòng)帶只有70 m，隨著礦體回采向下延伸，移動(dòng)帶范圍將進(jìn)一步擴(kuò)大，如不采取有效措施控制地壓?jiǎn)栴}，箕斗井等主要地表生產(chǎn)設(shè)施將處于移動(dòng)帶范圍內(nèi)，造成礦山生產(chǎn)安全隱患。