袁子清，秦云東，陳 璐，郭利杰，馮盼學(xué)

(1.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 102628；2.國家金屬礦綠色開采國際聯(lián)合研究中心，北京 102628；3.中國—南非礦產(chǎn)資源開發(fā)利用聯(lián)合研究中心，北京 102628；4.馳宏科技工程股份有限公司，云南 曲靖 655000)

采空區(qū)(尤其是各種原因形成的不明采空區(qū))是礦山安全生產(chǎn)事故的一個重要誘因。據(jù)調(diào)查，由于民間掠奪式開采，留下的大量不規(guī)則采空區(qū)已成為嚴(yán)重影響礦山生產(chǎn)安全、造成人員和財產(chǎn)損失的主要原因。尤其因采空區(qū)頂板大面積冒落造成的地表沉陷和開裂已成為眾多資源型城鎮(zhèn)的重要安全與環(huán)保問題[1]。很多學(xué)者對井下空區(qū)對地表沉降的影響進(jìn)行了相關(guān)研究，主要體現(xiàn)在采空區(qū)穩(wěn)定性分析方法、空區(qū)探測方法以及地表沉降監(jiān)測等方面，均取得了很多成果[2-13]，但關(guān)于井下空區(qū)對地表沉降影響范圍與尺度的研究不多。本文通過現(xiàn)場空區(qū)調(diào)查，運(yùn)用數(shù)值計算方法分析得到了某鉛鋅礦采空區(qū)對地表沉降的影響范圍與尺度，為礦山采空區(qū)治理與地表沉降監(jiān)測提供了參考。

1 工程概況

某鉛鋅銀礦位于丘陵地區(qū)，山勢平緩，地表一般標(biāo)高750～850 m。礦體呈脈狀產(chǎn)于斷裂構(gòu)造帶中，傾角大多45°～85°，平均厚度0.86～1.85 m，屬于傾斜-急傾斜薄礦體。礦體直接頂?shù)装鍑鷰r有花崗巖類、閃長巖類、安山巖類、砂巖類、凝灰?guī)r類、板巖類及石英斑巖類。礦體及頂?shù)装鍘r石抗壓強(qiáng)度36.7～82.7 MPa，屬半堅硬-堅硬巖類。但在構(gòu)造破碎帶、節(jié)理裂隙發(fā)育帶、蝕變帶易發(fā)生坍塌、冒頂、片幫等礦山工程地質(zhì)問題。礦床的水文地質(zhì)條件簡單，工程地質(zhì)條件為簡單—中等，采用潛孔留礦法開采。320 m以上大部分已開采完畢，部分采空區(qū)進(jìn)行了廢石或全尾砂膠結(jié)充填處理，部分采空區(qū)仍處于未處理的封閉狀態(tài)。根據(jù)礦體分布及開拓系統(tǒng)布置情況，礦山在空間上共分為5個獨(dú)立的生產(chǎn)采區(qū)，各采區(qū)空區(qū)分布及分級情況見表1。

表1 各采區(qū)空區(qū)分布及分級情況Table 1 Goaf distribution and classification of ever mining area

2 模擬思路與模型建立

2.1 建模思路

若對所有采空區(qū)進(jìn)行整體建模計算。則建模范圍太大，會導(dǎo)致數(shù)值模擬無法計算。為提高模擬的準(zhǔn)確性，按各采區(qū)逐個獨(dú)立建模計算方式，又根據(jù)各采區(qū)井下空區(qū)的規(guī)模，重點(diǎn)選擇空區(qū)較大的1-1、1-2、2-2 3個采區(qū)作為模擬計算與分析對象。

在確定3個重點(diǎn)建模區(qū)域后，經(jīng)過重點(diǎn)剖面的二維簡化試算，可知遠(yuǎn)離地表的空區(qū)對地表影響逐漸減弱。根據(jù)恩菲設(shè)計的西鞍山鐵礦工程經(jīng)驗(yàn)，為確保地表鐵路線不受開采空區(qū)誘發(fā)地表沉降的影響，同樣開展了開采空區(qū)誘發(fā)地表沉降的研究，僅模擬了近地表約100 m范圍內(nèi)采空區(qū)，模擬結(jié)果成功應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中。本項(xiàng)目空區(qū)建模高度已經(jīng)超過上述工程經(jīng)驗(yàn)范圍，因此，僅對近地表200～300 m高度范圍內(nèi)的較大成片空區(qū)進(jìn)行模擬，可滿足各采區(qū)所有空區(qū)對地表的影響分析。確定的3個采區(qū)中段模擬范圍，具體見表2。

表2 重點(diǎn)采區(qū)模擬的空區(qū)范圍Table 2 Goaf simulation range of important mining area

2.2 模型建立

根據(jù)所提供的地質(zhì)和采空區(qū)資料，依托建模軟件，通過MIDAS GTS與FLAC3D接口轉(zhuǎn)換程序，將MIDAS GTS中的模型節(jié)點(diǎn)和單元數(shù)據(jù)共同導(dǎo)入至FLAC3D軟件中，得到可用直接模擬計算的高精度數(shù)值模型。3個重點(diǎn)采區(qū)的三維模擬計算模型(圖1～3)，第1～5組為1采空區(qū)模型，第6組為圍巖體模型，各個模型根據(jù)范圍大小共劃分的單元數(shù)約79萬～96萬個，節(jié)點(diǎn)數(shù)13萬～17萬個，最小單元格尺寸為3 m。

圖1 1-1采區(qū)三維模擬模型Fig.1 3D simulation model for No.1-1 mining area

圖2 1-2采區(qū)三維模擬模型Fig.2 3D simulation model for No.1-2 mining area

圖3 2-2采區(qū)三維模擬模型Fig.3 3D simulation model for No.2-2 mining area

3 數(shù)值模擬與分析

3.1 1-1采區(qū)模擬結(jié)果

通過以上數(shù)值計算，得到該采區(qū)整體豎向位移分布(圖4)。從圖4可以看出模型的豎向最大位移值為3.3 cm，地表位移值為5 mm左右，對地表有一定影響，但不明顯。通過提取采空區(qū)周邊圍巖體的豎向云圖(圖5)可以看出最大豎向位移出現(xiàn)的位置。

圖4 1-1采區(qū)整體豎直位移云圖Fig.4 The whole displacement cloud map for No.1-1 mining area

圖5 1-1采區(qū)采空區(qū)周邊圍巖體豎向位移云圖Fig.5 The vertical displacement cloud map of surrounding rock for No.1-1 mining area

從圖5可以看出，在1-1采區(qū)，最大豎向位移出現(xiàn)在690 中段采空區(qū)的上方。為了更為準(zhǔn)確地評估1-1采區(qū)中既有采空區(qū)對地表沉降的影響，在模型的Y方向上每隔100 m進(jìn)行剖面，提取位移云圖，讀取各個剖面處采空區(qū)對地表沉降的影響，數(shù)據(jù)見表3。

表3 1-1采區(qū)剖面空區(qū)對地表沉降的影響Table 3 Subsidence effect on ground about the No.1-1 mining area

從表3各個剖面的豎向位移值數(shù)據(jù)可以看出，在1-1采區(qū)，采空區(qū)誘發(fā)地表變形的最大位移值為7.04 mm，出現(xiàn)在Y=1 000 m剖面位置，對比空區(qū)模型與實(shí)際空區(qū)位置，該采區(qū)地表最大位移大致出現(xiàn)在坐標(biāo)X(39846100～39746200)、Y(5416500～5416600)區(qū)域。

3.2 1-2采區(qū)模擬結(jié)果

通過數(shù)值模擬計算，提取1-2采區(qū)模型的整體位移云圖(圖6)，可以看出模型的豎向最大位移值為6.2 cm，表明地表位移值為1.1 cm左右，對地表有較大影響。通過提取采空區(qū)周邊圍巖體的豎向云圖(圖7)可以看出最大豎向位移出現(xiàn)的位置。

圖6 1-2采區(qū)整體豎直位移云圖Fig.6 The whole displacement cloud map for No.1-2 mining area

從圖7可以看出，1-2采區(qū)最大豎向位移出現(xiàn)在740中段采空區(qū)的上方，最大位移值為6.25 cm。地表出現(xiàn)了一定變形的區(qū)域，地表變形值在1～2 cm左右，為了更準(zhǔn)確地評估該采區(qū)中已有采空區(qū)對地表沉降的影響，在模型的X方向上每隔100 m進(jìn)行剖面，提取位移云圖，讀取可知各個剖面處采空區(qū)對地表沉降的影響，數(shù)據(jù)見表4。

圖7 1-2采區(qū)采空區(qū)周邊圍巖體豎向位移云圖Fig.7 The vertical displacement cloud map of surrounding rock for No.1-2 mining area

表4 1-2采區(qū)剖面空區(qū)對地表沉降的影響Table 4 Subsidence effect on ground about the No.1-2 mining area

從表4可以看出，在1-2采區(qū)，采空區(qū)誘發(fā)地表變形的最大位移值為17.79 mm，出現(xiàn)在X=1 200 m剖面位置，對比空區(qū)模型與實(shí)際空區(qū)位置，該采區(qū)地表最大位移大致出現(xiàn)在坐標(biāo)X(39846500～39846700)、Y(5415400～5415600)區(qū)域。

3.3 2-2采區(qū)模擬結(jié)果

通過數(shù)值模擬計算，提取2-2采區(qū)模型的整體位移云圖(圖8)，由圖8可以看出，模型的豎向最大位移值為13.38 cm，模型上表面的右下方和右上方出現(xiàn)了明顯的變形區(qū)域，右下方的地表位移值為1.87 cm，右上方的地表變形值為1.13 cm，表明2-2采區(qū)相應(yīng)地表位置出現(xiàn)了一定的地表沉降。通過提取采空區(qū)周邊圍巖體的豎向云圖(圖9)可以看出最大豎向位移出現(xiàn)的位置。

圖8 2-2采區(qū)整體豎直位移云圖Fig.8 The whole displacement cloud map for No.2-2 mining area

圖9 2-2采區(qū)采空區(qū)周邊圍巖體豎向位移云圖Fig.9 The vertical displacement cloud map of surrounding rock for No.2-2 mining area

從圖9可以看出，2-2采區(qū)最大豎向位移出現(xiàn)在680中段采空區(qū)的上方。為了更準(zhǔn)確地評估2-2采區(qū)中采空區(qū)對地表沉降的影響，在模型Y方向上每隔50 m進(jìn)行剖面，提取位移云圖，讀取各個剖面處采空區(qū)對地表沉降的影響，數(shù)據(jù)見表5。

表5 2-2采區(qū)剖面空區(qū)對地表沉降的影響Table 5 Subsidence effect on ground about the No.2-2 mining area

從表5可以看出，2-2采區(qū)采空區(qū)誘發(fā)地表變形的最大位移值為18.41 mm，出現(xiàn)在Y=200 m剖面位置，對比空區(qū)模型與實(shí)際空區(qū)位置，地表最大位移大致出現(xiàn)在坐標(biāo)X(39846800～39846900)、Y(5416000～5416100)區(qū)域，該區(qū)域地表已出現(xiàn)明顯塌陷，數(shù)值模擬結(jié)果與圈定的現(xiàn)場已塌陷區(qū)(圖10)在整體方位上具有相似性，說明本數(shù)值模擬結(jié)果具有可參考性。

圖10 實(shí)際塌陷區(qū)與模擬出的塌陷區(qū)位置對比Fig.10 Comparison between the actual and simulative subsidence area

4 結(jié)論與建議

1)在1-1采區(qū)，采空區(qū)誘發(fā)地表變形的最大位移值為7.04 mm，地表最大位移大致出現(xiàn)在X坐標(biāo)(39846100～39846200)、Y(5416500～5416600)區(qū)域。

2)在1-2采區(qū)，采空區(qū)誘發(fā)地表變形的最大位移值為17.79 mm，地表最大位移大致出現(xiàn)在坐標(biāo)X(39846500～39846700)、Y(5415400～5415600)區(qū)域。

3)在2-2采區(qū)，采空區(qū)誘發(fā)地表變形的最大位移值為18.41 mm，地表最大位移大致出現(xiàn)在坐標(biāo)X(39846800～39846900)、Y(5416000～5416100)區(qū)域。其中，數(shù)值模擬結(jié)果與圈定的現(xiàn)場實(shí)際已塌陷區(qū)位置在整體方位上具有相似性，說明本數(shù)值模擬結(jié)果具有可參考性。

4)模擬結(jié)果顯示地表出現(xiàn)了一定沉降和潛在沉降區(qū)域，應(yīng)加強(qiáng)地表沉降和潛在沉降區(qū)的觀測與治理工作。